Fiche de révision : Connaissance des principaux matériaux

📋 Plan du Cours

1. Rôle et familles des matériaux
2. Fonctions et critères de sélection
3. Masse volumique et capillarité
4. Résistance mécanique et essais
5. Contraintes et déformations
6. Propriétés thermiques et acoustiques
7. Durabilité et agents d’altération
8. Dégradations spécifiques du béton
9. Durabilité environnementale et ACV
10. Bois et produits dérivés
11. Classement et emploi du bois
12. Terre crue et techniques constructives
13. Isolants biosourcés et géosourcés

📖 1. Rôle et familles des matériaux

★ À maîtriser

• Les matériaux de construction représentent 5-8 % de l’économie française et 13 % de l’économie mondiale, avec 1,2 million de salariés en France et 7 % de la main-d’œuvre mondiale.

• Les principales familles de matériaux sont:

  • sols, granulats et roches
  • métaux
  • bétons
  • fibres
  • matières plastiques
  • céramiques
  • verre
  • composites

Compléments

• Les sols, granulats et roches servent à mettre en forme les terrains, à soutenir les fondations et à fournir la matière première du béton.

📖 2. Fonctions et critères de sélection

★ À maîtriser

• Les fonctions principales sont: structurelles, protection et finition, thermiques, conduction des fluides électriques, hydrauliques et aérauliques

• Les performances attendues concernent:

  • la sécurité
  • le confort thermique et hygrométrique
  • le confort lumineux
  • le confort acoustique
  • la facilité de maintenance
  • l’accessibilité

📌 Les critères intrinsèques sont propres au matériau, tandis que les critères attribués ou extrinsèques dépendent du contexte technique et socio-économique.

Compléments

• Les critères intrinsèques comprennent les propriétés mécaniques, physico-chimiques et de surface, tandis que les critères extrinsèques comprennent la mise en forme, le coût, l’esthétique et l’impact écologique.

💡 Astuce mémo

Intrinsèque = matériau ; extrinsèque = contexte

📖 3. Masse volumique et capillarité

🔑 Notions clés & Définitions

• Masse volumique : La masse d’un matériau par unité de volume et vérifie $\rho = \frac{m}{V}$.

★ À maîtriser

• La masse volumique de l’eau vaut 1 g/cm³, soit 1000 kg/m³, 1 kg/L ou 1 g/mL.

• 🔄 L’essai d’absorption capillaire suit ces étapes:

  1. mettre une face au contact de l’eau
  2. imperméabiliser les faces latérales
  3. maintenir le niveau d’eau constant
  4. mesurer les gains de masse

Compléments

• Dans l’essai capillaire, l’axe des abscisses représente la racine carrée du temps en secondes et l’axe des ordonnées la variation de masse par unité de surface en kg/m².

💡 Astuce mémo

Contact avec l’eau → gain de masse → courbe

📖 4. Résistance mécanique et essais

★ À maîtriser

• Les principales sollicitations sont:
  • traction
  • compression
  • flexion
  • cisaillement
  • compression multiaxiale

Compléments

• La traction indirecte d’un cylindre soumis à une compression sur ses génératrices induit une traction au centre et est très utilisée pour les bétons et les roches.

• La compression simple est réalisée entre les plateaux d’une presse et est très utilisée pour les roches et les bétons.

📖 5. Contraintes et déformations

📝 Points essentiels

📐 Formule — La contrainte normale vérifie $\sigma = \frac{F}{S}$, où F est la force et S la surface.

📐 Formule — La déformation longitudinale vérifie $\varepsilon = \frac{\Delta L}{L_0}$.

📐 Formule — Le module de Young vérifie $E = \frac{\sigma}{\varepsilon}$.

📌 Un matériau élastique reprend sa forme initiale après déchargement, tandis qu’un matériau ductile peut subir une déformation permanente avant rupture.

📖 6. Propriétés thermiques et acoustiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Conductivité thermique : La capacité d’un matériau à conduire la chaleur et s’exprime en W·m⁻¹·K⁻¹.
• Chaleur spécifique : La quantité de chaleur nécessaire pour faire varier la température d’un matériau et une valeur élevée augmente son inertie thermique.

★ À maîtriser

• Une conductivité thermique inférieure à 0,1 W/(m·K) permet généralement de réaliser un isolant thermique.

Compléments

• La conductivité thermique typique vaut 0,032-0,04 W/(m·K) pour la laine de roche, de verre ou les fibres végétales, 1,5-2,1 W/(m·K) pour le béton et 30-50 W/(m·K) pour l’acier.

💡 Astuce mémo

Faible conductivité = isolant ; forte chaleur spécifique = inertie

📖 7. Durabilité et agents d’altération

🔑 Notions clés & Définitions

• Durabilité : La propriété d’un matériau ou d’un ouvrage à remplir ses fonctions sur le long terme malgré les agents extérieurs, en interaction avec son environnement.

★ À maîtriser

• Les principaux agents d’altération sont:
  • le feu
  • le gel
  • les variations de température
  • le soleil
  • l’air
  • l’eau
  • la pollution
  • les insectes

📌 Le fluage est une déformation lente sous contrainte constante, tandis que la relaxation est une diminution progressive de la contrainte sous déformation constante.

Compléments

• Le gel peut fissurer les matériaux contenant de l’eau par changement de volume et cryo-succion, notamment le béton, le bois et la brique.

💡 Astuce mémo

Agent extérieur → altération → perte de performance

📖 8. Dégradations spécifiques du béton

🔑 Notions clés & Définitions

• Retrait : Une diminution du volume du béton au cours du temps sans charges extérieures, pouvant créer des contraintes internes et des fissures.

★ À maîtriser

• La réaction sulfatique interne forme tardivement de l’ettringite expansive dans le béton, ce qui provoque un gonflement interne et des fissures lorsque la température, les sulfates ou les aluminates réactifs sont excessifs.

• La carbonatation résulte de la réaction du CO₂ avec l’hydroxyde de calcium du béton, forme du carbonate de calcium, abaisse le pH, détruit la passivation de l’acier et peut provoquer corrosion, fissuration et éclatement.

Compléments

• La porosité du béton représente environ 18 % du volume total et sa microstructure peut être modifiée par l’utilisation d’adjuvants.

💡 Astuce mémo

CO₂ ou sulfates → réaction interne → fissuration

📖 9. Durabilité environnementale et ACV

🔑 Notions clés & Définitions

• Analyse de cycle de vie : Une méthode qui quantifie les impacts environnementaux d’un produit depuis l’extraction des matières premières jusqu’à la fin de vie, en incluant la distribution et l’utilisation.
• Unité fonctionnelle : L’unité de compte à laquelle se rapporte le bilan environnemental d’une analyse de cycle de vie, par exemple 1 m² de paroi.

📝 Points essentiels

• Les impacts potentiels évalués comprennent:
  • la consommation d’énergie
  • la consommation d’eau
  • l’épuisement des ressources
  • les déchets
  • le changement climatique
  • l’acidification
  • la pollution de l’air et de l’eau
  • la destruction de la couche d’ozone
  • la formation d’ozone photochimique

💡 Astuce mémo

Extraction → production → usage → fin de vie

📖 10. Bois et produits dérivés

★ À maîtriser

• Le bois est un matériau hygroscopique, régulateur naturel d’humidité, dont la conductivité thermique est environ 0,13-0,18 W/(m·K).

• Les trois plans du bois sont:

  • le plan tangentiel
  • le plan radial
  • le plan transversal

📌 Dans le bois lamellé-collé, les lamelles de toutes les couches sont parallèles, tandis que dans le bois lamellé-croisé les couches adjacentes sont orientées à 90 degrés.

Compléments

• En France, les feuillus représentent 65 % des bois et comprennent notamment les châtaigniers, chênes, érables et frênes, tandis que les résineux représentent 35 % et comprennent notamment les épicéas, douglas et pins.

• Les couches du bois sont:

  • le duramen
  • l’aubier
  • le cambium
  • le liber
  • le phelloderme
  • le phellogène
  • le suber

💡 Astuce mémo

Lamellé-collé : lamelles parallèles ; lamellé-croisé : couches à 90°

📖 11. Classement et emploi du bois

📝 Points essentiels

• Les classes de bois sont:

  • la classe d’aspect
  • la classe de résistance mécanique
  • la classe d’emploi ou de risque

• Dans une classe mécanique comme C24, la lettre C désigne un résineux, D un feuillu et GL un lamellé-collé, tandis que le nombre indique la contrainte de rupture en flexion en MPa.

• La norme NF EN 335-1 à 3 définit cinq classes d’emploi selon l’exposition du bois à l’humidité : de la classe 1 sous abri à la classe 5 en contact avec l’eau de mer.

📖 12. Terre crue et techniques constructives

★ À maîtriser

• La terre crue présente une forte inertie thermique et un excellent tampon hygrométrique, mais la terre crue non stabilisée a une résistance en compression d’environ 1 à 4 MPa.

📐 Formule — Le coefficient d’uniformité d’un sol vérifie $C_u = \frac{D_{60}}{D_{10}}$ et le coefficient de courbure vérifie $C_z = \frac{D_{30}^2}{D_{10}D_{60}}$.

📌 La masse volumique absolue exclut le volume des vides, tandis que la masse volumique apparente inclut le volume de la matière et des vides.

📌 L’adobe est moulé puis séché à l’air libre, le pisé est compacté dans un coffrage, la bauge est mise en œuvre sans coffrage et le torchis est appliqué sur une ossature et un treillis en bois.

Compléments

• La terre allégée est non porteuse, doit être associée à une ossature bois et offre une très grande valeur d’isolation thermique.

💡 Astuce mémo

Préparer → mettre en forme → compacter ou sécher

📖 13. Isolants biosourcés et géosourcés

★ À maîtriser

• Les matériaux biosourcés proviennent de la biomasse, tandis que les matériaux géosourcés proviennent de ressources minérales locales comme la terre, la pierre et le sable.

• Les isolants biosourcés courants sont:

  • la laine de bois
  • la ouate de cellulose
  • le chanvre
  • le lin
  • la paille
  • le liège

Compléments

• La conductivité thermique typique vaut environ 0,038-0,045 W/(m·K) pour la laine de bois, 0,035-0,040 W/(m·K) pour la ouate de cellulose et 0,040-0,048 W/(m·K) pour le chanvre.

• La RE2020 encourage l’utilisation de matériaux à faible empreinte carbone et favorise l’intégration des matériaux biosourcés et géosourcés dans les constructions neuves.

📊 Tableaux de synthèse

Comparaison des sollicitations mécaniques

Techniques traditionnelles en terre crue