Fiche de révision : Connaissance des principaux matériaux

📋 Plan du Cours

1. Rôle et fonctions des matériaux
2. Familles de matériaux de construction
3. Critères de choix et performances
4. Masse volumique et capillarité
5. Résistance mécanique des matériaux
6. Propriétés thermiques et acoustiques
7. Durabilité et agents d’altération
8. Dégradations spécifiques du béton
9. Biosourcé, géosourcé et ACV
10. Bois et structure ligneuse
11. Produits dérivés du bois
12. Terre crue et techniques constructives
13. Isolants bio et géosourcés

📖 1. Rôle et fonctions des matériaux

★ À maîtriser

• Les matériaux de construction répondent à des fonctions structurelles, de protection et finition, thermiques, ainsi que de conduction des fluides.

• Les fonctions structurelles dépendent principalement de la résistance mécanique et de l’aptitude à la mise en œuvre.

Compléments

• Les fonctions thermiques visent à réduire les échanges de chaleur par l’isolation et à exploiter l’inertie thermique.

• La construction représente 5 à 8 % de l’économie française et 13 % de l’économie mondiale.

📖 2. Familles de matériaux de construction

★ À maîtriser

• Les principaux matériaux du génie civil comprennent:

  • les sols, granulats et roches
  • les métaux
  • le béton
  • les fibres
  • les matières plastiques
  • les céramiques
  • le verre
  • les composites

• Les sols, granulats et roches servent à la mise en forme des terrains, au support des fondations et comme matière première du béton.

📌 Les matériaux naturels comprennent notamment la terre crue, le bois et les fibres végétales, tandis que les matériaux industriels comprennent le métal, le béton armé et les matériaux issus des ciments industriels.

Compléments

• Les métaux utilisés en construction comprennent notamment l’acier pour la structure, l’aluminium pour les huisseries et le cuivre pour l’électricité et la plomberie.

📖 3. Critères de choix et performances

★ À maîtriser

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

• Les propriétés mécaniques concernent:

  • la résistance à l’effort
  • la résistance à la déformation
  • la résistance à la fatigue

• Les performances attendues concernent:

  • la sécurité
  • le confort
  • la facilité de maintenance
  • l’accessibilité

Compléments

• Les critères attribués comprennent:
  • l’aptitude à la mise en forme
  • le prix
  • la disponibilité
  • l’esthétique
  • l’impact écologique

💡 Astuce mémo

Intrinsèque = matériau ; attribué = contexte

📖 4. Masse volumique et capillarité

🔑 Notions clés & Définitions

• Masse volumique : la masse d’un matériau par unité de volume et se calcule par $\rho=\frac{m}{V}$

📝 Points essentiels

• La masse volumique de l’eau est égale à 1 g/cm³, 1000 kg/m³, 1 kg/L et 1 g/mL.

• 🔄 L’essai d’absorption capillaire consiste à: mettre une face en contact avec une nappe d’eau constante, imperméabiliser les faces latérales, mesurer les gains de masse à intervalles définis

💡 Astuce mémo

Masse → contact avec l’eau → gain de poids

📖 5. Résistance mécanique des matériaux

★ À maîtriser

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

📐 Formule — Le module de Young se calcule par $E=\frac{\sigma}{\varepsilon}$ et la déformation longitudinale par $\varepsilon=\frac{\Delta L}{L_0}$.

📌 La traction directe étire une éprouvette, tandis que la traction indirecte comprime les génératrices d’un cylindre pour induire une traction centrale.

Compléments

• La compression triaxiale applique des sollicitations selon plusieurs directions perpendiculaires et est utilisée pour les roches et les sols.

💡 Astuce mémo

Contrainte = effort subi ; déformation = changement de forme

📖 6. Propriétés thermiques et acoustiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Conductivité thermique : le flux de chaleur traversant un matériau d’un mètre d’épaisseur soumis à une différence de température d’un kelvin entre ses faces, exprimée en W·m⁻¹·K⁻¹

★ À maîtriser

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

• La chaleur spécifique est la quantité de chaleur nécessaire pour faire varier la température d’un matériau et une valeur élevée augmente son inertie thermique.

Compléments

📐 Formule — Le coefficient de réflexion est le rapport entre l’intensité réfléchie et l’intensité incidente, soit $R=\frac{I_r}{I_i}$, avec $R+T+A=1$.

📖 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 en résistant aux agents extérieurs

📝 Points essentiels

• 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.

• L’eau favorise l’oxydation des métaux, les effets capillaires dans les matériaux poreux et le développement de moisissures et de champignons dans le bois.

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

💡 Astuce mémo

Agents extérieurs → altération → perte de performances

📖 8. Dégradations spécifiques du béton

🔑 Notions clés & Définitions

• Réaction sulfatique interne : une dégradation du béton due à la formation tardive d’ettringite expansive, qui provoque un gonflement interne et des fissures
• Retrait : une diminution du volume du béton au cours du temps, même sans charges extérieures, pouvant provoquer des contraintes internes et des fissures

★ À maîtriser

• La carbonatation du béton fait pénétrer le CO₂, réagir avec l’hydroxyde de calcium, diminuer le pH, supprimer la passivation de l’acier et favoriser sa corrosion puis la fissuration du béton.

Compléments

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

💡 Astuce mémo

CO₂ → baisse du pH → corrosion → fissuration

📖 9. Biosourcé, géosourcé 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 sa fin de vie
• Unité fonctionnelle : L’unité fonctionnelle est l’unité de compte à laquelle se rapporte le bilan environnemental d’une ACV, par exemple un mètre carré de paroi.

📝 Points essentiels

📌 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.

• Une ACV évalue notamment:
  • la consommation d’énergie
  • la consommation d’eau
  • l’épuisement des ressources
  • les déchets
  • le changement climatique
  • l’acidification
  • la pollution de l’air
  • la pollution de l’eau

💡 Astuce mémo

Extraire → fabriquer → utiliser → éliminer

📖 10. Bois et structure ligneuse

★ À maîtriser

📌 Le bois est anisotrope car ses caractéristiques varient selon les plans tangentiel, radial et transversal.

• Du centre vers l’extérieur, le bois comprend:
  • le duramen
  • l’aubier
  • le cambium
  • le liber
  • le phelloderme, le phellogène et le suber

Compléments

• En France, les feuillus représentent 65 % des bois et les résineux 35 %.

• Le bois est hygroscopique, régule naturellement l’humidité et présente une conductivité thermique d’environ 0,13 à 0,18 W/(m·K).

📖 11. Produits dérivés du bois

★ À maîtriser

📌 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 transversalement à 90 degrés.

• Le contreplaqué est constitué de plis de bois collés avec leurs fils perpendiculaires entre eux, ce qui produit des propriétés similaires dans toutes les directions.

• La classe structurelle du bois associe une lettre à une valeur de contrainte de rupture en flexion en MPa, comme C24, D18 ou GL30h.

Compléments

• Les panneaux OSB sont constitués de lamelles de résineux collées et orientées, notamment pour le contreventement, les poutres en I et les planchers.

📖 12. Terre crue et techniques constructives

★ À maîtriser

• L’adobe est fabriqué avec une terre argileuse et du sable fin, moulé puis séché lentement à l’air libre ; son mélange peut contenir jusqu’à 40 % d’eau en masse.

• 🔄 Le pisé met en œuvre la terre en:

  1. préparant une terre humide
  2. la déposant dans un coffrage
  3. la compactant par couches

📌 La bauge forme des murs épais en mélangeant argile, limon, sable fin et fibres, tandis que le torchis remplit une ossature porteuse en bois et un treillis.

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

Compléments

• Les blocs de terre comprimée sont composés de terre, de sable et éventuellement de chaux, de ciment ou de fibres, puis compressés dans une presse à l’état humide.

💡 Astuce mémo

Adobe moulé ; pisé compacté ; bauge modelée ; torchis rempli

📖 13. Isolants bio et géosourcés

★ À maîtriser

• Les principaux isolants biosourcés comprennent:
  • la laine de bois
  • la ouate de cellulose
  • le chanvre
  • le lin
  • la paille
  • le liège

Compléments

• La laine de bois possède une conductivité thermique d’environ 0,038 à 0,045 W/(m·K), tandis que la ouate de cellulose présente une conductivité d’environ 0,035 à 0,040 W/(m·K).

• La terre allégée présente une conductivité thermique d’environ 0,10 à 0,14 W/(m·K), tandis que le béton de chanvre présente une conductivité d’environ 0,07 à 0,12 W/(m·K).

• Les isolants géosourcés ou recyclés comprennent notamment:

  • le verre granulaire expansé
  • le verre cellulaire
  • l’argile expansée
  • la perlite expansée
  • la pierre ponce
  • le verre recyclé
  • la vermiculite expansée

📊 Tableaux de synthèse

Fonctions et propriétés recherchées

Techniques traditionnelles en terre crue