Fiche de révision : Matériaux naturels et risques géologiques

📋 Plan du Cours

1. Roche, minéraux et texture
2. Eau et comportement des minéraux
3. Genèse, texture et propriétés des roches
4. Ressource et matériaux de construction
5. Altération et durabilité
6. Réactivité et pathologies des ouvrages
7. Sols, sous-sols et risques géotechniques
8. Cavités souterraines et instabilités
9. Amiante et risques sanitaires
10. Préserver les ressources du projet
11. Matériaux durables et arbitrages

📖 1. Roche, minéraux et texture

🔑 Notions clés & Définitions

• Roche : Matériau constitutif de l’écorce terrestre formé d’un assemblage de minéraux et caractérisé par sa composition minéralogique et sa texture.
• Quartz : Le quartz, de formule $SiO_2$, est un tectosilicate de dureté 7, sans clivage, à cassure conchoïdale et très stable, constituant principal des sables.
• Clivage : Plan de rupture préférentiel d’un cristal, lié à sa symétrie et à la disposition de ses plans atomiques.

★ À maîtriser

📌 La composition minéralogique indique la nature des phases minérales, tandis que la texture décrit leur agencement, leur taille, leur orientation et la porosité de la roche.

📌 Un minéral est une phase naturelle définie par une composition et une structure, un cristal traduit un ordre atomique dans un réseau cristallin, et une roche associe plusieurs minéraux avec une texture.

• Les feldspaths sont des aluminosilicates de dureté 5 à 6 qui s’altèrent en devenant farineux et en formant des minéraux argileux, les plagioclases étant beaucoup plus altérables.

📌 Les micas sont constitués de feuillets qui produisent un clivage marqué, une anisotropie et des limites possibles pour leur emploi en granulats.

Compléments

• L’opale est une forme de silice pratiquement amorphe et hydratée contenant 6 à 10 % d’eau.

💡 Astuce mémo

Composition ≠ texture : les constituants et leur organisation gouvernent le comportement.

📖 2. Eau et comportement des minéraux

🔑 Notions clés & Définitions

• Kaolinite : La kaolinite est une argile constituée de 70 à 100 feuillets fortement liés entre eux, sans intercalation d’eau, utilisée en céramique, papeterie, peinture et cosmétique.

📝 Points essentiels

• La smectite intercale des cations échangeables et des molécules d’eau entre ses feuillets, ce qui provoque un gonflement lorsque la teneur en eau augmente et un retrait lorsqu’elle diminue.

• La bentonite forme des suspensions colloïdales, gonfle au contact de l’eau jusqu’à multiplier son volume par 20, possède un fort pouvoir absorbant, une viscosité et une plasticité élevées, ainsi qu’une thixotropie et une faible perméabilité.

• La calcite, de formule $CaCO_3$ et de dureté 3, est très utilisée dans le génie civil et se dissout en présence d’eau acidifiée.

• Le gypse, de dureté 2 et rayable à l’ongle, se dissout facilement, produit des eaux sulfatées et intervient dans la fabrication du ciment et du plâtre.

• La pyrite, de formule $FeS_2$, s’oxyde rapidement en présence d’eau et d’oxygène, ce qui forme des oxydes de fer hydratés, acidifie le milieu et peut produire du gypse en présence de calcium.

💡 Astuce mémo

Eau → gonflement, dissolution, altération ou oxydation.

📖 3. Genèse, texture et propriétés des roches

🔑 Notions clés & Définitions

• Grès : Sable aggloméré par un ciment, dont les propriétés dépendent de la nature des grains, du ciment et de l’évolution de la roche.

★ À maîtriser

• Les voies principales du cycle des roches sont:
  • fusion
  • métamorphisme
  • altération, transport et dépôt

📌 Un refroidissement lent produit de gros cristaux et une texture grenue, tandis qu’un refroidissement rapide produit une texture fine ou vitreuse.

📌 La schistosité est une texture feuilletée des schistes qui facilite le débit en dalles ou en plaques, mais peut provoquer des glissements lorsque ses plans sont conformes à la pente d’un talus.

• Les usages des calcaires comprennent:
  • granulats
  • pierres de construction
  • matière première pour la chaux
  • matière première pour le ciment
  • castine
  • aquifères

Compléments

• Le basalte compact possède une texture fine et isotrope, une forte compacité et une grande résistance mécanique, ce qui le rend adapté aux granulats et aux ballasts de lignes TGV.

• Les granites sont exploités comme pierres ornementales grâce à leur aptitude au polissage, mais leur texture peut les rendre plus fragiles sous sollicitations.

• Le gneiss possède une foliation formée par l’alternance de lits de minéraux sombres, notamment les micas, et de minéraux clairs, notamment le quartz et les feldspaths, et présente généralement d’importantes caractéristiques mécaniques.

💡 Astuce mémo

Genèse → texture → propriété → usage.

📖 4. Ressource et matériaux de construction

🔑 Notions clés & Définitions

• Sable : Matériau granulaire constitué d’un assemblage de grains, et non une espèce minérale définie par une formule chimique.

★ À maîtriser

• La production de granulats suit les étapes du gisement, de l’extraction, de la préparation par concassage, criblage et lavage, puis de la fabrication de produits classés par granulométrie pour différents usages.

• En France, environ 400 millions de tonnes de granulats sont produites et utilisées chaque année, soit environ 7 tonnes par personne et par an.

📌 Les granulats proviennent soit d’alluvions détritiques non consolidées comme les sables et graviers de rivière, soit du concassage de roches massives comme les granites, diorites, basaltes, calcaires et quartzites.

• La classification des granulats pour béton comprend:
  • fillers
  • sables fins
  • sables grossiers
  • gravillons

• La calcination du calcaire à plus de 900 °C transforme le carbonate de calcium en chaux vive selon $CaCO_3 \rightarrow CaO + CO_2$, puis l’extinction transforme la chaux vive avec l’eau en hydroxyde de calcium selon $CaO + H_2O \rightarrow Ca(OH)_2$.

• Le gypse chauffé subit une déshydratation partielle pour former du plâtre, puis l’ajout d’eau déclenche son hydratation et sa recristallisation.

• 🔄 La fabrication du ciment comprend:

  1. préparation du calcaire et de l’argile
  2. concassage, broyage et homogénéisation
  3. cuisson vers 1450 °C et formation du clinker
  4. broyage du clinker avec du gypse

📌 Le gypse ajouté au clinker régule la prise du ciment en évitant une réaction trop rapide des phases aluminates au contact de l’eau.

• Le béton est un matériau composite composé de ciment, d’eau, de sable et de gravillons, dans lequel l’eau déclenche l’hydratation, le sable remplit les vides et les gravillons forment le squelette granulaire principal.

📌 La terre cuite est obtenue par mise en forme et cuisson des argiles, tandis que la terre crue utilise une ressource géologique comparable sans subir le même procédé de cuisson ni produire les mêmes propriétés finales.

Compléments

• Moins de 5 % du sable présent sur Terre peut être utilisé pour le béton, car le sable du désert est trop arrondi pour adhérer correctement au ciment.

💡 Astuce mémo

Gisement → extraction → préparation → produit → usage.

📖 5. Altération et durabilité

★ À maîtriser

• L’altération transforme physico-chimiquement les minéraux sous l’effet de l’eau, de l’atmosphère et du climat, avec déficit chimique et formation de minéraux secondaires comme les argiles et les oxy-hydroxydes de fer.

📐 Formule — La décarbonatation du calcaire transforme le carbonate de calcium en bicarbonate soluble selon $CaCO_3 + H_2O + CO_2 \rightleftharpoons Ca(HCO_3)_2$.

• La dissolution du gypse peut former des entonnoirs et des cavités souterraines et produire des eaux chargées en sulfates, avec une solubilité indiquée de 2 g/L.

📌 La dégradation des pierres dépend de la minéralogie, de la porosité, de l’eau et de l’environnement, qui déterminent le mécanisme et la pathologie observée.

Compléments

📐 Formule — L’hydrolyse partielle de l’albite peut former de la kaolinite selon $NaAlSi_3O_8 + 11H_2O \rightarrow Si_2O_5Al_2(OH)_4 + 4H_4SiO_4 + 2(Na^+,OH^-)$.

• La vulnérabilité à la dissolution augmente selon l’ordre suivant : roches siliceuses, roches silicatées, roches ferro-magnésiennes, puis roches carbonatées.

• Les polluants atmosphériques comme SO₂ et NOx réagissent avec l’eau et la calcite, ce qui peut former de l’acide sulfurique, du gypse et des croûtes noires sur les pierres.

💡 Astuce mémo

Environnement + eau → transformation minérale → perte de propriétés.

📖 6. Réactivité et pathologies des ouvrages

★ À maîtriser

• Dans une argile pyriteuse, la pyrite s’oxyde en présence d’eau et d’oxygène, les sulfates réagissent avec le calcium et les aluminates, puis la formation de gypse ou d’ettringite secondaire provoque une expansion et une fissuration.

• La réaction alcali-silice est une dégradation interne du béton due à la réaction entre les alcalins de la solution interstitielle et une silice mal cristallisée des granulats, formant un gel hydrophile qui gonfle avec l’eau et dégrade le béton.

Compléments

📐 Formule — La formation d’ettringite secondaire peut être représentée par $3(CaSO_4\cdot2H_2O)+3(CaO\cdot Al_2O_3\cdot6H_2O)+20H_2O\rightarrow3CaO\cdot Al_2O_3\cdot3CaSO_4\cdot32H_2O$.

💡 Astuce mémo

Pyrite ou silice réactive + eau → produits expansifs → fissuration.

📖 7. Sols, sous-sols et risques géotechniques

★ À maîtriser

• En France métropolitaine, 60 % du territoire est concerné par l’aléa de retrait-gonflement des argiles.

📌 Les plans de prévention des risques naturels ne prévoient pas nécessairement d’interdire la construction face au retrait-gonflement des argiles, mais imposent des règles constructives comme l’adaptation de la profondeur des fondations aux caractéristiques du sol.

• Les terrains argileux peuvent contenir jusqu’à 30 % d’eau, et leur limite de liquidité est estimée entre 32 et 45 % de teneur en eau, de sorte qu’une faible infiltration peut déclencher un ramollissement ou une coulée.

📌 La stabilité d’un versant dépend du rapport de force entre la cohésion du terrain et la gravité, et l’orientation de la schistosité peut être plus déterminante que la résistance de la roche intacte.

• Les cavités souterraines peuvent résulter de la dissolution naturelle du gypse ou du calcaire, ou de l’extraction souterraine de craie, de calcaire ou de gypse, mais elles présentent toutes un risque d’instabilité du toit, d’affaissement ou d’effondrement.

📌 Le risque lié à une cavité souterraine dépend notamment de la profondeur, de la géométrie du vide et de la nature des terrains de recouvrement.

Compléments

• En 1999, près de 20 millions de logements étaient exposés au retrait-gonflement des argiles, dont 4 % en aléa fort, 21 % en aléa moyen et 75 % en aléa faible.

💡 Astuce mémo

Origines naturelles ou anthropiques, mais un même risque : le vide ou l’instabilité.

📖 8. Cavités souterraines et instabilités

🔑 Notions clés & Définitions

• Fontis : Affaissement localisé du sol en forme d’entonnoir, provoqué par l’éboulement d’un vide souterrain et par la migration d’une cavité due à l’effondrement successif de son toit.

★ À maîtriser

📌 Les cavités souterraines peuvent être naturelles, par dissolution d’une roche soluble comme le gypse ou le calcaire, ou anthropiques, par extraction souterraine de craie, calcaire ou gypse ; dans les deux cas, elles créent un même risque géotechnique pour l’ouvrage.

• Une cavité souterraine peut provoquer l’instabilité de son toit, puis la propagation du vide et finalement un affaissement ou un effondrement en surface.

Compléments

• En 2000, l’État a confié au BRGM le recensement des cavités souterraines abandonnées connues, hors mines, avec une quarantaine d’inventaires départementaux et une base nationale consultable via Géorisques. — Base nationale BDCavités

💡 Astuce mémo

Vide souterrain → instabilité du toit → propagation → affaissement ou effondrement

📖 9. Amiante et risques sanitaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Amiante : Matériau issu de certaines amphiboles fibreuses, utilisé pour ses propriétés d’isolant thermique et acoustique, d’ignifuge, de flexibilité et de résistance à l’usure.

★ À maîtriser

• L’utilisation de l’amiante a été définitivement interdite en France depuis 1997.

• L’amiante a été utilisé entre 1950 et 1997 dans les flocages, calorifugeages, dalles, toitures et conduits, et sa présence impose une gestion prioritaire avant toute démolition en raison de son caractère cancérogène.

Compléments

• Le désamiantage peut représenter 20 à 50 % du budget total d’une opération de déconstruction et nécessite une main-d’œuvre hautement qualifiée ainsi que de longs délais.

💡 Astuce mémo

Performance thermique et ignifuge de l’amiante, mais risque cancérogène

📖 10. Préserver les ressources du projet

★ À maîtriser

• L’évaluation d’un matériau doit considérer sa disponibilité et son renouvellement, sa transformation et ses émissions, son transport, sa performance, sa durée de vie et sa fin de vie.

• 🔄 Les leviers sont ordonnés ainsi:

  1. réduire
  2. mieux choisir
  3. réemployer
  4. recycler

📌 Le réemploi conserve le produit, sa fonction et sa valeur, tandis que le recyclage transforme le matériau en matière secondaire après tri et traitement.

Compléments

📌 Réduire la quantité de matière consiste à conserver et réhabiliter plutôt qu’à démolir, à optimiser le dimensionnement au juste besoin et à concevoir des ouvrages durables, entretenables et réparables.

• 🔄 La transformation suit la séquence:

  1. calcaire et argile
  2. cuisson à environ 1450 °C
  3. clinker

• 🔄 Le recyclage suit la séquence:

  1. tri et concassage
  2. granulats recyclés
  3. nouvel usage

💡 Astuce mémo

Réduire → mieux choisir → réemployer → recycler

📖 11. Matériaux durables et arbitrages

🔑 Notions clés & Définitions

• Matériau biosourcé : Issu de matière organique renouvelable, appelée biomasse, d’origine végétale ou animale, comme le bois, le chanvre, la paille, la ouate de cellulose ou les textiles recyclés.
• Matériau géosourcé : Matériau de construction issu principalement de ressources minérales naturelles du sol ou du sous-sol et nécessitant généralement peu de transformations industrielles, comme la terre crue, la pierre naturelle ou certains granulats naturels.
• Matériau durable : Un matériau durable possède une faible empreinte environnementale, gère raisonnablement sa ressource, favorise le développement local, garantit un habitat sain, est composé de matière renouvelable, ne rejette pas de produits toxiques durant son cycle de vie et peut être recyclé en fin de vie.

★ À maîtriser

• Les ajouts possibles comprennent:

  • le calcaire
  • l’argile calcinée
  • les cendres volantes
  • les laitiers de hauts fourneaux

• Un béton de classe de résistance C25/30 et de classe d’exposition XC3-XC4-XF1 peut être qualifié de bas carbone s’il émet moins de 195 kgeqCO2/m3, contre 210 à 240 kgeqCO2/m3 pour un béton classique équivalent.

• Dans l’étude de cas, le bâtiment public de 250 m² doit être conçu en privilégiant la limitation de l’impact environnemental, les ressources locales, une longue durée de vie et la valorisation du matériau en fin de vie.

• Dans l’étude de cas, le bâtiment est fortement exposé à la pluie, sa durée de vie recherchée est d’au moins 50 ans et son entretien doit être minimal.

Compléments

• Selon les formulations utilisées, les bétons bas carbone peuvent réduire l’empreinte carbone des bétons jusqu’à 60 %.

• La RE2020 introduit la performance environnementale et l’analyse du cycle de vie dans la réglementation de la construction.

💡 Astuce mémo

Réemploi : le produit reste un produit ; recyclage : le matériau devient une matière secondaire

📊 Tableaux de synthèse

Phases minérales et conséquences ingénieur

Ressources et transformations