Fiche de révision : Métaux non ferreux en construction

📋 Plan du Cours

1. Métaux non ferreux en construction
2. Plomb : propriétés et usages
3. Plomb en couverture et étanchéité
4. Cuivre : propriétés et applications
5. Cuivre en couverture et bardage
6. Bronze et laiton
7. Zinc en couverture et bardage
8. Aluminium, titane et or

📖 1. Métaux non ferreux en construction

🔑 Notions clés & Définitions

• Plomb : Métal non ferreux utilisé en construction, notamment pour la tuyauterie historique, la couverture et certains éléments d’étanchéité.
• Cuivre : Métal non ferreux employé surtout pour ses propriétés électriques, thermiques, anticorrosion et son aptitude en couverture et bardage.
• Zinc : Métal non ferreux utilisé en couverture et en bardage, apprécié pour sa mise en œuvre et sa tenue au vieillissement.

📝 Points essentiels

• La construction mobilise plusieurs métaux non ferreux en dehors du fer, notamment plomb, cuivre, bronze et laiton, zinc, aluminium, titane et or.
• Le plomb, historiquement, a servi aussi bien en tuyauterie qu’en ouvrages de couverture et de protection de charpente.
• Le cuivre sert à la production et au transport de l’électricité, aux canalisations d’eau et de gaz, et aux pièces nécessitant une résistance à la corrosion.
• Le zinc et le cuivre interviennent aussi bien en couverture que comme matériaux de bardage dans des formes variées.

📖 2. Plomb : propriétés et usages

🔑 Notions clés & Définitions

• Essence « sans plomb » : Exemple cité de politique de santé publique visant à réduire l’exposition au plomb, en remplaçant l’essence contenant du plomb.
• Minium de plomb : Produit à base de plomb mentionné comme application antirouille pour protéger les surfaces contre la corrosion.
• Plombage : Terme décrivant l’usage du plomb dans des ouvrages liés à la plomberie et à l’équipement d’étanchéité en architecture.
• Tréfilage du plomb : Opération de mise en forme du plomb par étirage, décrite comme aisée sauf pour le fil fin.

📝 Points essentiels

• La production romaine de plomb aurait atteint 60 000 tonnes par an, chiffre ensuite égalé seulement au XIXe siècle.
• Le plomb est décrit comme mou et malléable, avec une faible résistance à la rupture et une excellente aptitude au martelage.
• Le plomb ternit à l’air par formation d’une couche d’oxyde et de carbonate.
• Le faible point de fusion du plomb facilite la soudure, et ses propriétés d’étanchéité et de résistance à la corrosion expliquent l’usage en tuyauterie.
• L’eau chargée de calcaire forme une gaine de carbonate protectrice sur les canalisations, mais une variation d’acidité peut dissoudre cette gaine et augmenter les teneurs en plomb.

💡 Astuce mémo

Plomb : doux et “souplé” (marteler + souder) mais dangereux (on finit par le retirer).

📖 3. Plomb en couverture et étanchéité

🔑 Notions clés & Définitions

• Coulage sur sable : Procédé historique de fabrication de feuilles de plomb coulées sur sable en tables, présenté comme purifiant le métal et révélant les défauts.
• Plomb laminé : Procédé moderne de mise en forme en épaisseur uniforme, mais pouvant dissimuler des brisures ou défauts qui créent des infiltrations.
• Piqûres d’insectes : Perforations traversantes du plomb laminé provoquées par des insectes, formant des trous d’environ 1 mm où passe l’eau de pluie.
• Scellement dans la maçonnerie : Technique indiquée où le plomb est inséré dans la maçonnerie avec un liant pour assurer la continuité d’étanchéité entre support et couverture.

📝 Points essentiels

• En couverture, le plomb doit être fortement maintenu pour éviter l’affaissement dû à son poids, tout en laissant la possibilité de dilatation ou de resserrement selon la température.
• Le soleil peut provoquer un “boursouflage” si le plomb n’est pas laissé libre, et le froid peut arracher les attaches pendant les grands froids.
• Le plomb coulable sur table est décrit comme lourd car porté par une épaisseur de plusieurs millimètres, avec exemple chiffré pour Notre-Dame de Paris : 210 tonnes de feuilles de 5 mm.
• Le plomb a aussi une interaction avec le bois : il absorbe l’acide des fibres, donc il faut des bois adaptés et purgés de leur sève.
• Le plomb peut être scellé dans un joint de maçonnerie pour assurer une continuité d’étanchéité sur des éléments comme chéneaux ou balcons.
• La feuille de plomb contribue à l’armature des vitraux, avec un usage en isolation acoustique et une protection contre les rayons X et Y dans les salles de radiologie.

💡 Astuce mémo

Étanchéité = plomb + liant : “sceller pour ne pas laisser entrer”.

📖 4. Cuivre : propriétés et applications

🔑 Notions clés & Définitions

• Conductivité électrique : Propriété du cuivre mise en avant comme déterminante pour ses usages liés à l’électricité, de la production à l’utilisation.
• Résistance à la corrosion : Atout du cuivre et de ses alliages utilisé pour des pièces soumises à des milieux agressifs et pour des applications extérieures.
• Propriétés fongicides : Propriété du cuivre citée comme contribuant à limiter les développements biologiques sur certains usages.
• Bronze : Alliage à base de cuivre et d’étain, présenté comme ayant une bonne résistance à la corrosion et utilisé historiquement.

📝 Points essentiels

• Les propriétés du cuivre sont données par ordre d’importance : conductivité électrique, résistance à la corrosion, conductivité thermique, malléabilité, aptitude au soudage/brasage, puis propriétés fongicides.
• Le cuivre n’est pas décrit comme un métal structural, et ses grandes applications relèvent donc surtout de la fonction (électricité, canalisations, pièces anticorrosion).
• L’or, l’argent et le cuivre peuvent être présents à l’état natif, ce qui relie le cuivre à une très longue histoire d’usage.
• La fabrication du cuivre est citée comme énergivore, mais le matériau est indiqué comme 100% recyclable.
• Des usages cités pour le cuivre incluent couvertures, bardage et quincaillerie, ainsi que des applications sanitaires anticorps via les surfaces en cuivre.

💡 Astuce mémo

Cuivre = “élec + anti-corrosion” avant tout (puis chaleur, forme, soudure).

📖 5. Cuivre en couverture et bardage

🔑 Notions clés & Définitions

• Panthéon de Rome : Exemple historique cité où le bâtiment du 2ème siècle après J.-C. était couvert de cuivre.
• Cité Radieuse de Marseille : Exemple de l’usage du plomb (isolation acoustique) mentionné, utile pour distinguer de l’usage cuivre en couverture mais replacé dans le contexte métaux.
• Statue de la Liberté : Exemple où des feuilles de cuivre sont fixées sur une structure métallique, cité avec une quantité et un format de feuilles.
• Cage de Faraday : Principe mentionné via des feuilles de cuivre pour rendre un local étanche aux ondes électromagnétiques.

📝 Points essentiels

• Le cuivre a été utilisé comme matériau de couverture “à travers le monde” et des exemples cités incluent le Panthéon, Sainte-Sophie, et des toitures nord-européennes conservées.
• Des toitures de la période napoléonienne sont citées en France : la Madeleine et la Bourse à Paris couvertes de cuivre.
• Après des incendies, des charpentes et couvertures en plomb de cathédrales (Chartres ou Saint-Denis) sont remplacées par des charpentes métalliques et des couvertures en cuivre.
• La longévité du cuivre est donnée comme pouvant être supérieure à 100 ans, avec faible dilatation, résistance aux chocs et entretien presque nul.
• Le coût initial plus élevé est présenté comme compensé par le coût global sur la durée, avec un exemple de raisonnement sur 70 ans.
• La couverture en cuivre de la Statue de la Liberté est décrite comme 60 tonnes de feuilles de cuivre de 1×3 m fixées sur sa structure métallique.

📖 6. Bronze et laiton

🔑 Notions clés & Définitions

• Laiton : Alliage de cuivre et de zinc, présenté comme principalement utilisé en plomberie et en serrurerie.
• Éléments de serrurerie : Catégorie d’ouvrages citée où le bronze et le laiton sont employés pour fabriquer de petites pièces.
• Bardage bronze : Mise en œuvre citée où le bronze est disponible pour réaliser des éléments de bardage.

📝 Points essentiels

• Le bronze est décrit comme un alliage à base de cuivre et d’étain, utilisé dans des colonnes antiques plutôt comme élément décoratif que constructif.
• Le bronze est principalement orienté vers des ouvrages décoratifs comme des bas-reliefs et des bandes narratives sur des portes monumentales.
• Le bronze sert aussi pour de petits éléments de second œuvre tels que charnières et serrures.
• Le laiton (cuivre + zinc) est surtout utilisé en plomberie et en serrurerie.
• Le zinc est mentionné ici indirectement : le laiton associe cuivre et zinc, ce qui relie ses usages à des pièces techniques plutôt qu’à la couverture.

💡 Astuce mémo

Bronze = décor (et quincaillerie) ; Laiton = plomberie/serrurerie (cuivre + zinc).

📖 7. Zinc en couverture et bardage

🔑 Notions clés & Définitions

• Brisis : Partie presque verticale des toits “à la Mansart” mentionnée, couverte en ardoises ou en zinc.
• Terrasson : Toiture à faible pente des toits “à la Mansart” mentionnée comme systématiquement réalisée en zinc.
• Jeu de dilatation : Contrainte indiquée pour la mise en œuvre du zinc : prévoir un espace de dilatation tout en conservant l’étanchéité.
• Matériaux de bardage en zinc : Formes de réalisation du bardage citées : joint debout, écailles, tôles ondulées, cassettes, et contre-collé sur panneau rigide.

📝 Points essentiels

• Le zinc est décrit comme économique, facile à façonner et poser, avec une résistance au vieillissement estimée entre 50 et 100 ans.
• La masse surfacique de référence est donnée : une couverture en zinc pèserait 7 kg/m² contre 80 pour la tuile.
• Le texte relie l’évolution des toits par le XIXe siècle : les toits “à la Mansart” changent la silhouette parisienne avec brisis en ardoises ou zinc et terrasson en zinc.
• Le zinc se dilate beaucoup, donc la mise en œuvre doit prévoir du jeu tout en restant étanche.
• Le zinc permet chéneaux, appuis de baies et descentes d’eau pluviale, et peut être inséré dans un joint de maçonnerie.
• Le zinc n’est pas utilisé pour des éléments de structure dans ce contexte.

💡 Astuce mémo

Zinc = léger + dilatable : “jeu” obligatoire pour rester étanche.

📖 8. Aluminium, titane et or

🔑 Notions clés & Définitions

• Anodisation : Traitement de surface mentionné pour améliorer la résistance de l’aluminium et modifier sa teinte.
• Thermolaquage : Traitement de surface mentionné pour donner à l’aluminium une gamme étendue de couleurs.
• Extrusion : Procédé mis en avant dans le cas de Jean Prouvé : projection/compression de métal dans une filière pour fabriquer des profilés précis.
• Feuille d’or : Forme de l’or citée pour la décoration, notamment sur des supports en plomb ou sur fer et boiseries.

📝 Points essentiels

• La densité de l’aluminium est donnée comme 2,7 kg pour 1 litre, soit environ un tiers de celle de l’acier (7–8 kg/l) ou du cuivre (8,96 kg/l).
• L’aluminium forme naturellement une couche d’oxyde protectrice, et des traitements comme anodisation ou laquage renforcent cette protection.
• Même à faible épaisseur, une feuille d’aluminium est indiquée comme totalement imperméable et opaque aux micro-organismes et à la lumière.
• La fabrication de l’aluminium est dite très énergivore, avec des chiffres fournis : 4 à 5 t de bauxite par tonne d’aluminium et 13 000 kWh par tonne.
• L’aluminium est indiqué comme recyclable à 100% sans dégradation, avec un recyclage nécessitant 5% de l’énergie de la production primaire.
• Le titane est cité comme bardage récemment employé par Franck Gehry, et l’or comme décoration en feuilles sur plomb et autres supports (exemple : dôme des Invalides, grilles, boiseries).

📅 Repères chronologiques

1. IXe millénaire avant J.-C.Objets de cuivre datant du IXe millénaire avant J.-C. mis au jour en Irak
2. 2ème siècle après Jésus-ChristPanthéon de Rome couvert de cuivre, construit au 2ème siècle après Jésus-Christ
3. XIXème siècleDéveloppement accru du cuivre et généralisation du zinc en couverture à Paris à partir de la fin du XIXème siècle
4. 1800Production de métal extrait depuis la préhistoire jusqu’à 1800 estimée à environ un million de tonnes
5. 11ème siècleToiture en cuivre de la cathédrale d’Hildesheim remontant au 11ème siècle

📊 Tableaux de synthèse

Densité : aluminium vs acier vs cuivre

⚠️ Pièges & confusions fréquents

1. Confondre plomb et zinc : le zinc se dilate beaucoup et exige du jeu tout en restant étanche, alors que le plomb doit aussi être maintenu pour éviter l’affaissement et gérer dilatation/resserrement.
2. Croire que le plomb en couverture se pose sans contrainte bois : il absorbe l’acide des fibres, donc il faut des bois parfaitement purgés de leur sève.
3. Penser que le cuivre est surtout structural : le cours indique plutôt qu’il est surtout choisi pour des propriétés fonctionnelles (électricité, anticorrosion, etc.).
4. Mélanger les procédés de plomb : le coulage sur sable laisse le métal pur mais peut avoir des épaisseurs inégales, tandis que le laminage peut dissimuler des défauts et créer des infiltrations.
5. Oublier la cause des piqûres dans le plomb laminé : elles sont attribuées à des insectes perforant le plomb de part en part.

✅ Checklist Examen

1. Décrire les propriétés clés du plomb (mou/malléable, faible résistance à la rupture, faible point de fusion, ternit à l’air).
2. Expliquer pourquoi l’usage des canalisations en plomb a pu fonctionner avec l’eau calcaire (gaine de carbonate) et pourquoi il peut devenir dangereux avec une acidité variable.
3. Lister les usages historiques du plomb au-delà de la tuyauterie (pigments, antirouille, feuilles isolantes, alliages soudures/fusibles).
4. Justifier les exigences de mise en œuvre du plomb en couverture (maintien contre l’affaissement + liberté de dilatation/resserrement).
5. Comparer coulage sur sable et plomb laminé en termes d’effets sur défauts et infiltrations, et connaître le rôle des piqûres d’insectes d’environ 1 mm.
6. Citer au moins deux rôles du plomb en architecture moderne/ancienne autres que la couverture (vitraux, acoustique, protection contre rayons X/Y).
7. Donner les propriétés du cuivre par ordre d’importance et rappeler ses grandes applications (électricité, canalisations, pièces anticorrosion).
8. Citer des atouts du cuivre en couverture et un exemple chiffré d’usage (ex. feuilles de cuivre de la Statue de la Liberté).
9. Retenir les usages du bronze et du laiton : bronze surtout décoratif/second œuvre, laiton surtout plomberie et serrurerie.
10. Décrire la contrainte de mise en œuvre du zinc (dilatation + jeu sans perdre l’étanchéité) et ses formes de bardage.
11. Donner le poids surfacique comparatif cité pour le zinc (7 kg/m²) et la référence tuile (80).
12. Retenir les chiffres du cours pour l’aluminium (densité 2,7 kg/l ; bauxite 4–5 t par tonne ; 13 000 kWh par tonne ; recyclage 5%).
13. Expliquer pourquoi l’aluminium résiste à la corrosion (couche d’oxyde) et les traitements mentionnés (anodisation, thermolaquage).
14. Citer les mentions du titane et de l’or comme matériaux d’architecture dans le cours (bardage pour le titane, feuilles d’or pour la décoration).