Fiche de révision : Roches et granulats de construction

📋 Plan du Cours

1. Origine, classification et texture des roches ignées
2. Roches métamorphiques et exigences
3. Extraction et commercialisation de la pierre
4. Origine et types de granulats
5. Forme des granulats et mesure de l’aplatissement
6. Propreté des sables et mesure de l’équivalent de sable
7. Équivalent de sable à dix pour cent
8. Préparation des échantillons et sable correcteur
9. Essai d’équivalent de sable à 10 %
10. Résistance à la fragmentation Los Angeles
11. Résistance à l’usure Micro-Deval
12. Essai de fendage du béton
13. Hydratation et auto-cicatrisation du béton
14. Essai de compression du béton
15. Essai d’affaissement au cône d’Abrams

📖 1. Origine, classification et texture des roches ignées

🔑 Notions clés & Définitions

• Roches ignées : Résultent du refroidissement du magma injecté dans les fissures de l’écorce terrestre.

★ À maîtriser

• Les matériaux de construction trouvent leur origine dans la croûte terrestre, et les pierres peuvent provenir du refroidissement progressif du magma ou de la désagrégation et de la sédimentation de roches préexistantes.

• Les roches se classent en trois familles :

  • les roches ignées
  • les roches sédimentaires
  • les roches métamorphiques

📌 La texture granitique, illustrée par le granit, présente de gros cristaux formés lors d’un refroidissement extrêmement lent.

• La texture vitreuse des laves et des ponces résulte d’un refroidissement très rapide qui empêche la cristallisation.

Compléments

• Les pierres naturelles possèdent des formes et des dimensions très variées.

📌 La texture porphyrique du porphyre associe de gros cristaux à une pâte microcristalline et résulte d’un refroidissement moins lent que celui du granit.

💡 Astuce mémo

Le refroidissement lent donne de gros cristaux ; le refroidissement rapide empêche la cristallisation.

📖 2. Roches métamorphiques et exigences

🔑 Notions clés & Définitions

• Gneiss : Roche métamorphique de la croûte continentale contenant du quartz, du mica, des feldspaths plagioclases et parfois du feldspath alcalin, dont les constituants sont suffisamment gros pour être identifiés à l’œil nu.
• Ardoise : Roche métamorphique issue d’une argile ayant subi un métamorphisme général faible ; son grain est très fin et homogène, elle est fissile suivant les plans de schistosité, qui ne coïncident pas nécessairement avec les plans de sédimentation, et peut servir de matériau de couverture.
• Quartzite : Roche siliceuse massive constituée de cristaux de quartz soudés ; sa cassure est conchoïdale et sa couleur est généralement claire.

★ À maîtriser

• Les roches métamorphiques proviennent de roches magmatiques ou sédimentaires préexistantes transformées par une forte pression ou une température élevée.

• Les transformations métamorphiques citées sont :

  • le granit en gneiss
  • le calcaire en marbre
  • le grès en quartzite
  • l’argile en ardoise

• Les roches utilisées doivent présenter les qualités suivantes : une constitution homogène, une résistance à la compression, une résistance à l’attaque des agents atmosphériques, une résistance à l’absorption de l’eau, une bonne ouvrabilité, c’est-à-dire être faciles à travailler

Compléments

📌 Le quartzite métamorphique, ou métaquartzite, provient de la recristallisation d’un grès, d’une radiolarite ou d’un filon de quartz, tandis que le quartzite sédimentaire, ou orthoquartzite, provient de la cimentation diagénétique d’un grès.

📖 3. Extraction et commercialisation de la pierre

★ À maîtriser

• Les méthodes d’extraction de la pierre naturelle comprennent :
  • le tirage d’explosifs
  • le sciage au fil hélicoïdal
  • l’emploi de coins d’acier ou spigots

📌 Le tirage d’explosifs ne convient qu’aux moellons destinés aux maçonneries grossières, à l’enrochement, au concassage ou à la fabrication des ciments, car il déforce la texture de la pierre.

Compléments

• Pour le tirage d’explosifs, on fore des trous profonds et étroits dans la roche, on y place l’explosif relié à un déclencheur par des fils ou des mèches, puis on le met à feu.

• L’extraction au fil hélicoïdal consiste à scier la roche avec un fil d’acier.

• Pour l’extraction aux spigots, on creuse des trous le long de la ligne de séparation choisie, puis on enfonce les coins d’acier au marteau, d’une masse d’environ vingt kilogrammes.

• La pierre naturelle est généralement débitée ou sciée en gros blocs, en carrière ou en atelier, puis sciée en plaques ou en tranches ; le mètre cube sert d’unité aux pierres de construction et le mètre carré aux pierres polies.

📖 4. Origine et types de granulats

🔑 Notions clés & Définitions

• Granulats : Roches naturellement cassées et roulées dans les cours d’eau ou mécaniquement concassées ; matériaux inertes de formes et dimensions quelconques, ils sont associés aux liants pour composer les mortiers et les bétons.
• Granulat mixte : Comporte à la fois des éléments roulés et des éléments concassés.

★ À maîtriser

📌 Les granulats naturels ne subissent aucun traitement autre que mécanique des roches et minerais, les granulats artificiels résultent d’une transformation à la fois thermique et mécanique des roches et minerais, et les granulats recyclés proviennent de la démolition d’anciens ouvrages.

📌 Le granulat roulé, obtenu par criblage et lavage de matériaux alluvionnaires, est généralement arrondi et souvent d’origine naturelle, tandis que le granulat concassé, obtenu par concassage de roches éruptives ou sédimentaires, est généralement plus ou moins anguleux.

Compléments

• La forme des granulats est liée au transport par l’eau, le vent ou la glace après leur production par désagrégation des roches mères.

💡 Astuce mémo

Roulé : forme arrondie ; concassé : forme anguleuse.

📖 5. Forme des granulats et mesure de l’aplatissement

🔑 Notions clés & Définitions

• Coefficient d’aplatissement : Caractérise la forme des granulats dont la dimension est comprise entre 4 et 63 mm.

★ À maîtriser

📌 Pour les bétons de ciment, les corps de chaussées et les couches de roulement, il faut utiliser des granulats de forme assez ramassée et exclure les granulats plats.

• L’essai du coefficient d’aplatissement comprend deux tamisages successifs : un tamisage sur tamis pour classer l’échantillon en classes granulaires di/Di, puis un tamisage de ces classes sur des grilles à fentes parallèles espacées de Di/2.

• 🔄 Le mode opératoire comprend les étapes suivantes :

  1. Échantillonner le granulat selon l’analyse granulométrique par tamisage.
  2. Sécher à 110 ± 5 °C jusqu’à masse constante, puis laisser refroidir.
  3. Éliminer les grains passant au tamis de d/2 (4 mm au minimum) et ceux retenus au tamis de 1,4 D (80 mm au maximum).
  4. Tamiser chaque classe sur une grille à fentes parallèles d’écartement E.
  5. Peser au gramme près les fractions obtenues et les passants sur les grilles.

Compléments

📌 Les granulats plats empêchent d’obtenir des bétons très compacts et produisent des couches de roulement trop glissantes en technique routière.

• Selon leur origine, leur nature et leur mode d’élaboration, les granulats peuvent être sphériques, cubiques, plats ou allongés ; leur forme et l’état de surface des grains influent sur leur mise en œuvre.

• La masse M₀ de granulats doit être pesée pour l’essai du coefficient d’aplatissement.

📌 La masse est considérée constante lorsque deux pesées successives séparées d’une heure ne diffèrent pas de plus de 0,1 %.

📖 6. Propreté des sables et mesure de l’équivalent de sable

🔑 Notions clés & Définitions

• Propreté des sables : Évaluée par la floculation des éléments fins en suspension dans une solution lavante, puis par la mesure, après repos, de la hauteur des éléments sédimentés.

★ À maîtriser

📌 Un excès de fines, définies comme les grains passant au tamis de 80 μm, exige davantage d’eau, tandis qu’un manque de fines rend le béton peu maniable, ségrégable et peu compact.

• Pour préparer les échantillons de l’essai d’équivalent de sable, sécher le sable à l’air sans le rendre parfaitement sec, tamiser à 2 mm, prélever un échantillon pour mesurer la teneur en eau et deux prises d’essai de masse sèche équivalente à 120 g chacune.

Compléments

• Les granulats pollués diminuent les résistances mécaniques du béton, augmentent son retrait et nécessitent un dosage en eau plus important.

• L’essai d’équivalent de sable porte sur la fraction du sable passant au tamis de 2 mm.

📐 Formule - La masse humide de chaque prise d’essai est $120(1+w/100)\,\mathrm{g}$, où w est la teneur en eau de la fraction 0/2 mm mesurée sur le premier échantillon.

• La solution lavante est préparée en diluant (125 ± 1) ml de solution concentrée dans (5,00 ± 0,01) l d’eau distillée ou déminéralisée.

💡 Astuce mémo

Les fines floculent → leur hauteur se compare au sédiment sableux.

📖 7. Équivalent de sable à dix pour cent

★ À maîtriser

• Pour réaliser l’essai, remplir l’éprouvette de solution lavante jusqu’au repère de 100 mm, introduire la prise d’essai et chasser les bulles, agiter par 90 cycles en 30 secondes, laver et faire remonter les fines jusqu’au repère supérieur, laisser reposer 20 minutes ± 15 secondes, puis mesurer h1 et h2.

📐 Formule - L’équivalent de sable exprimé en pourcentage est $SE=100\times h_2/h_1$, où h1 est la hauteur du floculat et h2 la hauteur du sédiment.

• L’équivalent de sable à 10 % de fines mesure la propreté de la fraction passant au tamis de 2 mm, dont la proportion de fines passant à 0,08 mm est ramenée à 10 % au moyen d’un sable correcteur si nécessaire.

Compléments

📌 Le résultat final de l’essai d’équivalent de sable est la moyenne des valeurs obtenues pour les deux prises d’essai.

📖 8. Préparation des échantillons et sable correcteur

★ À maîtriser

• Le sable est tamisé à 2 mm, le refus est lavé avec le moins d’eau possible, puis le passant 0/2 mm est séché sans atteindre l’état sec; l’échantillon obtenu pèse environ 1,500 kg.

• Quatre échantillons sont préparés : un pour déterminer rapidement la teneur en eau ω, un pour préparer le sable correcteur et déterminer la teneur en fines, deux pour préparer les échantillons d’essai

📐 Formule - La teneur en fines du sable est calculée par $f = 100 - \frac{m_s(100 + \omega)}{M_{h2}}$, où m_s est la masse sèche du refus et M_h2 la masse du deuxième échantillon.

📐 Formule - La masse de sable correcteur sec à ajouter à un échantillon d’essai est $m_{sc} = 120 - \frac{1200}{f}$ grammes.

Compléments

📌 Si f est inférieur à 11 %, aucune correction n’est effectuée et la masse de chaque échantillon est $120(1+\omega)$ grammes.

📌 Si f est supérieur à 11 %, la masse d’échantillon à préparer est $\left(m_{sc}+\frac{1200}{f}\right)(1+\omega)$ grammes.

📖 9. Essai d’équivalent de sable à 10 %

★ À maîtriser

• L’essai consiste à introduire 120 g de sable sec dans une éprouvette contenant la solution lavante, agiter, laver le sable, puis mesurer les hauteurs du floculat et du sédiment.

📐 Formule - La propreté du sable est exprimée par $PS = 100\frac{h_2}{h_1}$; le résultat est calculé avec une décimale et la moyenne de deux essais est arrondie à l’entier le plus proche.

Compléments

• Après le remplissage de sable, l’éprouvette repose 10 minutes avant l’agitation.

• L’éprouvette subit 90 cycles d’agitation en 30 secondes.

• Après le lavage, l’éprouvette repose 20 minutes sans vibration avant la mesure de h1.

• La mesure de propreté est déterminée sur deux essais et le résultat retenu est leur moyenne arithmétique.

💡 Astuce mémo

Repos 10 min, agitation, lavage, puis lecture après 20 min.

📖 10. Résistance à la fragmentation Los Angeles

★ À maîtriser

• L’essai Los Angeles mesure la fragmentation d’un granulat en faisant rouler l’échantillon avec une charge abrasive dans un tambour, puis en évaluant le matériau retenu à 1,6 mm.

• La prise d’essai est placée avec les boulets dans le tambour propre, qui effectue 500 tours à 31–33 tr/min; le granulat est ensuite récupéré, lavé et tamisé à 1,6 mm, puis le refus est séché à (110 ± 5) °C jusqu’à masse constante.

📐 Formule - Le coefficient Los Angeles est calculé par $LA = 100\frac{M-m'}{M}$, où M est la masse de la prise d’essai et m' la masse du refus à 1,6 mm; le résultat est arrondi à l’unité la plus proche.

Compléments

• La charge abrasive comprend 11 boulets d’acier de 45 à 49 mm de diamètre et de 400 à 445 g chacun, pour une masse totale de 4 690 à 4 860 g.

• La prise d’essai Los Angeles pèse (5 000 ± 5) g et provient d’un échantillon de laboratoire d’au moins 15 kg de classe granulaire 10 à 14 mm.

📖 11. Résistance à l’usure Micro-Deval

🔑 Notions clés & Définitions

• Essai Micro-Deval : Mesure l’usure produite par les frottements réciproques des granulats dans un cylindre en rotation avec une charge abrasive.

★ À maîtriser

• Chaque éprouvette est placée dans un cylindre avec une charge abrasive de (5 000 ± 5) g et (2,5 ± 0,05) l d’eau; le cylindre tourne à (100 ± 5) min⁻¹ pendant 2 h ou 12 000 ± 10 tours, puis le matériau est tamisé à 1,6 mm et le refus est séché à (110 ± 5) °C jusqu’à masse constante.

📐 Formule - Le coefficient Micro-Deval en présence d’eau est calculé par $MDE = 100\frac{M-m'}{M}$, où M est la masse de l’éprouvette et m' la masse du refus à 1,6 mm.

• Les six éprouvettes cylindriques préparées pour caractériser la poutre en béton armé sont réparties entre trois essais de compression et trois essais de fendage.

Compléments

• Chaque prise d’essai Micro-Deval comprend deux éprouvettes de (500 ± 2) g, et l’échantillon de laboratoire pèse au moins 2 kg pour la classe granulaire 10 à 14 mm.

• Pour la granularité 10 à 14 mm, 60 à 70 % des granulats passent au tamis de 12,5 mm et 30 à 40 % passent au tamis de 11,2 mm.

• La caractérisation mécanique comprend aussi un essai de traction sur l’acier de la cage d’armature avant l’essai de flexion à quatre points de la poutre.

• Les éprouvettes destinées à l’essai de compression sont surfacées pour obtenir des surfaces d’appui aussi lisses que possible.

📖 12. Essai de fendage du béton

🔑 Notions clés & Définitions

• Essai de fendage : Un essai de traction indirect qui détermine expérimentalement la résistance à la traction du béton en comprimant radialement une éprouvette cylindrique.

★ À maîtriser

📌 L’essai de fendage estime la résistance en traction si l’effet Poisson provoque la rupture avant que les contraintes de compression ne le fassent; la résistance en traction doit alors être plus de trois fois inférieure à la résistance en compression.

Compléments

• Pour les bétons ordinaires, la résistance en compression est généralement environ dix fois supérieure à la résistance en traction.

• Environ 80 % de la section de l’éprouvette est soumise à des contraintes de traction pendant l’essai de fendage.

• Lors de l’essai de fendage, la fissure s’initie au centre de l’éprouvette dans le plan d’application des efforts, puis produit un faciès de rupture plan, sauf aux zones de compression localisées près des interfaces avec la presse.

• Pour réaliser l’essai de fendage, l’éprouvette est centrée dans un support en V, des baguettes en bois léger sont placées au fond du V et au-dessus de l’éprouvette, puis la presse applique une compression radiale.

💡 Astuce mémo

Compression radiale → traction horizontale → fissure centrale

📖 13. Hydratation et auto-cicatrisation du béton

★ À maîtriser

• Les transferts hydriques dans le béton hydratent progressivement le ciment resté anhydre, et l’eau qui pénètre par une fissure peut ainsi contribuer à l’auto-cicatrisation du matériau.

Compléments

• À environ 28 jours, l’intérieur d’une éprouvette de béton peut encore être humide au-delà de 1 cm d’épaisseur, et le béton n’a donc terminé ni son hydratation ni son séchage.

• L’équilibre hydrique d’une éprouvette de ce type dans un milieu à 35 % d’humidité relative nécessite environ vingt-cinq années.

• Lors de la prise d’un béton ordinaire, environ 15 % du ciment utilisé reste non hydraté, et cette proportion augmente dans les bétons hautes performances.

💡 Astuce mémo

Eau dans une fissure → hydratation du ciment anhydre → auto-cicatrisation

📖 14. Essai de compression du béton

🔑 Notions clés & Définitions

• Effet de frettage : La diminution de l’effet de Poisson due aux frottements entre les plateaux de la presse et l’éprouvette; les zones de contact se retrouvent alors en tri-compression.

★ À maîtriser

• L’essai de compression consiste à appliquer une contrainte de compression à une éprouvette cylindrique placée verticalement.

• Le surfaçage des éprouvettes limite les concentrations de contraintes et l’effet de frettage, ce qui améliore la reproductibilité et la fiabilité de l’essai de compression.

Compléments

• La cage extensométrique mesure la déformation moyenne sur la hauteur de mesure grâce à trois capteurs de déplacement qui enregistrent le déplacement relatif entre les plans passant par les pointeaux.

• Pour préparer la mesure en compression, l’éprouvette est installée dans la cage avec les entretoises en place, l’ensemble est centré sur le plateau de la presse, les capteurs sont câblés, puis les entretoises sont retirées avant le début de l’essai.

📖 15. Essai d’affaissement au cône d’Abrams

🔑 Notions clés & Définitions

• Essai au cône d’Abrams : Mesure l’affaissement du béton frais afin de contrôler sa plasticité, de déterminer le temps de vibration nécessaire et d’identifier sa classe de maniabilité.

★ À maîtriser

• Pour réaliser l’essai au cône d’Abrams, le cône est posé sur la plaque, rempli en trois couches piquées chacune 25 fois, arasé, puis levé doucement à la verticale avec une légère rotation avant la mesure de l’affaissement.

📌 Un simple abaissement conservant globalement la forme du béton est acceptable, tandis qu’un affaissement complet avec élargissement de la base ou un affaissement par cisaillement de la partie supérieure ne permet pas de valider la mesure et impose de recommencer l’essai avec un nouveau prélèvement.

Compléments

• Le cône d’Abrams est un tronc de cône en acier galvanisé de 10 et 20 cm de diamètres intérieurs et de 30 cm de hauteur; l’essai utilise aussi une plaque en acier dure et non absorbante et une tige d’acier de 16 mm de diamètre à extrémité arrondie.

• Le cône d’Abrams contrôle une propriété du béton frais qui caractérise son aptitude à remplir les coffrages et à enrober convenablement les armatures.

💡 Astuce mémo

Trois couches, 25 coups chacune, puis levée verticale du cône