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Étude rhéologique des matériaux de construction

Le secteur du bâtiment gère une grande diversité de projets publics et industriels, dans lesquels différents types de matériaux naturels et synthétiques sont utilisés. Ces matériaux sont majoritairement des composites, tels que briques, ciment et béton, et des matériaux modifiés, tels que tissus, mousses, verre, métaux, plastiques, céramique. Tous ces matériaux contribuent à la stabilité à long terme, à la fonctionnalité, aux propriétés isolantes, au contrôle de l’humidité et à la résistance au feu d'un bâtiment.

Comportement rhéologique des matériaux de construction

Des mesures rhéologiques peuvent être réalisées sur ces matériaux afin d’en contrôler la qualité, d'en améliorer le comportement de traitement et d’optimiser le comportement à long terme des produits finis.

Matériaux de construction habituellement mesurés

Barbotines

Les matériaux céramiques existent dans une multitude de textures destinées à un large éventail d'applications. Les barbotines sont constituées de plusieurs composants. L’un de ces composants est l’argile, comme le kaolin, qui est un silicate de potassium de kaolinite minérale. Le kaolin est également appelé « argile de Chine » pour des raisons historiques et a acquis une notoriété mondiale puisqu’on le trouve aujourd’hui sous forme de tasses à café. Il est créé par la décomposition et la transformation de roches silicatées. Le kaolin pur est blanc neige. Lorsqu'il est mélangé à du quartz ou du feldspath, il devient gris-jaune (kaolin brut, sable de kaolin). Le kaolin produit par l’érosion du granit et du feldspath est présent en de nombreux endroits autour du monde.

Dans le secteur du bâtiment, les matériaux céramiques sont couramment employés pour le carrelage (sols, plans de travail, cheminées), les briques, l’isolation et les appareils sanitaires. Quelle que soit sa forme finale, au début de la chaîne de traitement la céramique est traitée et transportée sous forme de pâte appelée barbotine.

Tests rhéologiques sur les barbotines

Les caractéristiques de traitement et de transport des boues dépendent largement de leurs propriétés rhéologiques. Connaître les paramètres rhéologiques (seuil d’écoulement et viscosité par exemple) est donc indispensable, notamment quand il s'agit de transporter une grande quantité de barbotine. Un rhéomètre à rotation permet de mesurer les courbes d'écoulement et de viscosité et de calculer le seuil d’écoulement. En rhéologie, la limite de force qui doit être franchie pour venir à bout du réseau de forces de la structure interne est indiquée par le seuil d’écoulement, par exemple pour le pompage de la barbotine. Mesurer le seuil d’écoulement et la viscosité fournit des renseignements utiles pour mieux comprendre le comportement d'écoulement des barbotines dans les conduites. Cela permet aussi de résoudre les problèmes liés aux barbotines difficiles à pomper. Les propriétés rhéologiques des barbotines peuvent être influencées en modifiant la composition de la barbotine, par exemple la concentration volumique (quantité d’eau), les additifs (solides, polymères, liquides), la taille des particules et par les conditions de traitement telles que la température de pompage ou la vitesse d'écoulement.

Ce test nécessite un rhéomètre.

Planchers composites

Avant de terminer la pose d’un plancher (parquet, stratifié, carrelage, revêtement en vinyle, etc.), une chape ou un plancher composite doit être posé(e) comme base. Il sert de matériau de remplissage et déblayage entre le ciment et le plancher et contribue à répartir la charge. Sous la chape, du matériel de chauffage ou un matériau d’isolation phonique ou thermique peut aussi être installé.

Un plancher composite est un type de plancher spécial qui se pose directement sur le ciment et qui est donc complètement lié à celui-ci. Cette composition est préparée pour supporter toutes sortes de forces de déformation, contrainte thermique et charge de trafic, mais ne dispose pas d'isolation phonique ni thermique. Par conséquent, on retrouve souvent ce genre de planchers dans les caves et débarras ainsi que pour les allées, soumises à des charges dynamiques lourdes.

Tests rhéologiques sur les planchers composites

Afin d'éviter une détérioration à cause de charges élevées, les propriétés de déformation du plancher composite doivent être étudiées et modifiées en conséquence. Le comportement de prise, après une application comme matériau coulant, est aussi très important pour la manipulation du plancher. Avec un rhéomètre, par exemple, il est possible de mesurer le comportement d'écoulement d'un matériau sur une certaine durée afin de déterminer le temps de prise du mélange. Le type et la quantité du retardateur de prise utilisé affecte le temps de prise. En mesurant des échantillons de planchers composites coulants comportant différentes proportions de retardateur, il est possible d’identifier le ratio de composants adapté afin d'en optimiser le comportement en fonction du temps.

Ce test nécessite un rhéomètre pourvu d'un système de mesure à bille.

Verre

Ce matériau transparent à l’état solide est employé pour le conditionnement (bocaux, bouteilles, flacons), dans le secteur du bâtiment (fenêtres, façades, isolation), dans l’ameublement (miroirs, tables, étagères) ainsi que dans l’industrie automobile (pare-brises, rétroéclairage), pour ne citer que quelques domaines d'application. Si le verre se comporte comme un solide à température ambiante, il ne peut être mis en forme que fondu. À l'état liquide, il peut être versé, soufflé, pressé et moulé dans une variété de formes.

Les propriétés du verre dépendent en grande partie de sa composition. Généralement, le verre de base se compose dioxyde de silicone, mais ses propriétés peuvent être modifiées en ajoutant d'autres composants, comme des métaux. La laine de verre, par exemple, est un type de verre spécial utilisé comme isolant en raison de sa faible conductivité thermique (entre autres qualités). Si le verre possède souvent une température de fusion autour de 500 °C, certains verres spéciaux peuvent avoir un point de fusion autour voire au-dessus de 1000 °C. Au-delà de ce point de fusion, le verre peut être transformé comme fondu.

Tests rhéologiques sur le verre

Les mesures rhéologiques sur le verre fondu et notamment la caractérisation de son comportement en fonction de la température peuvent permettre d'optimiser son procédé de fabrication relativement consommateur d'énergie. À côté de cela, des tests de torsion avec des barres pour verre solide à température ambiante peuvent être réalisés également.

Par ailleurs, les nouveaux matériaux en verre développés doivent être testés dans des expériences de laboratoire à petite échelle avant d’en lancer la fabrication en série. Que la composition chimique du verre soit modifiée ou une nouvelle technique de traitement employée, les propriétés physiques du verre seront affectées. Connaître les valeurs de viscosité ainsi que le point de ramollissement et le point de fusion est fondamental dans ce cas. De telles mesures sont effectuées dans les usines de fabrication, mais également au sein d’universités et autres instituts de recherche, car l’application et la modification des verres spéciaux sont encore dans le champ de la recherche basique. Pour les verres spéciaux à l’état fondu, le comportement en fonction de la température revêt beaucoup d'intérêt, mais le comportement en fonction du cisaillement aussi.

Les mesures sur le verre fondu sont chronophages parce qu’il faut un certain temps pour que l’échantillon atteigne la température voulue. Avec un système de rhéomètre haut débit ou haute température, il est possible d’effectuer des tests de rotation et des tests oscillatoires automatisés à l'aide d’un programme logiciel de préréglage et contrôle, par exemple avec une température de mesure prédéfinie dans une plage de température jusqu’à 1600 °C.

Ce test nécessite un système de rhéomètre haut débit associé à une tête de rhéomètre.

Plâtre

Le plâtre est un matériau fréquemment utilisé dans le bâtiment. Il s'agit d'une poudre sèche semblable au ciment et au mortier qui, après avoir été mélangée à de l’eau, durcit en conditions sèches. Mais contrairement au ciment et au mortier, le plâtre reste relativement tendre après avoir pris et peut être facilement mis en forme à l’aide d'outils en acier et même de papier de verre. Ces caractéristiques font du plâtre un matériau de finition plutôt qu’un matériau porteur. Ses applications comprennent notamment le lissage de surfaces intérieures ou extérieures telles que des murs ou des plafonds ainsi que les crépis.

Il existe divers types de crépis, dont les crépis à la chaux, les crépis de ciment ou encore les crépis à base de résine. Ces derniers diffèrent des enduits minéraux par la présence de liants organiques.

Tests rhéologiques sur le plâtre

Avoir des informations sur le comportement rhéologique du plâtre est essentiel pour sa fabrication (propriétés de transformation), son développement (influence des additifs sur les propriétés) ainsi que pour le contrôle de la qualité. Ce comportement peut être décrit par des caractéristiques de viscosité et d'écoulement telles que la restructuration après le cisaillement.

La viscosité du plâtre peut, par exemple, être déterminée à l’aide d'un rhéomètre à rotation associé à un système de mesure à bille conçu pour réaliser des tests sur des dispersions semi-solides contenant des particules faisant jusqu’à 5 mm de diamètre. Lors de la mesure, une bille se déplace à travers l’échantillon en suivant une trajectoire circulaire. Pendant la première rotation et seulement pendant celle-ci, la bille entre dans le matériau non cisaillé, qui n’est pas encore débarrassé des particules. Pour y parvenir, il est donc nécessaire d'employer un rhéomètre capable de contrôler la courbe d'écoulement sur plusieurs décennies de la vitesse de rotation au cours d’une seule rotation. Connaître le comportement d’écoulement et de viscosité du plâtre dans différentes conditions telles que la vitesse et la température d'écoulement permet de tirer des enseignements quant à la faisabilité.

Ce test nécessite un rhéomètre pourvu d'un système de mesure à bille.