Mécanique
Un article de TerraWiCotta.
Les propriétés mécaniques de la terre cuite sont maintenant discutées, ainsi que l’influence sur ces propriétés des principaux paramètres de fabrication, la composition, la structure, la porosité et la température de cuisson.
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[modifier] Modules élastiques
Les modules élastiques caractérisent les déformations élastiques de la terre cuite sous effort. Si on considère la terre cuite comme isotrope, deux paramètres suffisent à déterminer le comportement élastique : – le module élastique en traction / compression E (ou module de Young) ; – le module de Poisson , qui caractérise les déformations élastiques dans la direction perpendiculaire à la charge.
Le module de rigidité G qui intervient en cisaillement est alors lié aux précédents par la relation. Équation 21 G = E/2(1+)
[modifier] Module de Young
Le module élastique de céramiques isotropes de faibles porosités varie avec la porosité selon une équation du type : Équation 22 E = E0(1-b) avec : – , porosité ; – E0, module spécifique sans porosité ; – b, coefficient, souvent d’une valeur de 2 à 3. Ces auteurs donnent aussi pour les porosités non isotropes la relation suivante: Équation 23 E = E0(1-0,66)S avec : – S, facteur lié à la forme et à l’orientation des pores et qui est égal à 1,2 pour des porosités sphériques. En principe, il y a peu de différences entre les modules en compression et en traction. Les modules élastiques restent stables avec la température jusque vers 600 °C.
[modifier] Module de Poisson
Il y a peu de mesures du module de Poisson pour la terre cuite. Le module de Poisson ne peut pas être supérieur à 0,5. Il est souvent de l’ordre de 0.3. Des mesures sur des briques a donné des valeurs variables comprises entre 0.19, et 0.29, ce qui est conforme aux valeurs rencontrées pour les céramiques. Le module de Poisson varie de façon limitée avec la porosité. Pour une alumine, il passe de 0.23 à 0.19 quand la porosité passe de 0 à 25 %. Les modules sont mesurés en statique dans une machine de traction qui mesure la charge avec des jauges de contrainte ou des extensomètres fixés sur l’éprouvette qui donnent les élongations. Les modules peuvent aussi être mesurés par ultrasons. On mesure le temps de passage d’un pulse ultrasons et, connaissant l’épaisseur, on détermine la vitesse du son ; la vitesse de transmission du son est fonction du module.
[modifier] Modules non isotropes
En fait, le matériau n’est pas isotrope et son comportement fait alors intervenir 9 modules élastiques non isotropes : 3 modules de Young, 3 modules de Poisson et 3 modules de cisaillement selon les trois directions. Les calculs mécaniques statiques du bâtiment ne demandent pas heureusement une telle complexité. Par contre la modélisation des propriétés acoustiques peut demander de prendre en compte le niveau de détail intermédiaire du matériau orthotrope.
[modifier] Vitesse du son
Dans un matériau isotrope, la vitesse du son est liée globalement au module élastique E par une formule de type : Équation 24 E = V2, avec : – densité ; -– V, vitesse du son. La mesure de la vitesse du son est facile à réaliser par ultrasons selon différentes orientations (1 et 2 dans le plan du fibrage, 3 perpendiculairement au fibrage)
On observe une anisotropie entre les orientations: les deux vitesses correspondant aux déplacements dans le plan parallèle au fibrage sont souvent plus importantes que la vitesse perpendiculaire. La vitesse du son est liée à la porosité, comme le module.
[modifier] Anélasticité et frottement intérieur
Même à faible déformation, le comportement des matériaux n’est jamais totalement élastique. A chaque cycle de vibration, une petite partie de l’énergie est perdue en frottement intérieur. C’est l’anélasticité. Cette anélasticité est la propriété qui limite les vibrations, une fois que la cause initiale est arrêtée. Pour la terre cuite et les mortiers, cette propriété intervient dans deux cas importants :
- la transmission du son à travers une maçonnerie ; il existe des fréquences de résonance des structures dont les amortissements sont contrôlés par les pertes anélastiques ;
- dans un séisme, l’amortissement du mouvement du bâtiment est lié à l’anélasticité du bâtiment et à celle du matériau lui-même.
Cette anélasticité est caractérisée par un facteur de perte. Ce facteur de perte peut dépendre de la fréquence ou non.
[modifier] Résistance à la compression
Quand on met en compression une pièce céramique, qui a un comportement « fragile », elle se déforme d’abord élastiquement et la contrainte de compression augmente. Puis, à un endroit de la pièce, le critère de rupture est atteint (qui peut être la déformation maximale ou un autre critère plus complexe lié à la résilience), et le matériau casse de façon fragile. Pour une céramique fragile, cette condition limite est toujours atteinte au niveau d’un défaut de la structure. Comme il y a toute une distribution de défauts de différentes tailles dans la pièce, celle-ci cassera au plus gros défaut avec la plus grande contrainte. Ces défauts sont souvent de la taille des grains, de la porosité ou des inclusions. Il y a donc une distribution statistique des résultats des essais mécaniques effectués qui suit souvent une loi de Weibull. La résistance à la compression varie selon le tesson, la géométrie, la porosité et l’orientation. On a inclus les valeurs des classes de l'ancienne norme française NF P 12-021-2. Ces valeurs ne sont pas directement comparables puisque mesurées sur des briques avec leurs alvéoles. Mais on peut corriger par le taux de vide des alvéoles. Si la résistance à la compression d’une brique à 50 % d’alvéole est 8 MPa, la résistance à la compression du tesson poreux est de l’ordre de 16 MPa.
La résistance à la compression varie avec la porosité ou la densité, la nature du tesson et la température. Pour décrire la variation de la résistance à la compression en fonction de la densité, on a souvent une relation du type : Équation 25 = 0 (/ 0)x avec :
- 0 et 0 résistance à la compression et densité associée ;
- x de l’ordre de 3.
Les résistances des briques varient entre 10 et 50 MPa. Les résistances à la compression du tesson lui-même sont donc environ 1,67 fois plus élevées, aux effets d’échelle près, soit de 17 à 83 MPa. A porosité égale, la résistance à la compression augmente avec le contenu en chaux. Les élongations maximales à la rupture sont très faibles, de l’ordre de 0,5 %.
[modifier] Résistances à la traction et à la flexion
La résistance à la traction des terres cuites est beaucoup plus faible que la résistance à la compression comme pour toutes les céramiques et matériaux fragiles. Les tests de traction sont difficiles à pratiquer sur les matériaux fragiles car ils nécessitent une très grande qualité d’alignement des mors de la machine de traction et ces derniers produisent des sur contraintes aux fixations. Aussi on réalise plutôt des tests de flexion, plus faciles à faire. La partie extrados de l’éprouvette est en tension alors que l’intrados est en compression. On mesure la charge à la rupture et souvent la flèche. Des équations simples permettent d’évaluer les conditions à la surface de l’extrados. Si la flexion est réalisée en trois points, l’effort maximal est sous l’appui central ; c’est le lieu de rupture. Si la flexion est en quatre points, l’effort appliqué entre les deux points d’appui centraux est uniforme. Souvent la rupture reste cependant sous un des points d’appui qui souffrent de sur contraintes locales de contact. Quand l’éprouvette casse dans la zone centrale, le nombre de défauts potentiels est beaucoup plus grand, d’où parfois des valeurs plus faibles qu’en flexion trois points. La résistance à la flexion varie selon le tesson et la porosité. Des valeurs sont données au tableau 57.
La variation de la résistance avec la porosité a souvent la forme : Équation 26 = exp(-b) avec : – 0 résistance à porosité nulle ; – porosité ; – b constant de l’ordre de 4.
Une étude japonaise récente35 montre de façon détaillée l’influence de la porosité, de la température de cuisson et aussi de la taille du grain initial sur la résistance à la flexion. Les résultats sont donnés sur les figures 59 et 60 : Bien sûr, la résistance à la flexion augmente avec la température de cuisson et les faibles porosités. Beaucoup plus intéressante est l’influence de la taille initiale du grain. En diminuant la taille maximale du grain du mélange initial de 0,84 à 0,10 mm, la résistance à la flexion est presque doublée. L’utilisation d’une préparation sèche, au lieu de semi humide, qui produit un grain initial plus fin, permet donc d’obtenir des résistances mécaniques beaucoup plus élevées. La résistance à la traction varie avec la température et baisse de 30 % de 20 à 500 °C. La dispersion augmente avec la porosité.
[modifier] Mécanique de la rupture, modes de rupture et dureté
[modifier] Résilience
La terre cuite est un matériau fragile. Elle se casse quand le facteur d’intensité des contraintes à la pointe des fissures des défauts dépasse la valeur de la résilience. Cette résilience s’exprime en MPa.m0,5 Cette propriété peut être évaluée en cassant des éprouvettes de traction entaillées de la mécanique de la rupture. Elle peut être aussi déterminée par des mesures de dureté. La mesure de dureté produit un réseau de fissures dans le matériau sous l’indentation. De la mesure des longueurs de fissures, on peut donc déterminer la résilience. On connaît peu de telles mesures sur la terre cuite. On indique pour une brique porosée avec une densité de 1 500 kg/m3 des résiliences de 0,3 à 0,5 MPa m0,5. Une autre terre cuite a donné 0,8 MPa m0,5. A titre de référence , l’alumine dense a une résilience de l’ordre de 3 à 5 MPa.m0,5, la cordiérite de l’ordre de 2 MPa.m0,5 37 et le verre sodique de 0,7 MPa.m0,5.
[modifier] Dureté
La dureté Vickers de la terre cuite dépend de la porosité, avec des duretés de l’ordre de 3 GPa à 5 % de porosité, tombant à 0,5 GPa à 35 % de porosité.
[modifier] Adhérence au mortier
Les propriétés d’adhérence du mortier à la terre cuite sont des propriétés technologiques très importantes : – les propriétés mécaniques de la maçonnerie dépendent de l’adhérence brique/ mortier ; – un enduit doit tenir sur le mur de brique et son adhérence lui permet de résister aux efforts engendrés par les différences de température du mur ; – certaines tuiles (faîtières et arêtiers) sont montées avec des montages humides au mortier. L'adhérence est une propriété complexe : – elle dépend à la fois de la brique, de la nature du mortier et de son humidité et du mode de pose ; – elle peut être différente en traction, en cisaillement et en compression ; – l'adhérence initiale doit être conservée dans le temps malgré l'humidité, les contraintes thermiques, les mises en charge… De façon générale, l'adhérence des mortiers et plâtres ne pose pas de problèmes sur la terre cuite quand on n'a pas appliqué un traitement imperméabilisant (siliconage) et qu'on maîtrise les transferts d'humidité entre le mortier et la brique évoqués précédemment. Selon la EN 1052-3 « Détermination de la résistance initiale au cisaillement », la mesure de l'adhérence en cisaillement entre brique et mortier se fait par cisaillement de trois briques maçonnées. Les deux briques extérieures sont retenues alors qu'on appuie sur la brique centrale. La mesure de l'adhérence d'un enduit se fait préférentiellement par arrachage en traction. On colle un plot sur l'enduit et on l'arrache en tirant perpendiculairement à la surface du mur. Ces tests d'adhérence qui paraissent simples sont en fait délicats à bien réaliser, car ils ne permettent pas d'appliquer des contraintes de cisaillement ou de traction, pures et uniformes sur les éprouvettes. La norme brique EN NF 771-1 demande la déclaration par le producteur d'une résistance d'adhésion en cisaillement brique/ mortier. Celle ci peut être mesurée comme indiqué précédemment. Mais il faudrait la mesurer pour les différents mortiers. Plus simplement et économiquement, la norme autorise à prendre la valeur dans une table (EN 998-2, annexe C).
[modifier] Glissance et coefficient de frottement
Pour certains produits sur lesquels on marche (tuiles, pavés, carreaux), la glissance est une propriété importante pour la sécurité de l’utilisateur. Le couvreur ne doit pas glisser sur les tuiles du toit, la glissance étant très liée à la pente et à l’humidité. Cependant c’est un professionnel ; il doit s’assurer sur les pentes trop fortes. Généralement les tuiles non émaillées sont assez rugueuses et ne s’usent pas ni ne se polissent par le passage. Il n’y a donc pas d’exigence normative concernant la glissance des tuiles. La situation est très différente pour les pavés et les carreaux de sol qui sont faits spécialement pour que le public marche dessus. La glissance et le coefficient de frottement peuvent être mesurés pour différents états de surface de la terre cuite : – neuf ; – usé et poli ; – propre ; – humide, et/ou pollué (gras). Pour les pavés, un certain niveau de résistance à la glissance est exigé. Il n’existe pas actuellement de test uniforme pour tous les produits de sols. Au contraire, une multitude de tests sont disponibles suivant les matériaux, selon qu’ils s’appliquent en laboratoire ou in situ, qu’ils font intervenir la sensation d’un homme dans l’évaluation ou non, qu’ils sont réalisés sur des surfaces neuves, propres, usées, humides, grasses, polies, en statique ou en dynamique, avec un mouvement de glissement ou dans un mouvement simulant la marche, qu’ils sont sur une surface horizontale ou en pente, etc. En absence de ce test commun, s’il peut jamais exister un jour, la glissance des pavés de terre cuite (et aussi des pavés béton ou pierre naturelle) est mesurée avec un mouton pendule de frottement . L’équipement (Figure 61) comporte un patin de caoutchouc normalisé au bout du pendule qui oscille autour d’un axe horizontal. On laisse tomber le pendule d’une certaine hauteur et on mesure sa remontée après frottement sur le sol. Le freinage du pendule en contact avec la terre cuite est lié au coefficient de frottement. Un faible frottement donne une faible perte ; un fort frottement donne une forte perte. Le test est fait sur un pavé mouillé. Quand ils sont calculés, les coefficients de frottement obtenus sont dans les gammes 0,30 - 0,60. Pour une raison peu claire, le résultat du test n’est pas exprimé en coefficient de frottement.
De façon habituelle, la porosité de la terre cuite facilite son séchage et réduit la durée pendant laquelle elle est mouillée et moins adhérente. Par ailleurs, la terre cuite est assez rugueuse, et il existe généralement peu de problème de glissance dans l’emploi de pavés en terre cuite.
14.1.9 Résistance à l’abrasion
Les pavés et les carreaux doivent présenter une résistance à l’abrasion pour résister aux passages.
Le test (Figure 62) consiste à mesurer le volume de l’empreinte faite par un disque vertical rotatif en acier (diamètre 200 mm) appliqué contre le pavé vertical, après 150 tours à 75 tr/min, alors que l’on verse un abrasif en corindon (grain F80) à raison de 100 g par 100 tours. Il s’agit d’un test d’abrasion à trois corps qui correspond à l’usure provoquée par des poussières dures déposées sur le pavé, sur lesquelles on marche et qui roulent. Le test est comparatif par rapport à la silice vitreuse transparente qui, pour la pression et les conditions retenues, doit donner un volume d’empreinte de 116 mm3
Les classes de résistance à l’usure des pavés de terre cuite vont de 450 à 2 100 mm3 dans les mêmes conditions de test.
