Armatures en PRF pour le renforcement interne de structures

Procédé de pultrusion

Les armatures en PRF sont pour la plupart fabriquées par pultrusion. Il s’agit d’un procédé de fabrication en continu, dont le principe est décrit sur la Figure 1.7, et qui permet d’obtenir des profilés au kilomètre. Les mèches de fibres sont tirées en continu et passent à travers des modules exécutant différentes opérations. Elles sont tout d’abord imprégnées dans un bain de résine thermo-régulé, puis guidées à travers une filière de section donnée, qui confère sa forme au profilé (section circulaire dans le cas des barres de renforcement utilisées en construction). Le profilé passe ensuite à travers un four où il subit un cycle de cuisson optimisé pour achever la polymérisation de la matrice, puis est finalement coupé à la longueur désirée en sortie de chaîne.

Une dernière étape consiste à effectuer un traitement de surface sur le jonc, afin d’optimiser ses propriétés d’adhérence. Selon le fabricant, ce traitement peut consister à appliquer un revêtement contenant des particules de sable, ou à créer un relief de surface par usinage ou par ajout de matière. La configuration géométrique de ces reliefs peut être très variée (circulaires, spirales, …). Selon le choix retenu, chaque armature possèdera donc des propriétés d’adhérence spécifiques en milieu béton.

De manière générale, les armatures PRF fabriquées par pultrusion présentent une orientation unidirectionnelle des fibres, ainsi qu’un taux de renfort élevé (de 45 à 70 % en volume, ou 60 à 80 % en masse). Le procédé conduit également à un taux de compaction élevée de la matière, ce qui limite la teneur en défaut (vides, délamination). Ces éléments permettent d’atteindre des performances mécaniques et des niveaux de qualité élevés.

Figure 1.7 : Schéma de principe du procédé de pultrusion [ISIS 07] Fabrication de barres tressées

Un procédé alternatif à la pultrusion, développé et breveté par la société japonaise Fibex ®, permet de réaliser des barres à partir de mèches de fibres tressées. Actuellement, seules des barres à fibres d’aramides sont fabriquées par ce procédé et commercialisées sur le marché (elles font partie des barres étudiées dans le cadre de cette thèse). Il s’agit également d’un procédé continu, mais dans lequel la ligne de production est alimentée par des mèches tressées et non par des rovings classiques. Les étapes d’imprégnation, polymérisation, sciage, et traitement de surface éventuel restent comparables à celles de la pultrusion (Figure 1.8).

(a) (b) (c)

(d) (e) (f)

Figure 1.8 : Ligne de fabrication de barres à fibres aramides tressées (Société Fibex ®, Japon) – (a) alimentation de la ligne avec les mèche tressées, (b) imprégnation des mèches, (c) étirage des

profilés, (d) passage dans le four, (e) sciage des barres, (f) opération de sablage optionnelle 1.2.3.2. Exemples d’armatures disponibles sur le marché

Plusieurs fournisseurs d’armatures en PRF destinées au secteur de la construction sont aujourd’hui présents sur le marché. Quelques exemples de produits commerciaux sont indexés dans le Tableau 1.3 et illustrés sur la Figure 1.9.

Tableau 1.3 : Exemples d’armatures en PRF commercialisées Type de fibre Référence commerciale Fournisseur

Verre-E V-Rod ® Pultrall ®, Canada

Aslan 100 ® Aslan ®, USA ComBar ® Schöck ®, Allemagne

Basalte RockBar ® MagmaTech ®, Royaume Uni

Technobasalt ® Technobasalt ®, Ukraine Carbone Carbopree ® Sireg ®, Italie

Aslan 200 ® Aslan ®, USA V-Rod Carbon ® Pultrall ®, Canada

Aramide Arapree ® Sireg ®, Italie

Figure 1.9 : Exemples de barres en PRF disponibles sur le marché 1.2.3.3. Propriétés comparées des différents types d’armatures en PRF

Les résistances en traction et les modules d’élasticité des principales armatures en PRF du marché sont résumés dans le Tableau 1.4[ACI 06, FIBR 08, TECH 10, ASLA 11, ROCK 12, SIR 12, VROD 13, COMB 13]. Les comportements typiques en traction des armatures en PRF et en acier sont illustrés sur la Figure 1.11 (la nuance d’acier considérée ici correspond à celle généralement utilisée pour les armatures passives de structures en béton armé). Le comportement

en traction des PRF demeure élastique jusqu’à la rupture, à la différence de l’acier dont le comportement est bien plus ductile. Les PRF considérés étant des composites unidirectionnels, leur module d’Young en traction longitudinale dépend essentiellement du taux volumique et de la rigidité des fibres. Une approximation du module peut être estimée par l’équation connue sous le nom de règle des mélanges [ISIS 06a] :

^(1.1)

Avec le module d’élasticité du matériau PRF, et les modules respectifs des matériaux constituant les fibres ainsi que la matrice, et la fraction volumique de fibres. Une équation est également proposée pour estimer la résistance en traction théorique des PRF (pour le cas de fractions volumiques de fibres supérieures à 0,1) [ISIS 06a] :

(1.2)

Avec la résistance en traction du matériau PRF, la résistance en traction du matériau constituant les fibres, et la valeur de contrainte subie par la matrice lorsque celle-ci subie une déformation de valeur (voir Figure 1.10).

Figure 1.10 : Déformations à la rupture des matériaux constitutifs des PRF (a) quand _m,ult < _f,ult

et (b) quand _m,ult > _f,ult

Globalement, les armatures composites présentent une résistance en traction supérieure à celle des armatures en acier, mais un module d’élasticité nettement plus faible. Seules quelques armatures renforcées en fibres de carbone atteignent des performances comparables à l’acier en termes de rigidité. Lors du dimensionnement des éléments structuraux en béton renforcés par des armatures en PRF, une attention particulière devra donc être portée sur les conséquences de cette faible rigidité, cette dernière pouvant entraîner d’importantes déformations sous sollicitation (notamment les flèches).

Tableau 1.4 : Caractéristiques mécaniques typiques d’armatures en PRF et en acier [ACI 06, FIBR 08, TECH 10, ASLA 11, ROCK 12, SIR 12, VROD 13, COMB 13]. Pour les PRF, les intervalles indiqués correspondent à des valeurs typiques pour des fractions volumiques de fibres

de 0,5 à 0,7 Résistance

(MPa) ^{Module d’élasticité} (GPa)

PRF verre 700 - 1300 40 - 60

PRF basalte 1000 - 1100 45 - 70 PRF aramide 1100 - 2600 41 - 125 PRF carbone 1600 - 3000 120 - 200

Acier 400 - 700 200

Figure 1.11 : Courbes typiques contrainte-déformation sous sollicitation de traction pour différentes armatures en PRF et en acier [ACI 06, FIBR 08, TECH 10, ASLA 11, ROCK 12,

SIR 12, VROD 13, COMB 13]