CHAPITRE 3: Matériels et Methodes expérimentales
3.2 Méthodes expérimentales :
3.2.5 Caractérisation des composites
3.2.5.1 Caractérisation physique du composite bois/Polymères Détermination de la masse volumique
Définition et but
C’est le rapport de la masse de l’éprouvette sur son volume. L’essai consiste à déterminer le poids par unité de volume des éprouvettes.
Principe
L’essai consiste à déterminer la masse des différentes éprouvettes confectionnées pour déterminer la masse volumique puisque le volume des éprouvettes est connu.
Matériel Balance électronique
Méthodologie
Démouler les éprouvettes une heure après leur confection ; Peser à l’aide d’une balance les éprouvettes. Soit P leur poids ; Connaissant le volume V des éprouvettes,
La masse volumique peut être obtenue par la formule suivante : P
= V
3.2.5.2 Stabilité dimensionnelle
3.2.5.2.1 Stabilité dimensionnelle (Norme ASTMD1037) (absorption, gonflement dans les trois dimensions)
Le but est de déterminer la teneur en humidité, le gonflement dans les trois directions, le gonflement volumique et l’absorption d’eau du composite.
Principe
Selon cette norme, le test consiste à submerger les échantillons dans de l’eau à 20°C ±1°C. À la fin du test, on attend 10 minutes pour le séchage de ces derniers.
Puis, on les pèse et on mesure leurs longueurs, leurs largeurs et leurs hauteurs.
Matériels Bac d’eau ;
balance électronique ; pied à coulisse ; étuve.
Méthodologie
Mettre les éprouvettes dans l’eau ; nous mesurerons les propriétés suite à un temps d’immersion de 24h ;
laisser sécher pendant 10 minutes et peser ;
mesurer la largeur (l) et l’épaisseur (e) à cinq différents points (notés de 1 à 5) et la longueur (L) à deux différents points en respectant un même espacement entre les points (Figure 3-15)
Figure 3-15 : Mesure du gonflement
les trois directions, le gonflement volumique, l’absorption d’eau et la densité.
Teneur en eau
La teneur en eau d’un composite bois-plastique est la quantité d’eau dans celui-ci. Elle est généralement exprimée selon la formule suivante :
eau 1 o
o o
M M - M
H% = ×100 = ×100
M M
H% : Teneur en humidité
M0 : Masse de l’éprouvette anhydre
M1 : Masse de l’éprouvette due à la teneur en humidité.
Gonflement
Le gonflement dû à l’humidité est obtenu par la relation suivante : Gonflement(%)= 100
Dimension à l' état initial Augmentation de la dimension
Le gonflement de nos composites sera calculé en longueur, en largeur et en épaisseur, ainsi que le gonflement volumique.
L’absorption d’eau
L’absorption d’eau à une teneur en humidité est donnée par la formule suivante :
eau 100 h i
i i
M M M
A% = M M
A : Absorption MeauMasse de l’eau
Mi : Masse du composite à l’état initial
Mh : Masse du composite du à la teneur en humidité
3.2.5.3 Caractérisation mécaniques des composites monocouches : Essai de flexion trois points (norme ASTMD1037-89)
L’essai de flexion trois points, selon la norme ASTM D1037-89, sert à déterminer le module d’élasticité (MOE) et la contrainte à la rupture (MOR) en flexion statique d’un panneau composite à base de bois. Les échantillons sont conditionnés et leurs dimensions sont les suivantes : Longueur : 314 mm, épaisseur : 11 mm, largeur : 76 mm
Matériel
Presse hydraulique ;
dispositif d’essai de flexion ; comparateur de déplacement.
Mode opératoire
Confection des éprouvettes à partir des moules parallélépipédiques de dimensions 100×300×500 mm3 /40x138x570mm3 ;
après démoulage, les échantillons seront usinés dans une scierie pour obtenir les dimensions normalisées. Selon la norme ASTM D1037- 89, les plaques pour l’essai de flexion 3 points ont les dimensions suivantes: épaisseur 11 mm, largeur 76 mm et longueur 314 mm. Pour cette raison, les plaques fabriquées sont usinées ;
après usinage, les échantillons seront entreposés dans une chambre à environnement contrôlé à 23° ± 2°C et une humidité relative de 50± 5%, au moins 40 heures avant les essais ;
au jour prévu, soumettre les éprouvettes à la flexion en prenant 264mm comme distance entre les appuis selon la norme ASTM D1037-89 ;
lire le comparateur de déplacement en fonction de la variation de la charge.
Les module de rigidités k, les MOE et MOR respectivement module d’élasticité et module de rupture sont donnés par les expressions suivantes :
la rigidité à la flexion k k= , avec f= | y |
f : la flèche du fait de l’application de la charge F.
y0 : lecture du comparateur avant la charge.
yi : lecture du comparateur sous la charge F.
les MOE et MOR respectivement module d’élasticité et module de rupture :
3
kd 3
MOE = 4bh
R2
MOR 3dF
= 2bh FR: charge à la rupture
d : distance entre appuis b : largeur de l’échantillon h : épaisseur de l’échantillon
3.2.5.4 Caractérisation mécanique du composite de type sandwich 3.2.5.4.1 Essai de flexion sur les structures sandwichs (NF T 54-606)
La norme NF T 54-606 permet à partir de résultats obtenus d’essais mécaniques flexion trois et quatre points sur des sandwichs de définir, le module de rigidité en flexion, le module de cisaillement en flexion N et le module de cisaillement de l’âme Ga.
Les éprouvettes doivent avoir la forme d'un prisme droit. La hauteur de l'éprouvette doit être égale à l'épaisseur de la structure sandwich. La largeur ne doit pas être inférieure à deux fois l'épaisseur totale, ni à trois fois l'épaisseur de l'âme, mais elle ne doit pas être supérieure à la moitié de la distance entre appuis (voir 6.1).
La longueur de l'éprouvette doit être égale à la distance entre appuis augmentée de 50 mm ou de 1/10 de cette longueur entre appuis, suivant la plus grande de ces deux valeurs. La distance (3.1) entre appuis est déterminée par la formule :
[ = 15 ] (3.1)
3.2.5.4.2 Essai de flexion trois points But
Il a pour but la détermination de la contrainte de rupture et la rigidité en flexion de la structure sandwich
PRINCIPE
L'essai consiste à soumettre une éprouvette placée à plat sur deux appuis de forme déterminée prélevée dans la structure sandwich, à un effort de flexion appliqué au milieu. Les flèches sont mesurées en fonction de l’effort appliqué.
Mode opératoire
Monter l'éprouvette sur les appuis de la machine d'essai après avoir réglé ceux-ci à la distance requise (3.16) ;
Placer le dispositif de mise en charge convenable comme indiqué sur la figure 3-20 de façon à imprimer à l'éprouvette une très légère flexion initiale ;
Monter le comparateur comme indiqué sur les figures 2 et le mettre au zéro ; Appliquer la charge sur l'éprouvette à une vitesse constante dont la valeur en millimètres par minute est prise égale à la moitié de l'épaisseur totale de l'éprouvette, exprimée en centimètres;
Relever, à 0,01 mm près, ou enregistrer en fonction de la charge.
La contrainte de rupture s’exprime par la formule suivante :
= P d
2. e . (h + e ). b(MPa) (3.2) Où
P1 : est la charge à la rupture des semelles, exprimée en newtons, pour l'essai de flexion en trois points,
d1 : est la distance entre appuis, exprimée en millimètres, pour l'essai de flexion en trois points,
es : est l'épaisseur des semelles, exprimée en millimètres,
h : est l'épaisseur totale de la structure sandwich, exprimée en millimètres,
b est la largeur de l'éprouvette, exprimée en millimètres.
Figure 3-16 : presse hydraulique
3.2.5.4.3 Essai de flexion quatre points But
Il a pour but la détermination de la flèche de référence, la contrainte de rupture et la rigidité en flexion de la structure sandwich
PRINCIPE
L'essai consiste à soumettre une éprouvette placée à plat sur deux appuis de forme déterminée prélevée dans la structure sandwich, à un effort de flexion appliqué en deux points placés symétriquement par rapport à son milieu et distants l’un de l’autre de la moitié de la distance entre appuis. Les flèches sont mesurées en fonction des efforts appliqués.
Appareillage
Une presse électronique Dispositifs de mise en charge
Mode opératoire
Les essais doivent être faits de préférence en atmosphère contrôlée, ceci pour éviter que les éprouvettes ayant une humidité uniforme ne changent de teneur en eau durant l'essai. Une température de 23 °C ± 2 °C et une humidité relative de 50 % ± 5 % sont recommandées (NF T 51-014). (Dans le cas où l'un des éléments est en bois, conditionner les éprouvettes à 20 °C ± 2 °C et 65 % ± 5 % HR).
Monter l'éprouvette sur les appuis de la machine d'essai après avoir réglé ceux-ci à la distance requise (3.1) ;
Placer le dispositif de mise en charge convenable comme indiqué sur la figure 3 de façon à imprimer à l'éprouvette une très légère flexion initiale ;
Monter le comparateur comme indiqué sur la figures 3-17 et le mettre au zéro ; Appliquer la charge sur l'éprouvette à une vitesse constante dont la valeur en millimètres par minute est prise égale à la moitié de l'épaisseur totale de l'éprouvette, exprimée en centimètres ;
Relever à 0,01 mm près, ou enregistrer en fonction de la charge.
La contrainte de rupture en flexion quatre points est déterminée par la formule suivante :
= P d
4. e . (h + e ). b(MPa) (3.3)
Où :
P2 : est la charge à la rupture des semelles, exprimée en newtons, pour l'essai de flexion en quatre points,
d2 : est la distance entre appuis, exprimée en millimètres, pour l'essai de flexion en quatre points.
a. Calcul de la rigidité en flexion (D)
Calculer le rapport flèche/charge ( ) à partir de la courbe charge/flèche, ce rapport est égal à :
W P = d
48D+ d
4N (3.4)
Où :
d1 : est la distance entre appuis (encore appelée portée), exprimée en millimètres,
P1 : est la charge concentrée, exprimée en newtons, égale à la moitié de la charge de rupture, W1 (mm) est la flèche mesurée à mi- portée sous la charge P1.
D : est la rigidité en flexion de la structure sandwich, exprimée en N.mm2. Essai de flexion 4 points
Calculer le rapport flèche/charge ( ) à partir de la courbe charge/flèche, ce rapport est égal à :
W
P = 11d 768D+ d
8N (3.5)
Où :
d2 : est la distance entre appuis (p o r t é e ), exprimée en millimètres ;
P2 : est la charge totale concentrée en deux points, exprimée en newtons ; elle est choisie égale à la moitié de la charge de rupture ;
W2 : est la flèche mesurée à mi- portée sous la charge totale P2. Elle est exprimée en millimètres ;
D : est la rigidité en flexion de la structure sandwich, exprimée en N.mm2.
Les formules (3.4) et (3.5) forment un système de deux équations dont les solutions D et N sont données par les formules :
Rigidité en flexion (D) de la structure sandwich
2 2
Module de cisaillement en flexion de la structure sandwich :
3
Or, le module de cisaillement de l'âme du sandwich Ga (module de coulomb) est lié à N par la relation :
D’où l'expression complète du module de cisaillement de l'âme du sandwich Ga s’obtient en remplaçant (3.7) dans (3.8) et on a :
Figure 3-17: Plaque de type sandwich Si d est la distance entre appuis
50 ,
2 a d mm h
a
ou suivant la plus grande de ces deux valeurs 2h et 3 e b d
2
Figure 3-18 : dispositif d’essai de flexion trois et quatre points
3.2.5.5 Essai de cisaillement inter-laminaire (ASTMD 2344) But
L'essai consiste à déterminer par la mise en œuvre de flexion 3 points les efforts tranchants qui génèrent la contrainte ultime en cisaillement inter-laminaire (délaminage) de la structure sandwich essayée. Cet essai, réalisé sur des éprouvettes de dimensions définies, et sur appuis rapprochés (L/e = 5, figure3-19) constitue une méthode pour estimer la qualité de l’adhésion inter faciale des structures sandwich. Il conduit cependant à des résultats qualitatifs.
Principe de l’essai
L'essai consiste à soumettre une éprouvette placée à plat sur deux appuis rapprochés de forme déterminée prélevée dans la structure sandwich, à un effort de flexion appliqué en son milieu.
Matériels
— presse universelle à affichage numérique ;
— Dispositifs d’essai de flexion ;
— Comparateurs de déplacement.
Mode opératoire
— Confection des éprouvettes à partir des moules parallélépipédiques de dimensions 30×140×570 mm3 ;
— Après démoulage, les échantillons seront usinés dans une scierie pour obtenir les dimensions normalisées. Selon les normes ISO
4585, ASTMD 2344, EN 2377, les plaques ont les dimensions suivantes : épaisseur 30 mm, largeur 65 mm et longueur 200mm.
— Après usinage, les échantillons seront entreposés dans une chambre à environnement contrôlé à 20 °C ± 2 °C et une humidité relative de 65 % ± 5 %, avant les essais ;
— Au jour prévu, monter l'éprouvette sur les appuis de la machine d'essai après avoir réglé ceux-ci à la distance requise entre appui (voir figure 3-19) ;
— Placer le dispositif de mise en charge convenable (dispositif de flexion 3 points) suivant le cas, de façon à imprimer à l'éprouvette une très légère flexion initiale ;
— Monter le comparateur comme indiqué sur les figures et le mettre au zéro ;
— Appliquer la charge sur l'éprouvette à une vitesse constante dont la valeur en millimètres par minute est prise égale à la moitié de l'épaisseur totale de l'éprouvette, exprimée en centimètres ;
— Relever en fonction de la charge, la flèche indiquée par le comparateur.
Figure 3-19: Flexion sur appuis rapprochés pour le cisaillement inter-laminaire.
La contrainte ultime en cisaillement inter-laminaire (délaminage) est alors donnée par l’expression suivante :
=3P 4Be
4.1 Résultats 4.2 Discussions