Chapitre 2 : Matériaux et techniques
2 Caractérisation de l’assemblage collé
La connaissance des propriétés des matériaux assemblés et de l’adhésif est importante mais ne suffit pas à caractériser le comportement de l’assemblage collé final. Pour cela, des essais mécaniques sur assemblages collés doivent être réalisés. Alors que de nombreuses recherches ont été menées dans le cas d’assemblages collés béton/PRF (Chen et Teng, 2001; Yuan et al., 2004), les études concernant le comportement des assemblages métal/PRF sont plus limitées (Xia et Teng, 2005; Zhao et Zhang, 2007; Teng et al., 2009). La principale différence entre ces deux types de joints collés repose sur l’élément faible de l’assemblage. Dans le cas des assemblages béton/PRF, l’élément faible est le béton (Chataigner et al., 2011). Tandis que dans le cas des assemblages métal/PRF, l’élément faible attendu est la couche
d’adhésif, nécessitant un choix d’adhésif et une préparation de surface des adhérents adéquats (cf. Chapitre 1).
Pour rappel, dans le cas d’un renforcement par composite collé de structure métallique (renforcement en flexion ou à la fatigue), les contraintes de traction qui affectent l’élément métallique vont être transmises au renfort composite collé via la couche d’adhésif sollicitée majoritairement en cisaillement. Afin d’étudier ce mode de sollicitation de la couche d’adhésif, deux configurations d’essais sont couramment utilisées : les essais sur joint à simple et double recouvrement, représentés en figure 11 (Chapitre 1). Ces essais d’abord mis en œuvre dans le cas d’assemblages béton/composite (Guide AFGC, 2011) ont par la suite été utilisés dans le cas d’assemblages métal/composite. Du fait de sa facilité de mise en œuvre et de l’existence de la machine d’essai LCPC, l’essai de cisaillement à simple recouvrement a été utilisé dans le cadre de cette étude. Par ailleurs, des études de la littérature recommandent cette configuration d’essai à simple recouvrement pour la caractérisation du joint de colle (Yao et al., 2005 ; Teng et al., 2009). La présentation des essais à simple recouvrement menés et les résultats obtenus font l’objet de cette partie.
2.1 Principe de l’essai de cisaillement sur joint à simple recouvrement
L’essai de cisaillement sur joint à simple recouvrement a été réalisé au Laboratoire d’Autun. La machine d’essai utilisée repose sur le protocole d’essai LPC n°72 dont une description détaillée est donnée dans les références suivantes : Sudret, 2005 et Chataigner et al., 2009. Le principe de l’essai ainsi qu’une photo du dispositif sont représentés sur la figure 27. L’interface collée est sollicitée en cisaillement grâce à l’effort de traction appliqué au plat composite. Pour cela des mors coniques ainsi qu’un vérin hydraulique d’une capacité maximale de 100kN sont utilisés. L’alignement de l’effort appliqué au plat composite est vérifié de sorte à limiter les contraintes de pelage (contrainte d’arrachement) au niveau du bord chargé. La force appliquée au plat composite ainsi que le déplacement des mors par rapport au corps de la machine sont enregistrés au cours de l’essai.
(a) (b)
Figure 27 : (a) principe de l'essai de cisaillement à simple recouvrement ; (b) machine d’essai associée (Chataigner et al., 2011)
2.2 Géométrie des éprouvettes et réalisation
La géométrie ainsi qu’une photo des assemblages collés réalisés sont données sur la figure 28.
(a) (b)
Figure 28: Réalisation des assemblages collés simple recouvrement: (a) géométrie; (b) photo des assemblages
Une longueur de collage de 120 mm est utilisée pour l’ensemble des essais. Les dimensions des plaques métalliques sont identiques pour l’acier et le fer puddlé, tandis que les épaisseurs et largeurs des plats composites sont propres à chaque procédé. Afin de limiter les effets de bord indésirables (Nguyen et al., 2006 ; Chataigner, 2008), les plats sont collés à 10 mm du bord de la plaque métallique pour chaque éprouvette (ruban adhésif en bord de plaque métallique, cf. figure 28(a)).
La méthode d’application du plat PRFC suit les recommandations des fiches techniques propres à chaque procédé et les essais sont effectués après polymérisation de l’adhésif (temps de polymérisation, indiqué par le fournisseur, de 48h à température ambiante). Dans le cas des plats PRFC MN un ponçage suivi d’un nettoyage soigneux à l’acétone de la surface des plats est réalisé avant double encollage. Pour les plats PRFC UHM, le peel-ply est retiré puis, comme pour les plats PRFC MN, un nettoyage soigneux à l’acétone est réalisé avant double encollage. Concernant les plaques métalliques la préparation est identique quel que soit le matériau métallique considéré, à savoir un sablage de la surface (degré de soin SA2.5, cf. NF EN ISO 8503) suivi d’un dégraissage soigneux à l’acétone. Une étude menée par Chataigner et al., 2012a, considérant trois degrés de sablage des plaques métalliques avant collage (7 µm, 10 µm et 13 µm mesurées à l’aide d’un rugosimètre et correspondant à 3 classes de préparation de surface couvertes par la norme NF EN ISO 8503), a montré que l’élément faible de l’assemblage reste dans tous les cas la couche d’adhésif. De plus, aucune influence n’a été constatée sur la résistance ultime obtenue pour ces trois éprouvettes.
Les caractéristiques des différentes éprouvettes sont résumées dans le tableau 7. Les différentes configurations d’essais sont désignées de la manière suivante : « S235/Fer » pour le matériau métallique, « MN/UHM » pour le type de plat composite, « A/C » pour l’adhésif, enfin « 1-2-3 » désigne le numéro de l’éprouvette.
Eprouvettes Plaque métallique Plat PRFC Adhésif
S235_MN_A_1/2/3 S235 E = 165 GPa, e=1,2 mm, w=50 mm A
S235_UHM_C_1/2/3 S235 E = 460 GPa, e=2,3 mm, w=52 mm C
Fer_MN_A_1/2/3 Fer puddlé E = 165 GPa, e=1,2 mm, w=50 mm A
Fer_UHM_C_1/2/3 Fer puddlé E = 460 GPa, e=2,3 mm, w=52 mm C
Tableau 7: Caractéristiques des différentes éprouvettes testées
2.3 Description des essais
Trois éprouvettes par procédé et pour chaque matériau métallique sont réalisées. Parmi ces trois éprouvettes, deux d’entre elles subissent une traction monotone du plat composite collé jusqu’à rupture complète de l’assemblage (éprouvettes 1 et 3). La force appliquée au plat composite collé et le déplacement au niveau de l’extrémité du renfort sont mesurés au cours de l’essai (capteur LVDT placé entre les mors et la plaque métallique).
La dernière éprouvette de chaque série subit différents niveaux de cycles de charge/décharge avant d’être menée à rupture. Pour ces dernières éprouvettes, une instrumentation par jauges de déformations, collées en surface du plat composite le long du joint collé, est mise en place. L’utilisation de jauges de déformations collées sur la face supérieure du plat composite permet d’obtenir la répartition des déformations le long du joint de colle. Les jauges situées près du bord chargé permettent plus particulièrement l’observation du phénomène de concentration de contraintes, dans cette zone, mis en évidence la première fois par Volkersen, 1938. Le schéma de positionnement des jauges ainsi qu’une photo d’éprouvette instrumentée sont illustrés sur la figure 29.
(a) (b)
Figure 29 : (a) Schéma de positionnement des jauges de déformations collées sur la face supérieure du plat composite le long du joint de colle; (b) Photo d’éprouvette instrumentée
Les cycles de charge/décharge retenus pour chaque série dépendent des résultats à rupture obtenus lors des premiers essais de traction monotone. Pour le procédé MN, les cycles sont alors les suivants : 10kN,
20kN, 30kN, 45kN, rupture. Pour le procédé UHM, les cycles correspondent à : 10kN, 30kN, 50kN, 70kN, 80kN rupture. Entre chaque cycle de charge/décharge un temps de pause de 5 minutes est respecté afin de pouvoir observer les phénomènes visqueux.
2.4 Exploitations des résultats d’essais
capacité ultime et mode de rupture
(A) : Essais monotones à rupture
Le tableau 8 résume les résultats d’essais obtenus pour l’ensemble des éprouvettes testées en traction monotone en termes de capacité ultime et de mode de rupture.
Eprouvettes N° Charge à rupture (kN) Capacité ultime (MPa) Mode de rupture
S235_MN_A 1 3 41,89 44,41 698,17 740,17 Cohésif dans la couche d’adhésif
S235_UHM_C 1 94,31 788,55 Délamination du plat
PRFC
3 99,95 835,7