Les colles structurales

Dans le cas du collage structural, le collage doit conférer à l'assemblage considéré une résistance mécanique suffisante (au minimum du même ordre de grandeur que celles des matériaux constituant la structure) dans les conditions environnementales de service (Cognard J., 1994). La colle devient alors partie intégrante de la structure. On ajoute à cette définition des notions de durabilité de l'assemblage dans des conditions environnementales différentes. La résistance mécanique de l'assemblage et sa durabilité dépendent de la nature des matériaux considérés, des efforts d'adhésion qui existent entre ces matériaux et la colle, et de l'évolution des matériaux constituant la structure en environnement extérieur (dans notre cas, le bois, le béton et la colle).

Ce sont parmi les thermodurcissables et les thermoplastiques que l’on trouve les colles les plus répandues dans le domaine du génie civil. Parmi ces colles, on trouve les colles époxy, les polyuréthanes, et les composés acryliques entre autres. Nous décrirons dans ce paragraphe les caractéristiques principales de ces différentes colles et les propriétés de vieillissement.

Chaque type de colle présente des caractéristiques spécifiques et bénéficie donc d’utilisations spécifiques. Les adhésifs structuraux sont caractérisés par de très bonnes propriétés mécaniques notamment en termes de résistances, ceci dans le but d’assurer la résistance du joint de colle. En revanche, l’adhésif, partie intégrante de l’assemblage, doit résister aux contraintes auxquelles il est soumis au cours de sa vie. Il présente alors des comportements mécaniques variables selon l’usage. Ainsi on choisira une colle souple, avec un faible module d’Young pour des assemblages soumis à des dilatations importantes, ou à des chocs et vibrations. Une colle rigide avec d’excellentes propriétés d’adhésion servira plutôt à assurer une interface quasi parfaite pour garantir la continuité entre les deux matériaux collés. Cette caractéristique est intéressante dans la construction, notamment pour des éléments de structure. Nous décrivons ci-dessous les usages et propriétés essentielles de trois types de colles que nous avons testées et utilisées pour assembler le bois et le béton.

Les colles époxy

Les colles époxy sont des résines thermodurcissables. Elles sont mono ou bi-composantes constituées d’une base époxyde et d’un durcisseur. Lorsqu’elles sont bi-composantes, le mélange des deux produits donne lieu à une réaction exothermique qui permet la réticulation. Le mélange se fait alors au moment du collage et la réaction peut être accélérée par un apport de chaleur. Pour les mono-composantes, la base et le durcisseur sont déjà mélangés et la réaction se produit avec un apport de chaleur. Elles sont généralement utilisées pour les assemblages métal-métal ou métal-plastique devant résister à de fortes contraintes mécaniques. Ces colles présentent de nombreux avantages, notamment une bonne tenue aux environnements et une rigidité importante. Elles sont par ailleurs utilisées à l’extérieur, dans le domaine du génie civil pour la reprise de bétonnage, pour le renforcement de poutres et de piliers. Elles servent également à la réalisation de matériaux composites combinés à de la fibre de carbone. Les colles époxy sont de loin les résines les plus utilisées dans le domaine du génie civil grâce notamment à leur bonne adhésion avec un grand nombre de matériaux et à leur facilité de mise en œuvre.

38 Les colles polyuréthanes

Les colles polyuréthanes résultent de la condensation entre un monomère isocyanate et un monomère hydroxyde ou polyol. Pour des raisons de mise en œuvre, certains fabricants développent des gammes de polyuréthanes mono-composants mais généralement ce sont des systèmes bi-composants qui sont utilisés. Les polyuréthanes bi-composants présentent des caractéristiques mécaniques plus élevées (Tableau 1-5). Du fait de leur bonne tenue à la déchirure et au pelage, ces résines sont utilisées pour l’assemblage de deux matériaux, l’un rigide, l’autre souple (par exemple, elles conviennent très bien aux assemblages métal-plastique). Les résines polyuréthanes sont souples et possèdent une bonne résistance aux phénomènes de vieillissement. Ainsi, elles sont prescrites pour des assemblages soumis à de la dilatation comme pour le bois lamellé-collé. Elles sont aussi résistantes aux chocs et vibrations et trouvent de nombreuses utilisations dans le domaine naval, matériel de transports…

Les composés acryliques

Il existe plusieurs types de colles à base acrylique, les cyanoacrylates, les anaérobies et les acryliques modifiées. Elles sont utilisées dans l’industrie de précision notamment sur des petites pièces et pour assembler le caoutchouc. Elles présentent de très bonnes résistances mécaniques notamment au cisaillement et au pelage, mais résistent peu aux chocs. Leur vitesse de prise est très rapide, de quelques minutes, ce qui rend la mise en œuvre difficile.

Pour résumer, le tableau 1-5 présente des ordres de grandeur de valeurs de propriétés mécaniques des différentes colles présentées dans ce paragraphe.

Le choix d’une résine structurale pour la connexion du bois et du béton semble évident. En effet, cet assemblage est développé pour servir en tant qu’élément de structure. L’idée d’une connexion de ces deux matériaux par collage, via une résine époxy, rigide et fortement adhésive, est née de l’envie d’améliorer la continuité de l’interface par rapport aux cas d’une connexion usuelle de type connecteurs métalliques (Pham, 2007). Réellement, la structure sera soumise aux conditions climatiques extérieures, et donc à des variations thermo-hydriques. Du fait des propriétés hygroscopiques du bois qui impliquent une dilatation importante de celui-ci, l’utilisation d’une colle plus souple, supportant les déformations du bois peut être une meilleure solution. Il s’agit alors de trouver un compromis entre tenue mécanique et durabilité de l’assemblage.

Un autre point important est que l’adhésif présente des propriétés qui évoluent dans le temps en fonction des conditions mécaniques et climatiques auxquelles il est soumis. Il s’agit là aussi d’un critère à prendre en compte dans le choix de la colle.

39 Tableau 1-5 : Caractéristiques des résines structurales.

*NP = non précisé, les valeurs indiquées sont données à titre indicatif et sont tirées de fiches techniques de colles commercialisées

Époxy Polyuréthane Composé acrylique

Mono- composants

Bi-

composants Cyanoacrylates Anaérobies

Acryliques modifiées Module d’élasticité (MPa) 2000 à 5000 10 à 1200 10 à 1200 100 à 1500 100 à 1500 100 à 1500 Résistance au cisaillement (MPa) 15 à 40 6 à 15 6 à 15 15 à 25 4 à 20 20 à 30 Résistance à la traction (MPa) 70 à 80 1 à 3 5 à 13 10 à 25 10 à 15 10 à 15 Allongement à rupture (%) 0,1 à 1,5 200 à 500 15 à 300 NP NP 150 Résistance à la compression (MPa) 140 à 150 NP* NP* NP* 15 à 35 NP*