Chapitre I. Etude bibliographique
I.1 ETUDE EXPERIMENTALE DU COMPORTEMENT A HAUTE TEMPERATURE DES COMPOSANTS DE TRC
I.1.2 Comportement des textiles à température élevée
Cette section présente respectivement les comportements des fibres et des textiles correspondants (y compris le comportement thermomécanique et résiduel) et leurs modes de rupture à température élevée.
i. Comportement des fibres
Généralement, les fibres synthétiques ont de bonnes caractéristiques mécaniques telles que de hautes résistances ultimes, un module d’élasticité, une résistance à la température élevée. A température ambiante, certaines études expérimentales ont été réalisées afin de caractériser le comportement mécanique et identifier des propriétés mécaniques des fibres [44][45][46].
Selon Nguyen [18], malgré un coût élevé, les fibres de carbone sont couramment utilisées pour le renforcement ou la réparation des structures des ouvrages de génie civil, car elles possèdent des performances mécaniques plus intéressantes associées à une faible densité.
Dans le travail de Houhou [44], les propriétés mécaniques des fibres (fibre de verre, fibre de carbone et fibre d’aramide) à la température ambiante sont rapportées comme présentée dans le Tableau 1.4 ci-dessous.
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11-Tableau 1. 4: Propriétés mécaniques des différentes fibres à température ambiante, Houhou [44]
Type de fibre Diamètre résultats expérimentaux montrent que les fibres ont donné un comportement linéaire jusqu’à leur rupture. La Figure 1.5 présente le comportement mécanique des fibres à température ambiante, rapporté par Houhou [44]. Selon [44], des fibres de carbone présentent une rigidité plus grande par rapport à d'autres fibres, ensuite la rigidité des fibres d’aramide et la valeur la plus basse concerne la famille des fibres de verre.
Figure 1. 5 : Comportement mécanique des fibres à différentes natures [44]
En fonction de la température, les propriétés mécaniques des fibres diminuent suivant la nature des fibres. Dans le travail de Bisby et al [47], les trois fibres couramment utilisés (fibre de carbone, fibre de verre, fibre d’aramide) ont permis l'analyse de l'évolution des propriétés mécaniques en fonction de la température. La Figure 1. 6 présente l’évolution de la résistance des fibres à différentes natures en fonction de la température. Selon Green et al [48], les fibres de carbone ont montré une perte de résistance négligeable jusqu'à la température de 1000 °C alors que les fibres d'aramide ont présenté une sensibilité significative à la température élevée à cause de l'oxydation à partir d'une température de 150 °C. Des fibres de verre ne s'oxydent pas encore à des températures allant de 400 °C à 1000 °C, pourtant elles présentent une tendance au ramollissement qui provoque une baisse importante de leur résistance à la température élevée.
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12-Figure 1. 6: Evolution de la résistance des fibres différentes en fonction de la température, Green et al [48]
i. Comportement des textiles
Généralement, le comportement des textiles à température élevée est similaire à celui des fibres qui le constitue. Ils présentent un comportement quasi-linéaire élastique jusqu’à leur rupture. Cependant, un fil des textiles est structuré par des mille mono-filaments et traité avec un produit à différentes natures qui assurera le travail en commun entre ces mono-filaments.
Un bon traitement pourrait provoquer des meilleures valeurs des propriétés mécaniques du textile. Cela explique la dépendance du comportement des textiles sur le traitement des textiles.
Dans la littérature, certaines études ont été menées sur le comportement du textile sous l'action de charge mécanique (en traction) et températures élevées [31][32][49][50]. Dans la récente étude de Nguyen et al [49], le textile de carbone a été manuellement traité avec une résine époxy à deux composants. Les éprouvettes du textile de carbone ont été testés au régime thermomécanique à température constante afin d’identifier leur comportement à différentes température (allant de 20 °C à 600 °C). A partir des résultats obtenus, le textile de carbone a fourni un comportement presque linéaire à température élevée jusqu’à la rupture (voir Figure 1. 7a). Il s’agit également une diminution des propriétés thermomécaniques du textile, presque linéaire jusqu’à une valeur négligeable à 600 °C pour la résistance ultime (voir Figure 1. 7b) et un peu incurvé pour le module d’Young (voir Figure 1. 7c). Dans les travaux de Younes et al [40], une même tendance à la diminution des propriétés thermomécanique a été obtenue à partir des essais à température élevée allant de 20 °C à 500
°C sur des fils de carbone traités par un produit de polymère. Ces résultats [40][49] montrent l’influence de la teneur en polymère de traitement sur le comportement des textile de carbone.
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13-(a) Courbes « contrainte – déformation » à différentes températures
(b) Evolution de la résistance ultime en fonction de la température
(c) Evolution du module d’Young ultime en fonction de la température
Figure 1. 7 : Résultats expérimentaux sur des éprouvettes du textile de carbone traité avec la résine époxy [49]
Récemment, Rambo et al [31][32] ont menées une étude sur le comportement à température élevée des spécimens de textiles de basalte avec un revêtement par du latex styrène-acrylique.
D'après les résultats obtenus, des éprouvettes du textile de basalte après l’exposition d’une heure à différentes températures ont donné un comportement quasi-linéaire et un mode de rupture fragile. Ces études ont mis en lumière l’effet du traitement de latex styrène-acrylique sur la résistance ultime et la rigidité du textile de basalte après un cycle thermique
« préchauffé – refroidi » à différentes températures.
ii. Effet du traitement de textile sur la capacité mécanique du textile
Un traitement de fibre (ou textile) est capable de permettre d’augmenter la résistance mécanique de textile. Donc, les textiles (ou fibres) sont généralement industriellement ou manuellement traités avec des produits dans la procédure de fabrication. Parmi les textiles industriels au marché, un traitement de surface est préféré pour le traitement de textile pour améliorer l'adhérence à la matrice cimentaire. Il s'agit d'imprégné d’époxy et de sables la surface du textile [51].
Concernant l’effet du traitement du textile sur sa capacité mécanique, il existe certaines études expérimentales dans la littérature [39][40][52]. Selon Ferreira et al [39], la résistance ultime
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14-en traction de la fibre de sisal a augm-enté avec tous les traitem-ents. Ceci peut s'expliquer par le changement de la cristallinité de la cellulose, la réduction du matériau amorphe et le raidissement dû à l'interaction du polymère avec la fibre de sisal et aux phénomènes de hornification (méthode de traitement de la fibre de sisal avec de l’eau et un processus de séchage après). Le traitement avec le polymère a entraîné une augmentation de 50% de la résistance ultime et 15% de la rigidité en traction. Au cours du traitement par le polymère, la fibre est immergée dans une solution aqueuse de styrène butadiène. Dans cette période, la fibre absorbe la solution, permettant la pénétration du polymère entre les cellules de la fibre et les parois internes de la lumière. Après la durée de traitement, le polymère durcit, rendant la structure fibreuse rigide et dense. Cela rend probablement la structure plus groupée, ne permettant pas de loger les cellules de la fibre lors du début de l’essai de traction, justifiant ainsi l’augmentation de la rigidité de la fibre. La Figure 1. 8 présente les résultats dans le travail de Ferreira et al [39] et Raupache et al [52] sur l’influence des traitements de fibre (textile) sur son comportement en traction à température ambiante.
(a) fibre de sisal avec différents traitements, Ferreira et al [39]
(b) Textile MAG 07-03 avec un traitement de polymère d’époxy, Raupach et al [52]
Figure 1. 8 : Influence des traitements de fibre sur le comportement en traction de la fibre
Dans le travail de Rambo et al [31][32][33], le revêtement de latex styrène-acrylique a eu un effet positif sur le textile de basalte pour augmenter ses propriétés mécaniques (résistance ultime en traction et module d’Young) à des températures allant de 75 °C à 200 °C. Après le refroidissement, la pré-imprégnation du textile par ce produit a amélioré la répartition uniforme des contraintes entre les filaments des fils textiles. Cela est la raison principale pour expliquer les résultats expérimentaux obtenus. La Figure 1. 9 présente les résultats résiduels sur des éprouvettes du textile de basalte avec un revêtement de latex styrène-acrylique à différentes températures élevées, y comprises les courbes « contrainte – déformation » à différentes températures et l’évolution des propriétés résiduelles en fonction de la température.
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15-(a) Courbes « contrainte – déformation » à différentes températures
(b) Evolution des propriétés résiduelles en fonction de la température
Figure 1. 9 : Résultats résiduels sur des éprouvettes du textile de basalte avec un revêtement de latex styrène-acrylique à température élevée, selon Rambo et al [33]
iii. Mode de rupture
Le mode de rupture des textiles (ou des fibres) a été également analysé pour comprendre le mécanisme de rupture à différentes températures. Le mode de rupture des textiles dépend de certains facteurs tels que la nature de fibre, le traitement du textile par des produits différents, de la température, etc. Dans la littérature, certaines études ont été menées sur le mode de rupture du textile (dans le composite) sous l'action de charge mécanique et la températures élevées [31][33][49][50]. Dans le travail de Zhai et al [50], les résultats ont montré que l’effet de la température sur le traitement de la résine de polypropylène influençait le mode de défaillance des éprouvettes. En ce qui concerne le mode de défaillance des éprouvettes testées à 23 °C, 50 °C et 70 °C, un mode fragile a été observé lors de l'extraction des mono-filaments.
À 90 °C, la division longitudinale des groupes de filaments est provoquée par la faiblesse de l'interface entre les fibres et le produit de traitement à base de résine (voir Figure 1. 10a).
Dans cette recherche, la méthode d’image par microscopie optique a été utilisée pour observer le mode de défaillance d’éprouvettes du textile de verre à l’échelle micro. Comme résultat de la méthode d’image par microscopie optique [50], on a observé un décollement important dans les groupes de fibres le long de la direction longitudinal de spécimen (voir Figure 1.
10b).
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16-(a) Éprouvettes échoués après les tests (b) Image en microscopie optique du mode de défaillance dans l'éprouvette testé à 90 °C Figure 1. 10: Mode de rupture des éprouvettes de traitement de textiles en verre par une résine de
polypropylène [50]
En ce qui concerne le mode de défaillance du textile élaboré à partir de fibres de basalte [31][32][33], une méthode de microscopie électronique à balayage (MEB) a été utilisée pour observer les processus de dégradation dans le textile après une exposition à différentes températures. Il en résulte que le textile de basalte a un mode de rupture fragile qui est causé par la faible action de pontage des filaments ou par la fusion de filaments à des températures élevées (voir Figure 1. 11).
Figure 1. 11: Micrographies MEB d’un fil de basalte à différentes températures [31] [32] [33]
Selon Nguyen et al [49], le textile de carbone avec un traitement manuel par une résine époxydique, a un mode de défaillance fragile sous des chargements thermiques et mécaniques simultanés à différents niveaux de température. Ce mode de défaillance est également souligné par une baisse de la contrainte des courbes «contrainte-déformation» à différentes températures (voir Figure 1. 7a). En observant les éprouvettes de textile en carbone après des essais thermomécaniques, on peut identifier quatre types de rupture. Le type A correspond à température ambiante à des dommages causés à la fois au niveau du textile de carbone et à l'interface époxy, alors qu'à 200 °C, la fusion de la résine d'ensimage a été provoquée par le décollement des groupes de filaments (type B). La fusion complète et une décomposition
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17-partielle de la résine revêtue à 400 °C ont entraîné la rupture du filament dans différentes sections (type C), tandis que la combustion complète de la résine revêtue et l’oxydation d’une partie de fibre de carbone à 600 °C étaient remarquables (type D) (voir Figure 1. 12).
Figure 1. 12 : Mode de rupture des éprouvettes du textile de carbone avec un traitement par la résine époxydique