1.5.1 Les composites amiante/ciment
En raison des performances exceptionnelles de l’amiante vis-à-vis de la ré-sistance au feu (réré-sistance mécanique au très hautes température, incombus-tibilité), les fibres d’amiante ont été ajoutées au ciment de manière à obtenir un matériau composite performant, peu onéreux, imputrescible et résistant au feu. De plus, les fibres d’amiante sont largement diffusées à travers toute l’Europe depuis la découverte de grands gisements en 1860. L’amiante/ciment est obtenu en mélangeant 90% de ciment et 10% d’amiante avec de l’eau. Ce matériau, breveté dès 1901, a surtout été utilisé à partir des années 1960, en France. En 1991, les huit usines françaises ont produit 540 000 tonnes d’amiante/ciment. De nombreux produits en contenant ont été commerciali-sés, notamment des plaques planes ou ondulées, tuiles et panneaux de toiture, plaques et panneaux de cloisons intérieures, conduits de cheminées, tuyaux et canalisations ... (voir figure 1.12).
Fig. 1.12 – Tôles ondulées et tuyaux en amiante/ciment
Les risques liées à l’amiante sont aujourd’hui bien connus et l’industrie des composites fibres/ciment s’est tournée vers l’utilisation de fibres de ren-fort en verre afin de pallier aux problèmes environnementaux. Dès les années 1930, certains chercheurs ont eu l’idée de tirer parti de la résistance excep-tionnelle du verre étiré pour renforcer les bétons. Toutefois, la forte sensibilité des fibres de verre E à l’alcali-réaction a conduit à l’abandon provisoire de cette technologie.
1.5. LES COMPOSITES FIBRES/CIMENT 17
1.5.2 Les composites fibres de verre/ciment
Vers les années 1960, des recherches portent sur la possibilité de traiter le verre standard (verre E) afin de le rendre stable en milieu alcalin. La société Pilkington achète les droits de cette nouvelle fibre de verre Alcali Résistante (AR), développée par Madjumdar. En plus d’un traitement au zirconium, les fibres d’un diamètre de 10 à 12 µm sont réunies entre elles par centaines puis ensimées. Cette opération protège les fibres de l’abrasion durant le ma-laxage et contre le développement excessif de cristaux agressifs à leur surface. Pilkington développe au début des années 1971 des procédés de fabrication pour ces produits ciment/fibres (GRC de l’anglais Glass Reinforced Cement ) en s’inspirant de l’industrie des plastiques renforcés. Le développement ra-pide des GRC depuis les années 1970 a conduit à l’élaboration d’un nouveau système breveté système Vetrotex-Saint-Gobain, développé en partenariat par le Centre de Recherche de Pont-à-Mousson et Vetrotex. Ce matériau est composé de fibre de verre AR dans un mélange de ciment, de polymères, d’ad-juvants et d’ajouts spécifiques (Mohamadou, 1994). Les faibles performances (fragilité, résistance en traction) du liant hydraulique sont compensées par l’utilisation de fibres de renfort afin de reprendre l’effort après la rupture de la matrice cimentaire (Grandhaie, 1993).
L’interaction entre ces deux matériaux est conditionnée par l’ensimage des fibres. L’interface régule les phénomènes de mouillage et de pénétration des fibres par la matrice, afin d’obtenir un transfert de charge satisfaisant. La macro-fissure de la matrice est reprise par les fibres qui viennent ponter la fissure et répartir l’endommagement au travers de multiples microfissures. Une forte réserve de déformation est ainsi obtenue et les propriétés de maté-riau vont dépendre de plusieurs facteurs tels que la quantité et la longueur du renfort, la compacité de la matrice, etc (Cherubin-Grillo, 2001).
Les matériaux fibres/ciment constituent une famille de composites qui combinent la haute résistance en compression des mortiers avec les proprié-tés de la fibres de verre. Cette formulation entraine une amélioration des ca-ractéristiques mécaniques (choc, ténacité, flexion, traction, etc), le maintien d’une excellente ductilité dans le temps et la disparation des problèmes de vieillissement (Glinicki et al. , 1994) (Babut & Brandt, 1978) (Bentur & Min-dess, 1990) (Brandt & Marshall, 1986) (Brandt & Glinicki, 1991) (Francois-Brazier, 1991). De plus, les fibres de renfort limitent le retrait de la matrice lors de la phase de durcissement.
ma-nuelles à des systèmes mécaniques complexes. Cependant, nous pouvons dis-tinguer deux tendances principales : La projection et la prémélange.
⇒ La projection : Un pistolet pneumatique à double sortie est uti-lisé afin de projeter le matériau sur un moule. La fibre arrive sous la forme d’un roving continu et est hachée puis mélangée au mortier. Le contrôle de l’épaisseur est réalisé par calibre ou par palpeur à pointe. Les couches sont compactées à l’aide de rouleaux ébulleurs.
⇒ Le prémélange : Un malaxeur rotatif incorporant les fibres précou-pées et le mortier réalise le mélange qui est ensuite coulé dans un moule ouvert et vibré. Le démoulage est effectué après 24 heures.
La figure 1.13 présente diverses applications de GRC dans le Génie Civil. Ces composites permettent la réalisation de formes complexes. Les proprié-tés acoustiques de ces matériaux peuvent également être utilisées pour la construction d’amphithéâtre ou salle de réunion. Les GRC sont présents sur les marchés du neuf et de la rénovation/réparation. Diverses autres applica-tions sont possibles comme la réalisation de coques ou de tubes.
Fig. 1.13 – Quelques applications de système composites GRC : a) et b) Avantages du GRC pour la réalisation d’éléments de formes complexes, c) Hall de lecture de l’université de Tokyo - utilisation des propriétés acous-tiques, d) Passerelle piétonne combinant faible poids et résistance aux vibra-tions
1.5. LES COMPOSITES FIBRES/CIMENT 19
effet, en raison de la rhéologie de la matrice cimentaire, le taux de renfort usuel est de l’ordre de 3% en poids, voire 4% dans certains cas. Au delà de ces limites, l’ouvrabilité du matériau n’est plus satisfaisante. La figure 1.14 présente l’allure du comportement en traction des GRC ainsi que leurs pro-priétés mécaniques usuelles (Mohamadou, 1994). Les propro-priétés mécaniques des GRC sont relativement faibles au regard de celles des matériaux com-posites à matrice polymère. Ce constat nous conduit à l’élaboration d’une nouvelle génération de matériaux composites à matrice minérale et aux pro-priétés mécaniques en adéquation avec les sollicitations usuelles en Génie Civil.
Fig. 1.14 – Propriétés usuelles des GRC
1.5.3 Les solutions alternatives
Ces dernières années, de nouvelles formulations de liants minéraux ont été mis au point afin de compenser la sensibilité de la fibre de verre E à l’alcali-réaction. Différentes additions de pouzzolanes peuvent être ajoutées à la formulation de base. La proportion de clinker Portland est réduite par la substitution d’additions de type fumée de silice, cendres volantes, méta-kaolin, etc. Ambroise (Ambroise et al. , 1989) propose l’ajout de métakaolin ou métakaolinite susceptible de conférer de meilleures caractéristiques mé-caniques au matériau composite. Le métakaolin, obtenue par calcination du kaolin, est directement incorporé à l’eau de gâchage en même temps que le ciment et le sable afin de consommer tout l’hydroxyde de calcium libéré par le ciment (Oriol, 1995). D’autres facteurs comme la fluidité, la durabilité sont également optimisés par les diverses additions..
Les ciments magnésiens, également appelés ciments à l’oxychlorure de gnésium sont constitués de trois composants : l’oxyde de magnésium ou ma-gnésie (ou encore périclase) M gO, l’eau et le chlorure de magnésium (M gCl2) (Matray, 1990). Ils présentent l’avantage d’un pH légèrement basique, ce qui n’engendre pas d’attaque alcaline des fibres de renfort. De plus, les pro-priétés mécaniques sont légèrement supérieures à celles des ciments à base Portland. Néanmoins, les ciments magnésiens présentent l’inconvénient d’une forte solubilité à l’eau, ce qui restreint son utilisation au sein des composites GRC. Différents adjuvants, de nature minérale ou organique, peuvent être ajoutés à la formulation initiale afin de rendre le ciment magnésien stable à l’eau. Les propriétés physico-chimique et mécanique du mortier sont très nettement améliorées par l’augmentation du rapport M gO/Sol. Ces amélio-rations portent essentiellement sur la porosité résultant d’un excédent d’eau de gâchage (Matray & Hamelin, 1991a). Un fluidifiant doit être ajouté à la formulation afin de compenser le fort rapport M gO/Sol (Matray & Hamelin, 1991b).
Les ciments sulfoaluminate de calcium CSA (de l’anglais Calcium SulfoA-luminate) ont été développés en Chine au cours des années 1970. L’hydrata-tion du ciment CSA ne conduit pas à la formaL’hydrata-tion d’hydroxyde de calcium. L’ettringite qui se forme dans ce cas mène à l’élaboration d’un système ci-mentaire à haute résistance en compression au jeune âge (40 MPa à 6 heures) et une ouvrabilité importante (environ 60 minutes). L’utilisation de matrice CSA est proposée par Péra (Péra & Ambroise, 2004) afin d’améliorer les performances mécanique de composites GRC (Cau et al. , 2009).
Récemment, les Ciments Phosphatiques Inorganiques (CPI) ont été déve-loppés comme alternatives aux liants hydrauliques pour la réalisation de com-posites GRC (Wastiels, 1999). Ces liants minéraux phosphatés sont neutres après durcissement, ce qui autorise l’utilisation de fibres de renfort en verre E. Une formulation spécifique est proposée afin de retarder la prise, sans perte de durabilité.
Afin de repousser les limites des GRC, l’utilisation de tissus de renfort est envisagée. Ces nouveaux matériaux TRC (Textile Reinforced Concrete) pré-sentent les avantages d’un taux de renfort plus important et de l’orientation des performances mécaniques. En revanche, les procédés de transformation des GRC ne sont pas adaptés à ces matériaux. Les propriétés rhéologiques de la matrice influencent significativement les processus de fabrication et les propriétés physico-chimiques du matériau composite à toutes les échelles (in-terface, pli élémentaire, composite et structure). La notion de multi-échelles peut être expliquée par la nature du renfort (voir figure 1.15 page ci-contre).