Chapitre III. Expérimentation du comportement thermomécanique des composite TRC
III.4 RESULTATS SUR LES ECHANTILLONS DE TRC AU REGIME TMFC
III.4.2 Diffusion thermique du composite F.GC2
Le Tableau 3.13 présente les résultats des essais de diffusivité thermique effectués sur des éprouvettes de cylindre F.GC2 à trois niveaux de température (20 °C, 75 °C et 150 °C). On peut observer que les deux méthodes calculées donnent la valeur convergente du coefficient de diffusivité. La valeur moyenne du coefficient de diffusivité a légèrement diminué avec les températures de 20 °C à 150 °C. La valeur du coefficient de diffusivité était de 0.46 mm2/s en moyenne à la température ambiante et de 0.39 mm2/s à 150 °C. La Figure 3. 22 montre l'évolution de la diffusivité thermique d'éprouvettes de F.GC2 en fonction de la température, comparée aux résultats expérimentaux obtenus sur des éprouvettes de TRC-PPS (mortier alumineux chargé de fibres de polypropylène) obtenus par Tlaiji et al [158] et les spécimens du béton de granulats légers obtenus par Nguyen et al [159].
Tableau 3. 13: Résultats de la diffusivité thermique d'éprouvettes de F.GC2 à différentes températures Eprouvette Diamètre
-
157-Figure 3. 22: Evolution de la diffusivité thermique du composite F.GC2 en fonction de la température
III.4.3 Discussion
Cette section présente des discussions concernant l’évolution de la résistance des TRC (la température de rupture et la durée d’exposition) en fonction du niveau de force appliqué et la contribution de protection thermique de la matrice réfractaire dans le composite TRC.
i. Evolution des résultats obtenus en fonction du niveau de force appliqué a) Température de rupture
La Figure 3. 23 présente l'évolution de la température à la rupture des éprouvettes TRC de carbone en fonction du niveau de force appliqué en comparant avec les résultats expérimentaux sur les matériaux composites au régime TMFC dans la littérature (3G.AR : matrice cimentaire renforcée par 3 maillages de textile de verre Tlaiji et al [156], H-CFRP matrice de polymère renforcée par fibres de carbone Nguyen et al [49]). A partir de la Figure 3. 23, on peut voir que les spécimens TRC de carbone ont fourni la meilleure capacité qu’autres matériaux composites pour soumettre simultanément la charge mécanique et les températures élevées. Le composite F.GC1 a donné une diminution progressive de la température de rupture avec deux intervalles du niveau de force appliqué: de 10% à 50% et de 50% à 75%. Ce changement de tendance décroissant peut être expliqué par la fissuration complète et l’ouverture considérable des fissures quand le niveau de force appliqué dépasse la valeur de 50%. Cela provoque la diminution de la contribution de la matrice réfractaire comme isolant thermique et le transfert thermique plus rapide à l’extérieur vers le textile de carbone GC1 à l’intérieur. C’est pourquoi qu’on peut voir une réduction plus rapide de la température de rupture dans le deuxième intervalle. Au contraire, F.GC2 a possédé une évolution de la température de rupture presque linéaire à partir de 944 °C à 472 °C. Cela démontre que le composite F.GC2 a meilleure stabilité au régime TMFC par rapport à F.GC1.
-
158-Figure 3. 23: Evolution de la température de rupture (Tr) en fonction du niveau de charge appliqué.
b) Durée d’exposition à température élevée
Les durées d’exposition des composites TRC de carbone à la température élevée sont illustrées par la Figure 3. 24. Pour le composite de F.GC1, comme le résultat de la température de rupture, la durée d’exposition diminue progressivement avec deux intervalles du niveau de force appliqué. On peut comprendre cela par la même explication à partir de la fissuration complète et de l’ouverture des fissures de plus en plus sur le corps d’éprouvette.
Cette valeur calculée par la norme ISO – 834 [157] est plus basse (un écart d’environ 10 minutes) que celle obtenue à partir des essais expérimentaux. Concernant l’évolution de la durée d’exposition à température élevée de F.GC2, il y a aussi une diminution avec deux intervalles dépendant du niveau de force appliqué : de 9% à 25% et de 25% à 71%. Ce résultat provient de la baisse très forte de la vitesse accroissant de température après avoir dépassé la température de 800 °C dans le four. L’évolution des durées d’exposition en calculant avec la courbe d’ISO-834 présente une similaire tendance mais avec une diminution totale plus grande.
-
159-Figure 3. 24: Evolution de la durée d’exposition à température élevée des TRC de carbone en fonction du niveau de force appliqué.
En comparant les deux résultats de F.GC1 et F.GC2 sur la durée d’exposition à température élevée, on peut trouver que les deux composites TRC ont donné presque même valeur de la durée d’exposition à température élevée au niveau de force appliqué de 50%. Cependant, F.GC2 a possédé une meilleure valeur au niveau de force inférieur à 50% par rapport sa résistance à température ambiante. Cela démontre la meilleure capacité de F.GC2 au régime TMFC, et montre encore une fois la rationalité de la composition entre le textile GC2 et la matrice cimentaire F.M dans le cas de renforcement des structures.
ii. Contribution de protection thermique de la matrice
Dans les éprouvettes TRC, la matrice réfractaire avait un rôle important de protection thermique afin de lutter contre l'action de la température sur le textile. Les bonnes propriétés thermique et mécanique du béton réfractaire à température élevée ont permis de résister plus long sous une sollicitation thermomécanique. Avec la force appliquée inférieure à la valeur limite de fissuration de la matrice, les composites TRC de carbone ont donné de bonnes valeurs de la température de rupture et de la durée d’exposition. En comparaison avec les résultats expérimentaux sur les textiles de carbone, on peut trouver une amélioration de résistance au feu présentant par l’augmentation de la température de rupture au même niveau de force appliqué (voir Figure 3. 25). Avec l’augmentation de la force appliquée, le transfert thermique dans la matrice dépende de l’apparence, la densité et l’ouverture des fissures sur le corps d’éprouvette. Donc, la contribution de protection thermique de la matrice réfractaire est diminuée de plus en plus. C’est pourquoi l’évolution de la température de rupture des TRC de carbone approche de plus en plus celle du textile de carbone quand le niveau de force appliqué est proche de 1. Pour le composite F.GC1, l’effet de la fissuration d’éprouvette sur la température de rupture est nettement observé dans la Figure 3. 25. On peut voir une évolution de la température de rupture avec deux intervalles, et une diminution presque similaire avec celle du textile de carbone dans le deuxième intervalle. Au niveau de force appliqué supérieur de 50%, l’éprouvette était complètement fissurée et en cours d’élargir des fissures sous la
-
160-force de traction. Donc, la matrice réfractaire a totalement perdu sa contribution de protection thermique pour le textile GC1. Pour le composite F.GC2 au niveau de force appliqué de 71%, l’éprouvette vient de dépasser la phase de fissuration de son comportement dans la première phase d’essai (phase d’augmentation de force jusqu’à la force souhaitée). Donc, la matrice cimentaire a suffisamment assuré une protection thermique pour le textile de carbone car l’ouverture des fissures sur son corps est encore petite. C’est pourquoi qu’il y a un écart environ de 200 °C entre deux évolutions pour F.GC2 et GC2.
Figure 3. 25 : Evolution de la température de rupture (Tr) en fonction du niveau de charge appliqué en comparant avec les résultats expérimentaux des textiles de carbone
III.4.4 Conclusion
La section III.2 présente tous les résultats obtenus à partir des essais au régime TMFC sur les éprouvettes de composite TRC (F.GC1 et F.GC2). A base des discussions dans la sous-section précédente, on peut conclure la section III.2 par quelques conclusions suivantes :
- Les composites TRC de carbone possèdent une meilleure capacité au régime TMFC par rapport aux autres composites. Parmi eux, F.GC2 donne les meilleures valeurs de la température de rupture et de la durée d’exposition à température élevée.
- La température de rupture et la durée d’exposition à température élevée de F.GC1 baisse de plus en plus avec deux intervalles dépendant du niveau de force appliqué : de 10% à 50% et de 50% à 75%.
- L’évolution de la température de rupture pour F.GC2 est presque linéaire, alors qu’il y a une extension de la durée d’exposition quand la température de rupture dépasse de 800 °C.
- La valeur de diffusivité thermique du composite F.GC2 (inférieure de 0.46 mm/s2), obtenue à partir d’essai de diffusion thermique, démontre cette capacité de protection thermique de la matrice réfractaire. Cependant, cette contribution de la matrice réfractaire dépend fortement de la force appliquée, qui provoque l’apparence et l’ouverture des fissures sur le corps de TRC.
-
161-III.5 CONCLUSION
Ce chapitre présente les travaux concernant d’une expérimentation du comportement thermomécanique de deux composites TRC, basés sur une même matrice de béton réfractaire, mais renforcés par deux textiles de carbone différents (GC1 et GC2). En poursuivant des paragraphes de ce chapitre, on peut comprendre clairement les procédures expérimentales de cette expérimentation. Les résultats obtenus montrent des points scientifiques sur le comportement thermomécanique du composite TRC à température élevée, tels que l’effet du taux de renfort, l’effet de l’action simultanée de force en traction et température élevée, l’effet du traitement par des produits ou de la géométrie des textiles de carbone sur les composites.
Ils présentent également l’évolution des propriétés thermomécaniques en fonction de la température, l’efficacité du textile de carbone dans le composite TRC à différentes températures. Ce chapitre donne des paramètres expérimentaux pour le modèle numérique développé dans le chapitre IV suivant.