comportement aux chocs des bétons de fibres Le comportement au choc des bétons de fibres est un thème récurrent dans la
3.3 Etude expérimentale du comportement dynamique
Des paragraphes précédents il ressort que l'expérimentation dynamique en traction directe des matériaux à matrice cimentaire est relativement complexe à mette en œuvre : rupture à des niveaux de très faibles extensions, filtrage des signaux, obtention d'un état de contrainte et de déformation homogène, nécessité d'utiliser différents appareillages pour couvrir des gammes de vitesses étendues. Finalement, la variété des dispositifs expérimentaux mis au point n'a pas facilité la compréhension des phénomènes mis en jeu et rendu difficile la comparaison entre matériaux testés. Si les paramètres gouvernant le comportement en traction uniaxiale de la matrice cimentaire sont désormais clairement identifiés, l'influence des fibres reste sujette à discussion. Les quelques rares essais dynamiques de pull-out menés ne concernent que des bétons armés, ou des éprouvettes bien peu représentatives du matériau effectivement mis en œuvre (quid de l'orientation préférentielle des fibres). Ceci explique que les auteurs analysent leurs résultats en terme d'énergie dissipée, paramètre qui se trouve être finalement peu sensible aux effets de vitesse, d'autant plus si l'on s'intéresse à des ouvertures de fissure importantes (le phénomène de friction étant prépondérant dans la phase post-localisation). Ils arrivent à la conclusion suivante : les bétons de fibres métalliques sont moins sensibles aux effets de vitesse que les bétons classiques, et l'amélioration de la qualité du béton accentue encore cette tendance. On est dans tous les cas bien loin du composite étudié ici, avec une matrice ultra compacte, dont le renfort est multi-échelles, avec une fraction volumique de 11%.
Ces constats ont guidé nos choix quant à la définition des dispositifs expérimentaux et des matériaux testés. Premièrement, il est apparu évident, suite à la campagne d'essai de traction directe (cf. partie 2.2.2) que ce dispositif n'était pas adapté pour une campagne d'essais dynamiques en raison du nombre de moules insuffisant (usinage spécifique), de la difficulté de mise en œuvre de l'essai (collage, bridage, précontrainte des mors), et du temps et des moyens humains nécessaires (impossibilité de réaliser un essai seul). De plus ce dispositif n'est pas transposable sur une autre machine, nécessaire pour les grandes vitesses de chargement. Le choix s'est donc porté sur des essais de flexion dynamique, semblables à ceux réalisés en statique et en fatigue.
Deuxièmement, il n'était pas question d'apporter de nouveaux résultats qui ne puissent être comparés avec ceux de la littérature. Cela nécessite donc d'accéder à la loi de comportement en traction uniaxiale du matériau, obtenue par une analyse basée sur une méthode inverse, telle que définie dans la partie 2.2.4.
Troisièmement, le choix du dispositif expérimental concernant les grandes vitesses de chargement s'est porté sur un dispositif block-barre, spécialement développé pour l'expérimentation dynamique, et validé par de nombreuses études (matériaux métalliques, composites, cimentaires). Robuste, fiable et facilement adaptable à notre problématique, nous avons utilisé le matériel du Laboratoire Mécanique et Matériau de l'IUT de Lyon I. Quatrièmement, il nous a semblé important de pouvoir quantifier l'apport des fibres (s'il existe) par rapport au même matériau non fibré. Notre étude porte donc à la fois sur le matériau composite fibré multi-échelles, et sur sa matrice de référence. L'obtention de cette dernière est rappelée par la suite ; elle est issue de la matrice du composite, mais est ajustée pour conserver une compacité maximale en l'absence des fibres.
Les quatre parties suivantes présentent la démarche effectivement adoptée, la description des deux dispositifs expérimentaux utilisés, les principaux résultats obtenus et leur dépouillement en vue de l'analyse qui sera conduite dans la partie 3.5 de ce chapitre.
3.3.1 Formulation et mise en œuvre
Formulation et mise en œuvre
Les formulations du composite cimentaire et de la matrice non fibrée sont synthétisées dans le tableau 1.6. Seule la géométrie de la macro-fibre diffère. Cette fibre présente une géométrie non déformée. Elle possède le même facteur de forme que celle relative à l’étude de flexion sur dallettes en régime quasi-statique, soit 80, mais est plus courte et possède un diamètre plus petit. Le nombre de macro-fibres par unité de volume est ainsi pratiquement doublé pour un même pourcentage volumique.
La fabrication reprend la même séquence de malaxage et la mise en œuvre s'effectue suivant le même protocole que pour les autres dallettes. Le malaxage de la matrice de référence est prolongé pour que sa durée totale soit identique à celle du composite fibré, cette dernière étant plus longue car elle nécessite l'introduction manuelle des méso- et macro-fibres après l'obtention d'un mélange homogène matrice - micro-fibres.
corps d'épreuve a été fabriqué pour cette étude, qui se répartissent ainsi :
− 45 éprouvettes pour les essais sur le composite cimentaire fibré multi-échelles,
− 18 pour les essais sur la matrice de référence,
− 6 pour des essais préalables sur la matrice fibrée,
− 6 pour des essais préalables sur la matrice non fibrée.
Le choix a donc été fait de réaliser un nombre important d’essais pour chaque gamme de vitesses (9 pour les dallettes fibrées). Ceci va dans le sens de l’étude statistique menée par Nataraja [Nataraja 1999] qui montre une forte dispersion des résultats sur béton ordinaire et fibré en terme de pic d’effort lors d’essais de choc (51 et 54%). La normalité de la distribution étant fortement remise en question. En complément, ont été coulés dix cylindres 11 x 22 cm pour le composite multi-échelles et six cylindres 11 x 22 cm pour la matrice de référence.
Homogénéisation des lots d'éprouvettes
Compte tenu du nombre d'éprouvettes (capacité maximale du malaxeur utilisé de 60 litres), cinq coulages ont été nécessaires pour le lot relatif au composite et deux pour celui relatif à la matrice de référence. Afin de s'affranchir ou du moins de réduire l'effet d'une éventuelle différence de comportement mécanique entre séries (en terme de dispersion des résultats et de niveau de contrainte au pic), chaque gamme de vitesses utilisait donc un lot d'éprouvettes faisant intervenir les cinq gâchées. La nomenclature des éprouvettes prenait en compte le type de moule (ancien ou récent) car il est apparu avec l'usure de ceux-ci que de l'air pouvait éventuellement s'infiltrer entre le fond et les pieds droits du moule au moment de la vibration, désorganisant un peu le matériau. Une dallette est donc référencée de la manière suivante :
Date de fabrication - n° série – n° éprouvette – Type de moule
3.3.2 Montages et procédures expérimentaux
Dispositif en statique rapide
Il s’agit d'essais de flexion 4 points dont le montage est identique à celui relatif à l’étude sur le comportement en flexion en régime quasi-statique de dallettes). Les appuis supérieurs du bâti de flexion sont donc espacés de 140 mm et la portée entre appuis inférieurs est de 420 mm. Deux instrumentations sont mises en place au moyen de capteur LVDT de 10 mm de course, l'un pour la mesure de la flèche, l'autre pour la mesure de la déformation moyenne dans la zone de moment constant. L'asservissement est assuré par un automate programmable de chez MTS (TestStar) ce qui permet l'acquisition des données à la vitesse de 5000 scrutations/sec. Les essais sont pilotés à vitesse de vérin imposée. Compte tenu des contraintes imposées par le groupe hydraulique, trois vitesses ont été retenues qui sont respectivement égales à :
− Vitesse lente VL = 3.3 x 10-3 mm.s-1, vitesse relative à un essai statique
− Vitesse moyenne VM = 3.3 x 10-1 mm.s-1, vitesse intermédiaire
La dernière vitesse, la plus rapide, constitue une limite liée à la capacité du groupe hydraulique de la presse utilisée (50 litres/minute). Le dispositif expérimental est celui présenté dans la Figure 2.5.
Dispositif en dynamique
Afin d'explorer des gammes de vitesse plus élevées, un deuxième dispositif expérimental à été utilisé. Il s'agit d'un dispositif du type block-barre conçu et développé par le Laboratoire Mécanique Matériaux (L2M). Cet appareillage se rapproche de celui des barres de Hopkinson, puisque la mesure des efforts transitant dans l'échantillon se fait au moyen d'une barre de mesure (appelée barre sortante) instrumentée de jauges de déformation convenablement disposées. La principale différence concerne le dispositif de chargement, qui est réalisé directement par l'impacteur, et non via une barre entrante (semblable à la barre sortante) ; la propagation des ondes ne peut donc plus être représentée par un train d'ondes planes de compression. Pour autant, l'état de contrainte et de déformation dans la dallette durant l'essai étant très hétérogène (sollicitation de flexion dans une mini structure), cela relève d'une moindre importance que lorsque l'on souhaite obtenir une réponse intrinsèque au matériau testé.
Schémas de principe
Le dispositif permet la mesure de la force d’écrasement subie par une éprouvette durant un impact : ce dispositif a été modifié pour réaliser un essai de flexion. Le principe consiste à propulser un obus sur un élément de structure dont on veut déterminer l'aptitude à résister à un impact. Le block-barre permet en fait de mesurer la force d'écrasement de l'échantillon à tester au cours du temps. Plus précisément, l'obus est propulsé par un canon à air comprimé. Sa masse peut aller jusqu'à 350 kg et sa vitesse jusqu'à 70 km/h. Dans les essais qui suivront nous avons adopté une masse de 50 kg et une vitesse de 20 km/h. Dans le cas où l'on procède à un essai d'écrasement (par exemple pour tester des absorbeurs d'énergie), l'échantillon est collé à une extrémité de la barre de mesure. Les caractéristiques mécaniques du projectile et de la barre de mesure sont données dans le Tableau 3.1.
La Figure 3.2 montre le dispositif qui se décompose en trois parties :
− Le canon à air comprimé et le projectile
− La barre de mesure et son instrumentation
− L'absorbeur hydraulique : il sert uniquement à arrêter la barre de mesure
Tableau 3.1 - Caractéristiques géométriques et matérielles du bloc-barre