2.3 Le composite plâtre/fibres
2.3.2 Evaluation de la fraction volumique
Le taux de fibres dans un composite est un paramètre majeur pour les performances du nouveau matériau. Il peut être nuisible [62] dans certaines matrices s’il est important et souhaité pour d’autres. Sa détermination est donc importante pour la connaissance du nouveau matériau et la prédiction de ses performances. Ceci justifie que des méthodes soient recherchées pour son évaluation précise. On distingue les méthodes destructives et les méthodes non destructives [63].
2.3.2.1 Evaluation par destruction du composite après mise en forme
2.3.2.1.1 Procédé A défaut d’observer les fibres dans la matrice et en évaluer la proportion, il est possible de détruire un échantillon et peser ses constituants. A partir des masses volumiques, les volumes des constituants sont évalués (Vf pour les fibres et
Vm pour la matrice). Le volume de l’éprouvette Vc étant connu, le taux de fibres νf est
évalué avec la formule ci-dessous.
µf =
Vf
Vc
100 ( 2.4)
Fig. 2.8 – Image MEB du composite plâtre/sisal à des échelles de gros- sissements différents
2.3.2.1.2 Résultats La méthode est appliquée sur quatre éprouvettes : deux avec des fibres orientées suivant quatre directions (F4D) et deux autres avec des fibres non orientées (FNO). Les résultats sont présentés dans le tableau 2.5.
Masse du Masse des Fraction Volume du Masse volumique Volume des Fraction
composite fibres massique composite des fibres fibre volumique
(g) (g) des fibres (%) (cm3) (g/cm3) (cm3) des fibres (%)
Plâtre/RC F4D 84,93 3,44 4,05 156,35 0,95 3,63 2,32
PLâtre/Sisal F4D 84,5 2,22 2,63 151,47 1,35 1,64 1,08
Plâtre/RC FNO 79,95 3,17 3,96 161,41 0,95 3,35 2,07
Plâtre/Sisal FNO 80,47 1,67 2,07 125,59 1,35 1,23 0,98
Tab. 2.5 – Fraction volumique des fibres évaluées par destruction du composite après mise en forme
2.3.2.2 Evaluation par pesée des fibres à la mise en forme
Les fibres à utiliser pour la mise en forme de l’éprouvette sont pesées, soit mf la masse
obtenue. Le volume V de l’éprouvette est évalué ; à partir de la masse volumique ρf de
la fibre, la fraction volumique Vf est calculée par la relation (2.4).
Vf =
mf
ρfV
( 2.5) Cette méthode est utilisée pour calculer la fraction volumique des fibres dans les éprou- vettes destinées aux essais de traction et de flexion. Les valeurs obtenues sont récapitulées dans le tableau 2.6.
2.3.2.3 Evaluation par tomographie
2.3.2.3.1 Principe L’appareil utilisé est un micro-tomographe SkyScan Model 1174. L’objectif de la tomographie (Figure 2.10) est de reconstituer une image 3D d’un échan- tillon en le soumettant à une émission de rayons X. Chaque point de l’image projetée
Fig. 2.9 – Image MEB du composite plâtre/RC à des échelles de gros- sissement différents
Eprouvettes pour essais de traction Eprouvettes pour essais de flexion
Plâtre/sisal unidirect. 27,5 1,12
Plâtre/RC unidirect. 18 1,60
Plâtre/RC architecture variée
Fibres tissées 3,92 3,34
Fibres non orientées 3,92 3,37
Fibres unidirect. libres 3,92 3,34
Tab. 2.6 – Fractions volumiques en (%) évaluées par pesée à la mise en œuvre
contient les informations d’absorption (densité) des rayons X de l’échantillon analysé. Plu- sieurs projections radiographiques sont prises sous différents angles balayant une plage de 0 a 360◦. Les images obtenues sont des cartes 2D de la distribution du coefficient d’atté- nuation des rayons X. A partir de l’intensité du rayonnement transmis pour une position angulaire, on peut reconstruire une image, puis différencier les matériaux présents en tenant compte de la variation du coefficient d’atténuation (cette atténuation du rayon- nement est créée par la présence de l’objet) et de l’énergie initiale des rayons. Plus le nombre atomique de la matière est grand, plus l’absorption du rayonnement par celle-ci est grande. A partir des images 2D obtenues, on peut alors reconstituer des images 3D, en les empilant. Des logiciels spécifiques associés au système d’acquisition permettent de reconstruire numériquement l’échantillon à partir du signal (intensité de l’onde électroma-
gnétique) recueilli, et d’en extraire des données scientifiques caractéristiques du spécimen étudié (porosité, répartition surfacique des constituants, spectre d’absorption,...). Asso- cié à un système informatique, la micro-tomographie permet en général une résolution spatiale très fine de 5 à 20 micromètres. La qualité de l’image est fonction du nombre de projections effectuées et le nombre de mesures faites par projection. Il faut noter que le temps d’analyse est proportionnel au nombre de projections. Cette technique est bien adaptée pour évaluer le taux de fibres dans un échantillon de matériau composite.
Fig. 2.10 – Principe de la micro-tomographie a- Micro-tomographe SkyScan Model 1174 b- principe de prise d’images à recons- tituer
2.3.2.3.2 Résultats Un échantillon de plâtre renforcé de fibres de RC a été observé. Les images obtenues ne sont pas exploitables et l’évaluation de la distribution des fibres n’est pas obtenue par cette méthode.
2.3.2.4 Evaluation par Imagerie
La fraction volumique des fibres peut être également déterminée à partir de l’étude de la microstructure [64] des échantillons en utilisant des méthodes d’analyse d’image. Les échantillons sont observés au microscope électronique pour identifier la disposition des fibres. Des images micrographiques sont prises par portion sur toute la surface. A l’aide d’un logiciel de traitement d’images, elles sont superposées et ajustées pour reconstituer l’image de la surface. Il est alors possible de quantifier la proportion de fibres dans le matériau.
Cette méthode n’a pu être mise en œuvre en raison de la mauvaise qualité des images obtenues.
2.3.2.5 Comparaison des méthodes
L’évaluation de la fraction volumique suivant les deux premières méthodes a été effec- tuée sur un échantillon de plâtre/RC, les valeurs comparées sont indiquées dans le tableau 2.7.
Par pesée à la Par destruction après Ecart mise en forme la mise en forme
Fraction volumique fibres 3,34 3,18 5%
Fraction massique fibres 4,15 3,91 6%
Tab. 2.7 – Fractions volumiques comparées en (%) obtenues par deux méthodes
Nous avons souhaité faire une comparaison des différentes méthodes et identifier la plus précise, mais les méthodes par tomographie et imagerie n’ayant pas donné les résultats escomptés, les résultats obtenus par pesées seront exploités. On enregistre un écart de 5 à 6 % entre elles. La méthode par pesée des fibres avant la mise en forme donne, à notre avis, des valeurs apparentes parce que le volume de l’éprouvette contient le volume de la porosité dont la masse est nulle.
Conclusion
Dans ce chapitre, les caractéristiques physicochimiques du plâtre, des fibres de sisal et de RC sont présentées. On retient que la texture du plâtre étudié est de grande porosité soit prêt de 62%. Sa microstructure est constituée d’aiguilles enchevêtrées et collées sans orientation privilégiée les unes aux autres. Les fibres de sisal et de RC sont à fort taux de cellulose (entre 49 et 78,8%). La fibre de RC est tubulaire et poreuse (28,31 à 35,5% de porosité). La microstructure du composite plâtre/fibres est également observée. Elle montre une interface faible.
Les fractions volumiques des fibres ont été évaluées en utilisant plusieurs méthodes. Seuls les résultats des méthodes par pesée des fibres avant la mise en œuvre sont exploi- tables. Les valeurs obtenues sont approximatives du fait que la porosité, qui est considé- rable, ne soit pas prise en compte.
Les caractéristiques mécaniques de ces mêmes matériaux sont mesurées dans le cha- pitre qui suit.
Approche expérimentale du
comportement mécanique
Sommaire
3.1 Caractérisation des constituants . . . 80 3.1.1 Caractérisation en traction des fibres . . . 80 3.1.2 Caractérisation du plâtre non renforcé . . . 85 3.1.3 Caractérisation de l’interface . . . 91 3.1.4 Conclusion sur la caractérisation des constituants . . . 98 3.2 Caractérisation du composite plâtre/sisal . . . 99 3.2.1 Essai de traction . . . 99 3.2.2 Essai de flexion trois points . . . 103 3.3 Caractérisation du composite plâtre/RC . . . 106 3.3.1 Essai de traction . . . 106 3.3.2 Essai de flexion trois points . . . 108 3.4 Influence de l’architecture du RC . . . 111 3.4.1 Fibres non orientées . . . 111 3.4.2 Fibres unidirectionnelles libres . . . 115 3.4.3 Fibres tissées . . . 120 3.5 Etude comparative des résultats . . . 125 3.5.1 Traction . . . 125 3.5.2 Flexion . . . 125 3.5.3 Influence de l’architecture du RC . . . 126 3.5.4 Conclusion sur l’étude comparative . . . 129 3.6 Conclusion . . . 129
Introduction
Le chapitre précédent a présenté les caractéristiques physiques et chimiques des ma- tériaux en étude : le plâtre, la fibre de sisal et la fibre de RC. Ce chapitre quant à lui se consacre à déterminer leurs caractéristiques mécaniques. La caractérisation des consti- tuants est d’abord menée : la fibre de sisal, la fibre de RC, le plâtre pris gâché à E/P=1 non renforcé et l’interface plâtre/fibres. Par la suite, le matériau résultant du mélange plâtre/fibres est caractérisé en traction et en flexion trois points. Un examen de l’in- fluence de l’architecture des fibres de RC est fait en traction et en flexion ainsi qu’une comparaison des performances du renforcement par le RC par référence au sisal.