Les fibres de verre

Ce type de fibres contient plus de 50%massique de silice (SiO2) et entre 0% massique et 25% massi- que d'alumine (Al2O3). Le reste de la composition est principalement constitué d'oxydes (calcium,

magnésium, bore, sodium, potassium...) [49].

Les fibres à bas module d’Young, comme les fibres de verre, ont généralement un coeffi- cient de Poisson élevé. Ainsi, un étirement axial provoque une contraction latérale importante. Lors de la sollicitation mécanique d'un composite fibre/béton, ce phénomène entraîne la forma-

tion d'une contrainte radiale en tension, élevée à l'interface, qui peut conduire à une décohésion de l’interface puis au déchaussement de la fibre [24]. Pour un transfert de charge efficace, le fac- teur de forme doit atteindre une valeur critique. Les fibres de verre sont extrêmement fragiles, avec des propriétés mécaniques relativement moyennes, qui seront davantage détaillées dans le chapitre 2 pour celles considérées dans la présente étude. La présence de microfissures situées en surface, inhérentes à leur élaboration, contribue à la limitation de ces propriétés [48]. Pour facili- ter le filage des fibres de verre, l’ajout d’oxyde de bore permet de diminuer la viscosité et la tem- pérature de mise en œuvre mais les propriétés mécaniques s’en trouvent réduites. Les fibres de verre à plus haute résistance mécanique ne contiennent ni oxyde de bore, ni oxyde alcalin dans leur composition. Celles-ci ont des viscosités nettement plus élevées à l’état fondu et doivent être filées à des températures plus hautes, conduisant à une augmentation de leur prix de revient [2].

Les fibres de verre trouvent des applications dans un large éventail de marchés [48]. Elles sont notamment utilisées en aéronautique, dans l’automobile et dans la marine pour jouer le rôle de renforts dans les composites à matrice organique. Toutefois, d’autres ont été spécifiquement développées pour des applications en génie civil comme les fibres alkali-résistantes qui renforcent les bétons ou les ciments [24, 48, 49].

Ainsi, la fibre de verre est utilisée pour le renforcement des ciments [2, 49] notamment pour le renforcement de pièces de revêtement et/ou de décors pour le bâtiment. Cependant, l’utilisation importante des fibres de verre dans les ciments n’est que la conséquence de la mise au point de fibres au vieillissement très lent. En effet, comme le ciment est un milieu alcalin, la fibre de verre a tendance à se dégrader rapidement, ce qui entraîne des problèmes de résistance méca- nique. Des études ont alors été menées pour déterminer la résistance des verres aux alcalins [24, 48]. La résistance du verre E est très insuffisante. Antérieurement, en cherchant pour l’industrie chimique des verres résistants aux solutions fortement alcalines, une teneur élevée en oxyde de zirconium a prouvé son efficacité. La première de telles compositions, développée par Pilkington vers 1970, est une fibre de verre AR connue sous le nom commercial de « CEMFIL® _{» [2]. C’est}

un compromis satisfaisant entre les caractéristiques de fibrage, de performance et de coût.

Compte tenu des nombreuses applications possibles, plusieurs types de fibres de verre is- sues d’une production industrielle existent [50]. Les fibres suivantes sont couramment intégrées à des bétons :

– Fibre de verre E $ Fibres de verre à usage général développées initialement pour leurs bonnes propriétés d'isolation électrique, également utilisées pour le renfort de tous les matériaux composites à matrices organiques.

– Fibre de verre R $ Fibres à haute résistance mécanique principalement composées de silice et d'alumine. Absence dans leur composition de constituants dits fon-

dants - car ils diminuent la température de fusion des mélanges - ce qui lui

confère une meilleure tenue en température que les fibres de verre E. – Fibre de verre AR $ Fibres aux propriétés mécaniques similaires aux fibres de verre E, la

teneur élevée en oxyde de zirconium les rend résistantes en milieu basique. La fibre de verre E, identifiée dès les années 1930 comme le matériau du futur pour l'isola- tion des conducteurs électriques à hautes températures, a été introduite dans des bétons alumi- neux au cours des années 1970 [24]. Ainsi, l'effet des fibres sur les propriétés mécaniques de bé- tons ou de ciments renforcés a été étudié. Des analyses microstructurales, menées au MEB, ont notamment concerné la cohésion aux interfaces fibre/matrice. Comme le montre la Figure 1.42, des particules de ciment adhèrent à la surface des fibres, prouvant une bonne cohésion d’interface. De plus, le déchaussement des fibres démontre également l’effet bénéfique des fibres sur le renforcement du ciment. En effet, les mécanismes mis en jeu pour permettre le déchaus- sement sont équivalents aux phénomènes décrit à la Figure 1.21.

Figure 1.42 Micrographie d’un faciès de rupture d’un béton de génie civil fibré : observation de l’interface fibres de verre E/ciment Portland. [24]

Les fibres de verre R ont été créées à la demande des secteurs industriels, comme le secteur aéronautique, pour répondre à des spécifications de résistance des matériaux composites à la fati- gue, à la température ou à l'humidité.

Les filaments de verre AR (Alcali-Résistant) ont été développés spécialement pour le renfor- cement des mortiers à base de ciment. Ils ont pour particularité d’avoir une teneur élevée en oxyde de zirconium et en soude. Dans ces fibres, le zirconium se concentre en surface et confère à la fibre une bonne résistance aux composés alcalins générés lors de la prise [37]. Le renforce- ment du ciment avec ces fibres lui donne une meilleure contrainte à la rupture. De plus, il s’avère que ces fibres présentent aussi une excellente résistance à la corrosion acide, meilleure que celle de tous les verres utilisés pour les fibres de renforcement [49].

L'élaboration des fibres de verre comprend trois étapes principales [49, 51, 52] : le fibrage, l'étirage et l'ensimage.

Le fibrage : A la sortie du four (1550°C), le verre s’écoule par gravité à travers des filières chauf-

fées (1250°C) en alliage de platine et de rhodium. Il en ressort à l'état plastique, est ensuite étiré à grande vitesse, puis refroidi pour former des filaments de 5 à 25 micromètres de diamètre.

L'étirage :

- mécanique par filage à grande vitesse (55 à 60m/s), qui donne un fil de base continu de

50 à 1 500 filaments plus ou moins fins, appelés « silionnes ».

- pneumatique, qui produit une mèche de fibres discontinue (longueur comprise entre 5

et 80 cm) appelée « verranne ».

L'ensimage : C’est une dispersion aqueuse déposée sur les filaments qui assure plusieurs fonc-

tions :

- lier les filaments entre eux pour former des fils,

- lubrifier les filament pour faciliter les tissages ultérieurs,

- protéger l’intégrité physique de la fibre durant les manipulations, - éliminer les charges électrostatiques,

- permettre la compatibilité verre-résine en qualité d’agent de couplage dans les composi-

tes pour se lier chimiquement à une matrice organique.

L’ensimage est très important car le verre est très sensible aux manipulations. Ces derniè- res sont susceptibles d’induire des défauts de surface et de diminuer la résistance mécanique des fibres. L’ensimage des filaments comporte également un agent de couplage capable d’augmenter l’adhésion entre la fibre et une matrice polymère. La fibre de verre est un constituant fortement flexible compte tenu de son petit diamètre et de son faible module d’Young. Les fibres de verre ont un rapport prix/performances mécaniques intéressant, une dilatation et une conductivité thermique faibles. Certaines fibres, comme la fibre de verre R, ont une haute résistance mécani- que. En revanche, leur module d’élasticité est généralement faible comparé à ceux des fibres de carbone, aramides ou céramiques. De plus, les fibres de verre ont tendance à vieillir au contact de l’eau.