Matériaux composites de polymère renforcé de fibres

de rapport eau/ciment de 0,35 et comportant de la fumée de silice sont de mêmes ordres de grandeur. La qualité du mortier est le paramètre qui contrôle le plus la perméabilité des bétons à haute résistance indépendamment du type de gros granulat utilisé ;

– La perméabilité aux ions chlorures est pratiquement la même que celle du béton de densité normale.

Hwang and Hung [2005] ont mené des recherches approfondies pour comparer les performances du béton léger de différents rapports eau/ciment et différentes proportions de pâtes cimentaires avec des étalements variant entre 550-650 mm. Les résultats des essais ont indiqué que l’utilisation d’une pâte de ciment adéquate avec des granulats de masses volumiques adéquates améliore la résistance à la compression et diminue la perméabilité aux ions chlorures.

2.4 Matériaux composites de polymère renforcé de fibres

2.4.1 Introduction

Un matériau composite est un ensemble de matériaux différents dans leur forme ou leur composition à l’échelle macroscopique [CAN/CSA S806-12, 2012]. Les matériaux composites de polymère renforcé de fibres (PRF), depuis leur introduction dans l’industrie de la construction il y a plus d’une quarantaine d’années ont connu une évolution en com- paraison avec les matériaux de construction traditionnels. Les matériaux composites de PRF sont utilisés dans plusieurs domaines du génie civil en fonction de leurs avantages et limitations. Les matériaux composites de PRF sont généralement utilisés dans la construction de structures entières en PRF, en renforcement de structures métalliques ou en béton armé, ou en replacement des structures de tablier de ponts avec un système de fibres/- matrice [Hollaway and Hackman, 2002]. L’efficacité des systèmes de renforcement à base de PRF a été prouvée expérimentalement à travers de nombreux projets de recherche à travers le monde. Des modèles analytiques ainsi que des codes et guides de conception ont été développés pour aider les ingénieurs dans la conception de structures incorporant les PRF (CAN/CSA S806-12; CAN/CSA S808 :14; CAN/CSA S6 :19; CAN/CSA S807 :19 ; ACI 440.6; ACI 440.7R; ACI 440.3R; ACI 440.1R; ACI 440.2R).

Les matériaux composites de PRF sont constitués d’une matrice et de fibres. Les fibres ont une résistance supérieure aux matrices (figure 2.17). Les fibres les plus utilisées sont la fibre de verre, la fibre de carbone, la fibre d’aramide et la fibre de basalte. Les types de fibres de verre couramment utilisés sont : le type E (électrique), le type S (résistance), le type AR

26 CHAPITRE 2. REVUE DE LITTÉRATURE (résistance aux alcalis). Les fibres de type E présentent des propriétés d’isolation électrique très élevées, une faible sensibilité à l’humidité et des propriétés mécaniques élevées. Les fibres de type S sont plus coûteuses, mais elles ont un module et une résistance à la traction élevés. Les fibres de type AR sont par contre résistantes aux attaques alcalines. La fibre de verre offre un rapport coût/résistance supérieur aux autres fibres, ce qui fait qu’elle est la plus utilisée dans les applications de génie civil.

Quant aux résines, elles ont pour principal rôle de revêtir les fibres et de les protéger contre d’éventuelle abrasion, de permettre le transfert et la redistribution des charges entre les fibres [Benmokrane, 2015]. Les propriétés physiques et thermiques de la matrice affectent de manière significative les propriétés mécaniques finales ainsi que le processus de fabrication. Il existe des résines thermoplastiques et des résines thermodurcissables. Les résines communément utilisées sont les résines thermodurcissables. Dans leur forme initiale, les résines thermodurcissables sont généralement liquides ou solides avec un point de fusion faible et elles sont durcies avec un catalyseur et de la chaleur, ou une combinaison des deux. Contrairement aux résines thermoplastiques, une fois durcies, les résines thermodurcissables ne peuvent pas être remodelées ou converties à leur forme liquide initiale. Les résines thermodurcissables les plus couramment utilisées dans l’industrie des composites sont des résines époxy, des polyesters et des esters vinyliques. Les additifs peuvent être mélangés avec la résine pour améliorer les performances, et réduire les coûts du matériau composite obtenu. Seules les résines thermodurcissables sont acceptées par les codes et guides de calcul actuels.

Au Canada, les travaux du centre d’excellence ISIS Canada d’une part, de la chaire indus- trielle CRSNG sur les matériaux composites novateurs de PRF et de la chaire du Canada en matériaux composites d’avant-garde pour les structures de génie civil d’autre part ont contribué à l’avancement des applications des matériaux de PRF en génie civil. Au Québec plus particulièrement, plusieurs projets de recherches ont été réalisés entre le Ministère des Transports et l’Université de Sherbrooke. Les applications concernent en grande partie des ponts et des autoroutes [Ahmed et al., 2014; Ahmed and Benmokrane, 2011; Ahmed et al., 2013; Benmokrane et al., 2004, 2007a, 2020b; Bouguerra et al., 2011; El-Gamal et al., 2005, 2007; El-Ragaby et al., 2007a,b; El-Salakawy and Benmokrane, 2003; El-Salakawy et al., 2003a, 2005, 2003b, 2004].

2.4. MATÉRIAUX COMPOSITES DE POLYMÈRE RENFORCÉ DE FIBRES 27

Structures en béton armé de barres en PRF

4.2 GCI 717 hiver 2009

4.3 Constituants des PRF

/HV SURGXLWV HQ 35) VRQW GHV PDWpULDX[ FRPSRVLWHV FRQVWLWXpV G·XQH PDWULFH

UpVLQH HW GH ILEUHV &RPPH LO HVW PRQWUp j OD ILJXUH OHV ILEUHV VRQW SOXV

UpVLVWDQWHVTXHODPDWULFH$ILQG·DVVXPHUFRUUHFWHPHQWOHXUIRQFWLRQGHUHQIRUW

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PDWULFH HW GX SURFpGp GH IDEULFDWLRQ &H GHUQLHU DVSHFW HVW VLJQLILFDWLI FDU XQ

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O·REWHQWLRQ G·XQ SURGXLW GH TXDOLWp 3DU FRQVpTXHQW GHV SURGXLWV HQ 35) IDLWV

DYHFOHVPrPHVILEUHVUpVLQHVHWUDSSRUWVYROXPLTXHVHQILEUHVSHXYHQWSUpVHQWHU

GHV SURSULpWpV PpFDQLTXHV WUqV GLIIpUHQWHV 'HV DGGLWLIV HW GHV FKDUJHV DGDSWpV

DX[V\VWqPHVGHILEUHVHWGHUpVLQHVVRQWDMRXWpVSRXUPRGXOHUODSRO\PpULVDWLRQ

HW G·DXWUHV UDLVRQV /D FRQFHQWUDWLRQ GHV GLOXDQWV WHOVTXH OHV VW\UqQHV HW FHOOH

GHVDGGLWLIVDQWLUHWUDLWGHGRLYHQWSDVH[FpGHUUHVSHFWLYHPHQWHWGHOD

PDVVHGHODUpVLQHGHEDVH'HVFKDUJHVLQRUJDQLTXHVSHXYHQWrWUHDMRXWpHVPDLV

OHXU FRQFHQWUDWLRQ QH GRLW SDV H[FpGHU GH OD PDVVH GH OD UpVLQH GH EDVH

'·DXWUHVDGGLWLIVWHOVTXHGHVDJHQWVGHFRXSODJHGHVDJHQWVGHGpPRXODJHGHV

LQLWLDWHXUV GHV GXUFLVVHXUV GHV DFFpOpUDWHXUV GHV FDWDO\VHXUV 89 GHV

LJQLIXJHDQWV GHV DJHQWV GH PRXLOODJH GHV DJHQWV PRXVVDQWV HW GHV SLJPHQWV

SHXYHQWrWUHDMRXWpV,6,63URGXFW&HUWLILFDWLRQ

Figure 4.2 : Courbes contrainte/déformation des PRF, des fibres et de la matrice

4.3.1 Fibres

/HV ILEUHV XWLOLVpHV SRXU OD IDEULFDWLRQ GHV 35) GRLYHQW DYRLU XQH UpVLVWDQFH

pOHYpH XQH ERQQH ULJLGLWp HW XQH JUDQGH WpQDFLWp (OOHV GRLYHQW DXVVL rWUH

GXUDEOHVHWGHIDLEOHFRW/HVSHUIRUPDQFHVGHVILEUHVVRQWDIIHFWpHVSDUOHXU

ORQJXHXUODIRUPHGHOHXUVHFWLRQWUDQVYHUVDOHHWOHXUFRPSRVLWLRQFKLPLTXH/HV

ILEUHV VRQW GLVSRQLEOHV VRXV GLIIpUHQWHV VHFWLRQV WUDQVYHUVDOHV HW HQ GLIIpUHQWHV

WDLOOHV/HVILEUHVOHVSOXVFRPPXQpPHQWXWLOLVpHVSRXUOHV35)VRQWOHFDUERQH

OHYHUUHRXO·DUDPLGH/HVSURSULpWpVPpFDQLTXHVW\SLTXHVGHFHVPDWpULDX[VRQW

LQGLTXpHVDXWDEOHDX/HFRHIILFLHQWG·H[SDQVLRQWKHUPLTXHGHVILEUHVGDQVOD

Contrainte [MPa] Déformation PRF Fibres Matrice 1800-4900 0,4 - 4,8 % >10 % 600-3000 34-130

Figure 2.17 Courbe contrainte-déformation des PRF, des fibres et de la matrice, (adapté de Rizkalla [2001])

2.4.2 Propriétés physiques et mécaniques des barres de PRF

Les barres de PRF peuvent être obtenues par pultrusion qui est la méthode la plus utilisée pour leur fabrication (figure 2.18). Le type de résine définit le mécanisme de rupture de la barre. La plupart des normes et guides de conception actuels ne tiennent pas compte des capacités des barres de PRF en compression. Le comportement en traction des barres en PRF est caractérisé par une relation contrainte-déformation linéaire élastique jusqu’à la rupture (figure 2.17). Le tableau 2.2 compare les propriétés en traction de barres d’acier avec celles en polymère renforcé de fibres de verre (PRFV), de fibres de carbone (PRFC) et de fibres d’aramide (PRFA).

Tableau 2.2 Résistances à la traction de barres d’armature, (adapté de ACI 440.1R-15)

Propriétés Acier PRFV PRFC PRFA

Limite élastique (MPa) 276 - 517 - - -

Résistance à la traction (MPa) 483 - 1600 483 - 690 600 - 3690 1720 - 2540 Module d’élasticité (GPa) 200 35 - 51 120 - 580 41 - 125 Déf. limite élastique (%) 0,14 - 0,25 - - - Déf. à la rupture (%) 6 - 12 1,2 - 3,1 0,5 - 1,7 1,9 - 4,4

28 CHAPITRE 2. REVUE DE LITTÉRATURE                                                                                                                                                                                                                                                                                      

Mat de fils continus

Plaques de guidage Voile de surfaçage Écran de contrôle Extracteurs alternatifs Scie Bobines de fibres Bac de résine Préformage

Fibrage et filière de cuisson

Figure 2.18 Procédé de fabrication par pultrusion, (adapté de Goncalves and Margarido [2015])

2.4.3 Durabilité des matériaux composites de PRF

La question de durabilité des renforcements internes et externes en PRF pour les structures en béton a fait l’objet de très nombreuses études et recherches au cours des trois dernières décennies [Banthia et al., 2006; Benmokrane et al., 2007b, 2006]. Des conférences interna- tionales spécialisées traitant spécifiquement de cette thématique ont été organisées dont notamment la série CDCC - Conférence sur la Durabilité des Composites en Construc- tion et Réhabilitation [Benmokrane and El-Salakawy, 2002, 2007; Benmokrane et al., 2011, 2017; Benmokrane and Rahman, 1998]. Aussi bien les essais de vieillissement accéléré en la- boratoire que les études sur des ouvrages sur le terrain ont démontré que les renforcements en PRF ont un très bon comportement [Benmokrane et al., 2020a, 2018; Manalo et al., 2020]. Les normes et guides de conception de structures telles que CSA S6 [CAN/CSA S6 :19, 2019], CSA S806 [CAN/CSA S806-12, 2012], AASHTO [AASHTO LRFD, 2018], ACI [ACI 440.3R; ACI 440.9R; ACI 440.9R; ACI 440.1R], et FIB [FIB, 2013] ont introduit des valeurs de coefficient de tenue, de coefficient de réduction environnemental, de défor- mations limites sous charge de service, de fluage et de fatigue très conservatrices. Aussi, des réglementations canadiennes ont été développées pour l’homologation et la certifica- tion des renforcements en PRF comme les normes CSA S807 [CAN/CSA S807 :19] pour l’armature pour les structures en béton et CSA S808 [CAN/CSA S808 :14] pour les sys- tèmes de renforcement externe pour les structures en béton existantes. Ces normes CSA émettent des critères tant sur les propriétés physiques et mécaniques que de durabilité afin de s’assurer de la qualité et de la performance à long terme.

Dans le document Étude du comportement de poteaux en béton autoplaçant léger armé de PRF sous charges axiales et excentrées (Page 51-55)

Matériaux composites de polymère renforcé de fibres

2.4