M SHERBROOKE
Faculte de genieDepartement de genie civil
ETUDE DE LA PERFORMANCE DE BARRES DE RENFORCEMENT
INTERNE EN PRF SOUMISES A DES CONDITIONS
ENVIRONNEMENTALES EXTREMES
These de doctorat es sciences appliquees Speciality : genie civil
Mathieu ROBERT
Jury: Dr Brahim BENMOKRANE (Directeur) Dr Hubert CABANA (Rapporteur)
Dr Johanne DENAULT (Examinateur externe) Dr Said ELKOUN (Examinateur)
Dr Patrice COUSIN (Examinateur)
1*1
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• • I
Canada
RESUME
Les materiaux polymeres renforces de fibres (PRF) sont de plus en plus utilises dans les ouvrages du genie civil a cause de leurs nombreux avantages par rapport a l'acier d'armature. Toutefois, certaines conditions d'application peuvent potentiellement affecter leur durabilite, rendant cruciales les etudes exhaustives de leur durabilite a long terme pour permettre leur plein developpement. Plusieurs agresseurs de renvironnement d'application des barres de PRF peuvent potentiellement alterer les proprietes de ces dernieres a court ou a long terme. Plusieurs etudes portant sur l'effet de l'alcalinite du beton et de l'humidite ont deja ete menees dans le passe en utilisant des vieillissements acceleres en laboratoire par immersion en solution alcaline simulant le pH du beton. Ces etudes doivent obligatoirement faire intervenir un facteur accelerant comme la temperature permettant de les effectuer dans des delais raisonnables. L'usage de parametres de conditionnement trop severes peut amplifier de maniere non representative la reduction des proprietes et la diffusion de l'humidite et mener a une sous-estimation de la durabilite des composites de PRF impliquant meme une conception trop conservatrice des ouvrages contenant ces nouveaux materiaux. La presente these presente l'etude de la durabilite a long terme de barres PRF soumis a des vieillissements acceleres en laboratoire simulant mieux la realite comparativement aux vieillissements traditionnellement utilises. En particulier, il sera question d'evaluer la durabilite des barres de PRF et de 1'interface entre le beton et les barres en termes de perte de proprietes physiques et mecaniques et d'effets microstructuraux suite a des vieillissements en laboratoire. II sera aussi question d'identifier les principaux phenomenes de degradation pouvant affecter les composites de PRF lors de leur utilisation comme renforcement interne du beton et de confirmer la pertinence des parametres de vieillissements acceleres en laboratoire utilises pour predire le comportement a long-terme des composites de PRF. Finalement, les effets des temperatures extremes d'application et de la fissuration due a un impact sur la durabilite des barres seront d'interet. Les resultats de cette these demontrent clairement que les barres de PRFV testees ne sont que tres peu affectees par l'environnement du beton et que les resultats obtenus par des vieillissements traditionnels en solution alcaline menent a des resultats conservateurs et a une sous-estimation des proprietes a long terme des barres de PRF.
REMERCIEMENTS
Je tiens a remercier le Dr Brahim Benmokrane et le Dr Patrice Cousin pour leur importante aide concernant la realisation et 1'interpretation des resultats des essais experimentaux. De plus, l'aide des techniciens de la Chaire CRSNG-Industrie sur les materiaux composites en PRF pour les infrastructures a ete important et je tiens a les remercier. La compagnie Pultrall doit aussi etre remerciee pour son implication au projet en fournissant les materiaux. La realisation d'un projet de recherche ne serait pas possible sans un certain financement. II est done de mise de remercier le Conseil de recherche en science naturelle et en genie du Canada (CRSNG), le Fonds de recherche sur la nature et les technologies du Quebec (FQRNT), le Ministere des transports du Quebec (MTQ), le regroupement ISIS Canada (Innovative Sensing for Intelligent Structures) et l'Universite de Sherbrooke.
TABLE DES MATIERES INTRODUCTION 1 1.1 Contexte 1 1.2 Etat de la question 2 1.3 Objectifs de la recherche .4 1.4 Theme de recherche 5 1.5 Importance de la recherche 5 1.6 Structure de la these 7 MATERIAU COMPOSITE EN GENIE CIVIL 8
2.1 Introduction 8 2.2 Contexte et problematique 8
2.2.1 Developpement des PRF en genie civil 8 2.2.2 Developpement de la recherche sur la durabilite des PRF 9
2.2.3 Corrosion de l'armature d'acier 10 2.3 Description des composites 13
2.4 Renforts et fibres 14 2.5 Type de renfort 14 2.6 Fibre de verre 15 2.6.1 Types de verre 16 2.7 Fibre de carbone 19 2.8 Fibre d'aramide 20 2.9 Matrice polymerique 20 2.10 Resines polyesters insaturees (UP) 22
2.11 Resines vinylesters (VES) 24
2.12 Resines epoxydes (EP) 25 2.13 Resines de condensation (PF, MF, UF) 27
2.14 Resines thermoplastiques 28 2.15 Agents de polymerisation et inhibiteurs 28
2.16 Agents de couplage 29 2.17 Charges et additifs 30
2.17.1 Charges renforcantes 30 2.17.2 Charges non renforcantes 32
2.18 Additifs 34 2.19 Fabrication des armatures de PRF 35
2.19.1 Introduction 35 2.19.2 Procede par pultrusion 36
2.20 Barres d'armature en PRF 40 2.20.1 Proprietes mecaniques 40 2.20.2 Proprietes physiques des barres de PRF 43
2.21 Proprietes mecaniques des composites unidirectionnels 45
2.21.1 Introduction ....45 2.21.2 Module d'elasticite en tension parallele aux fibres 45
DURABILITE DES COMPOSITES 50
3.1 Durability des composites dePRF 50
3.1.1 Introduction 50 3.1.2 Problematique liee a la durability des composites de PRE 50
3.3.1 Solutions et humidite 58 3.3.2 Alcalinite du beton 60 3.3.3 Gel et cycles de gel/degel 65 3.3.4 Effet del'expansion thermique 67 3.3.5 Temperatures elevees et feu 68 3.3.6 Prediction des proprietes a long-terme 71
3.3.7 Considerations de conception 73 PHENOMENES DE DEGRADATION A HAUTE TEMPERATURE 76
4.1 Avant-Propos 76 4.2 Abstract 77 4.3 Introduction 77 4.4 Experimental Program 79
4.4.1 Material and Conditionings 79
4.4.2 Flexural Tests 80 4.4.3 Absorption Tests 80 4.4.4 Scanning Electron Microscopy (SEM) 81
4.4.5 Thermomechanical Analysis (TMA) 82
4.5 Experimental Results 82 4.5.1 Flexural Strength Loss 82 4.5.2 Mode of Failure 84 4.5.3 Moisture Absorption 85 4.5.4 Microstructural Observation 86 4.5.5 Thermomechanical Measurements 87 4.6 Discussion , 87 4.6.1 Kinetic Phenomenon 88 4.6.2 Thermo-Mechanical Phenomenon 91
4.7 Summary and Conclusion 93 DURABILITE DES BARRES DE PRFV ENROBEES DE BETON 94
5.1 Avant-propos 94 5.2 Abstract 96 5.3 Introduction 96 5.4 Experimental Program 100 5.4.1 Material .• 100 5.4.2 Test Plan 102 5.4.3 Tensile Tests 103 5.4.4 Arrhenius relation 104 5.4.5 Scanning Electron Microscopy (SEM) 105
5.4.6 Differential Scanning Calorimetry (DSC) 105 5.4.7 Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) 106
5.5 Tests Results and Discussion 106 5.5.1 Tensile Strength Retention 106
5.5.2 Young's Modulus 108 5.5.3 Microstructural Effects 109 5.5.4 Effects on matrix 113 5.5.5 Prediction of long-term behaviour 116
5.6 Summary and Conclusions 118
5.7 Acknowledgments 119 PROPRIETES A LONG-TERME DE L'INTERFACE BARRES DE PRFV/BETON 120
6.1 Avant-propos 120 6.2 Abstract 121 6.3 Introduction 121 6.4 Experimental Program 124 6.4.1 Material 124 6.4.2 Test Plan : 126 6.4.3 Pullout Tests 127 6.4.4 Scanning Electron Microscopy 128
6.4.5 Differential Scanning Calorimetry (DSC) 129 6.4.7 Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) 129
6.5 Tests Results and Discussion 129 6.5.1 Bond Strength Retention 129
6.5.2 Mode of Failure 131 6.5.3 Bond Stress-Slip Relationship 132
6.5.4 Microstructural Effects 133 6.5.5 Effects on GFRP Bars 135 6.6 Summary and Conclusions 137
6.7 Acknowledgments 138 COMPORTEMENT A COURT ET LONG TERME DES BARRES DE PRFV SOUMISES A
DES TEMPERATURES D'APPLICATION EXTREMES 139
7.1 Avant-propos 139 7.2 Abstract 141 7.3 Introduction 141 7.4 Experimental Program 143
7.4.1 Material 143 7.4.2 Conditioning of GFRP Bar Samples 144
7.4.3 Tensile Test Procedure 146 7.4.4 Shear Test Procedure 146 7.4.5 Flexural Test Procedure 147 7.4.6 Dynamical Mechanical Analysis (DMA) 147
7.4.8 Differential Scanning Calorimetry (DSC) 148 7.4.9 Scanning Electron Microscopy (SEM) 148
7.5 Tests Results and Discussion 149 7.5.1 Effect of Temperature on Mechanical Properties 149
7.5.2 Effect of Moisture Absorption on Shear and Flexural properties of GFRP
samples subjected to Low Temperature 153
7.5.3 Effects on Polymer Matrix 154 7.5.4 Microstructural Effects 157 7.6 Summary and Conclusions 159
7.7 Acknowledgments 160 CARACTERISATION ET ETUDE DE LA DURABILITE DE BARRES DE PRFV
PRE-CHARGEES EN TRACTION 161 8.1 Avant-propos 161 8.2 Abstract : 163 8.3 Introduction 163 8.4 Experimental Program 165 8.4.1 Material 165 8.4.2 Pre-loading of GFRP Bar Samples 167
8.4.3 Moisture Absorption 168 8.4.4 Density Measurements 169 8.4.5 Tensile Strength Retention after Pre-loading 169
8.4.6 Long-Term Durability 170 8.4.7 Differential Scanning Calorimetry (DSC) 171
8.4.8 Microstructural Observations , 171 8.4.9 Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) 172
8.5 Tests Results and Discussion... 172 8.5.1 Moisture Uptake : 172
8.5.2 Change in Density 173 8.5.3 Tensile Properties after Pre-loading 174
8.5.4 Long-Term Tensile Properties Retention 176
8.5.5 Effects on Polymer Matrix 177 8.5.6 Microstructural Observations 180 8.6 Summary and Conclusions 183
8.7 Acknowledgments 184 CONCLUSIONS ET RECOMMENDATIONS 185
Introduction 185 Durability des barres de PRFV enrobees de beton 187
Proprietes a long-terme de l'interface barres de PRFV/beton 188 Comportements a court et a long termes de barres de PRFV soumises a des temperatures
d' application extremes , 190 Recommendations et travaux futurs 192
LISTES DES FIGURES
Figure 2.1 Schema de la corrosion electrochimique en presence de chlorures 11 Figure 2.2 Distribution des fibres dans la matrice d'une armature de PRF 13
Figure 2.3 Bobine de roving de fibre de verre 15 Figure 2.4 Structure chimique d'une resine polyester isophtalique standard 23
Figure 2.5 Structure chimique d'une resine vinylester standard 24 Figure 2.6 Structure chimique d'une resine epoxyde standard 25 Figure 2.5 Aspect physique de charge de talc > 33
Figure 2.6 Schema du procede de moulage par pultrusion 37
Figure 2.7 • Barre de PRFV enrobee de silice 40
Figure 2.8 Armatures types de PRF 42 Figure 2.9 Proprietes mecaniques des polymeres vs temperature de transition vitreuse... 44
Figure 2.10 Comportement des differents composants d'un materiau composite 47 Figure 2.11 Comportement type des barres de PRF compare a celui des barres d'acier 48 Figure 3.1 Delaminage a l'interface fibre/resine suite a l'immersion en solution alcaline....
63
Figure 3.2 Fissuration dans la matrice polymere 64 Figure 3.3 Micrographie de l'interface barre/beton apres 10 annees de service 65
Figure 3.4 Effet du type de materiau d'armature sur la resistance au feu de dalles armees . 71
Figure 4.1 The experimental set-up for the four-point flexural tests on FRP bars 81 Figure 4.2 Mean Flexural Strength for 6 replicates after different agings in water 83 Figure 4.3 Mean Flexural Strength Loss for 6 replicates as a Function of Temperature... 84
Figure 4.4 Typical mode of failure during flexural tests 85 Figure 4.5 Average mass gain of GFRP bars immersed in distilled water as a function of
time 86 Figure 4.6 Micrographs of the external surface of GFRP bar 87
Figure 4.7 Dimension change of GFRP bar as a function of temperature 88
Figure 4.8 Relative rate of reaction as a function of temperature 89 Figure 4.9 Relationship between flexural strength loss and relative rate of reaction 90
Figure 4.10 Accelerated factor as a function of temperature 91 Figure 4.11 Micrographs of the fiber/matrix interface of GFRP bar 93
Figure 5.1 Micrograph of GFRP bar/concrete interface in a specimen removed from an
8-year-old GFRP reinforced concrete structure 99 Figure 5.2 Sketch illustrating typical cement mortar-wrapped GFRP bar specimen 101
Figure 5.3 View of cement mortar-wrapped GFRP bar specimen 102 Figure 5.4 Wood container built for aging of the cement mortar-wrapped GFRP bar
specimens 103 Figure 5.5 Typical failure mode of conditioned GFRP bar specimens subjected to tensile
test 106 Figure 5.6 Tensile strength retention of conditioned GFRP bars aged in moist concrete at
23°, 40°, and 50°C 108 Figure 5.7 Elastic modulus retention of conditioned GFRP bars aged in moist concrete at
23°, 40°, and 50°C 109 Figure 5.8 Micrograph (X20) of: a) unconditioned bar, b) Mortar-wrapped FRP bar aged
in water at 50°C for 240 days 110 Figure 5.9 Micrographs of fibre/matrix interface (X3000) 110
Figure 5.10 Comparison of micrographs of external surfaces of GFRP bar specimens aged in
moist concrete (present study) and in alkaline solution 112
Figure 5.11 Micrographs of GFRP bar/concrete interface 113 Figure 5.12 FTIR spectra for unconditioned and aged samples 114 Figure 5.13 Thermogram of the first heating run by DSC 115 Figure 5.14 Thermogram of the second heating run by DSC 116 Figure 5.15 General relation between the PR and the predicted service life at a mean annual
temperature of 6°C (Montreal, Quebec) 117 Figure 6.1 Surface configuration of a GFRP bar 125 Figure 6.2 Dimensions of a pull-out specimen 126 Figure 6.4 Mean Bond strength for 5 replicates of conditioned GFRP bars at 23°, 40°, and
50°C 131 Figure 6.5 Concrete bond failure of pullout test 132
Figure 6.6 Details of the embedded length after failure for sample aged in water at 50°C
for 180 days 132 Figure 6.7 Bond stress-slip relationship for 19 mm GFRP bars 133
Figure 6.9 Micrographs of the interface between GFRP bar and concrete for
unconditioned bar and for conditioned GFRP bar aged in moist concrete at
50°C for 180 days 135 Figure 6.10 FTIR spectra of unconditioned and aged samples 136
Figure 7.1 Average Moisture absorption for 3 replicates of 12.7 mm GFRP bar 145 Figure 7.3 Tensile strength of GFRP bar specimens tested under different temperatures 149
Figure 7.4 Shear strength of GFRP bar specimens tested under different temperatures.. 150 Figure 7.5 Flexural strength of GFRP bar specimens tested under different temperatures ...
150 Figure 7.6 Flexural modulus of elasticity of GFRP bar specimen between -100° and 350°C 151 Figure 7.7 The failure mode of unconditionned and specimen conditioned 2 hours at
150°C after tensile tests 152 Figure 7.8 Shear strength of 5 replicates of unconditioned and saturated GFRP bars tested .
at low temperature 153 Figure 7.9 Flexural strength of unconditioned and saturated GFRP bars tested at low
temperature 154 Figure 7.10 Weight loss of GFRP bar specimen when heated between 20° and 800°C .... 155
Figure 7.11 Thermogram of the first heating run by DSC on unconditioned GFRP bar and
on specimen conditioned at 350°C for 2 hours 156 Figure 7.12 Micrographs of longitudinal fibre/matrix interface 157 Figure 7.13 Micrographs of transversal fibre/matrix interface 158 Figure 8.1 Organization chart of the experimental program 166 Figure 8.2 View of cement mortar-wrapped GFRP bar specimen 166
Figure 8.3 Cracks initiation in preloaded GFRP bar 167 Figure 8.4 Experimental set-up for tensile test 168 Figure 8.5 Wood container built for aging of the cement mortar-wrapped GFRP bar
Figure 8.6 Average Mass uptake of reference and pre-loaded GFRP bar specimen 173 Figure 8.7 Average Measured density of reference and pre-loaded GFRP bar specimen 174
Figure 8.8 Typical failure mode of GFRP bars 175 Figure 8.9 FTIR spectra for unconditioned and aged samples 178
Figure 8.10 Thermogram of the first heating run by DSC 179 Figure 8.11 Thermogram of the second heating run by DSC 179 Figure 8.12 Micrograph of longitudinal GFRP bar surface pre-loaded under tensile load 182
LISTE DES TABLEAUX
TABLEAU 2.1 CARACTERISTIQUES GENERALES DES DIFFERENTS TYPES DE
VERRE UTILISES 16 TABLEAU 2.2 COMPOSITION DES VERRES DE TYPES E, D ET R 17
TABLEAU 2.3 CARACTERISTIQUES MECANIQUES DU VERRE DE TYPES E ET R
MESUREES SUR FILAMENTS EN SORTIE DE FILIERE 18 TABLEAU 2.4 CONTRAINTE A LA RUPTURE MESUREES SUR MONOFILAMENTS
ET FILS DE BASE (MPA) 18 TABLEAU 2.5 CARACTERISTIQUES A LA RUPTURE D'UN FILAMENT
INDUSTRIEL 18 TABLEAU 2.6 CARACTERISTIQUES PHYSIQUES ET MECANIQUES DES RESINES
POLYESTERS INSATUREES 22 TABLEAU 2.7 PRINCIPAUX AV ANT AGES ET INCONVENIENTS LIES A
L'UTILISATION DES RESINES UP 23 TABLEAU 2.8 PRINCIPAUX AV ANT AGES ET INCONVENIENTS LIES A
L'UTILISATION DE RESINES VINYLESTERS 25 TABLEAU 2.9 CARACTERISTIQUES PHYSIQUES ET MECANIQUES DES RESINES
EPOXYDES 26 TABLEAU 2.10 PRINCIPAUX AVANTAGES ET INCONVENIENTS LIES A
L'UTILISATION DES RESINES EPOXYDES 26 TABLEAU 2.11 CARACTERISTIQUES PHYSIQUES ET MECANIQUES DES RESINES
PHENOLIQUES 27 TABLEAU 2.12 PRINCIPAUX AVANTAGES ET INCONVENIENTS LIES A
L'UTILISATION DE RESINES PHENOLIQUES 28 TABLEAU 2.13 CARACTERISTIQUES DE DIFFERENTS TYPES DE CHARGES
SPHERIQUES 31 TABLEAU 2.14 AVANTAGES ET INCONVENIENTS DU MOULAGE PAR
PULTRUSION 37 TABLEAU 2.15 CRITERES DE DESIGN POUR LE MOULAGE PAR PULTRUSION.... 38
TABLEAU 2.16 PRINCIPALES PROPRIETES MECANIQUES EN TRACTION DES
BARRES DE PRFV V-ROD® 41 TABLEAU 2.17 COEFFICIENT D'EXPANSION THERMIQUE (CET) 44
TABLEAU 2.18 PROPRIETES TYPES EN TENSION DES BARRES DE PRF 47 TABLEAU 3.1 FACTEURS ENVIRONNEMENTAUX DE REDUCTION SELON LE
CODE ACI440.1R-06 66 TABLEAU 3.2 COEFFICIENTS DE TENUE SELON LE CODE CAN/CSA-S6-06 66
TABLE 4.1 MECHANICAL PROPERTIES OF THE USED 9.5 MM GFRP BAR 70 TABLE 4.2 EXPERIMENTAL FLEXURAL STRENGTH OF REFERENCE AND
CONDITIONED SPECIMENS 73 TABLE 5.1 MECHANICAL AND PHYSICAL PROPERTIES OF 12.7 mm DIAMETER
BAR (AS PROVIDED BY THE MANUFACTURER) 101 TABLE 5.2 EXPERIMENTAL TENSILE STRENGTH OF REFERENCE AND
CONDITIONED SPECIMENS 107 TABLE 5.3 RESULTS OF DIFFERENTIAL SCANNING CALORIMETRY (DSC)
ANALYSIS 116 TABLE 6.1 MECHANICAL AND PHYSICAL PROPERTIES OF 19 mm DIAMETER
BAR (AS PROVIDED BY THE MANUFACTURER) 125 TABLE 6.2 BOND STRENGTH OF GFRP REFERENCE SAMPLES AND
CONDITIONNED SAMPLES 130 TABLE 6.3 RESULTS OF DIFFERENTIAL SCANNING CALORIMETRY ANALYSIS
137 TABLE 7.1 MEASURED MECHANICAL AND PHYSICAL PROPERTIES OF 12.7 mm
DIAMETER BAR 144 TABLE 8.1 TENSILE PROPERTIES AFTER PRE-LOADING 175
TABLE 8.2 TENSILE PROPERTIES AFTER CONDITIONINGS 177 TABLE 8.3 RESULTS OF DIFFERENTIAL SCANNING CALORIMETRY (DSC)
CHAPITRE 1
INTRODUCTION
1.1 Contexte
De nos jours, bon nombre de structures en beton arme ayant ete exposees a des environnements agressifs eprouvent des problemes de durabilite et risquent de ne pas atteindre leur duree de vie utile anticipee ou excede deja cette derniere. La corrosion de l'acier d'armature due aux chlorures et /ou a la carbonatation est la principale cause de deterioration des structures en beton arme. Leurs couts de reparation et de restauration aux Etats-Unis, au Canada et dans la plupart des pays europeens, constituent un fort pourcentage des depenses de ces pays en matiere d'infrastructures (Nkurunziza, 2004). Au Canada seulement, on estime que plus de 40 % de tous les ponts ont plus de 40 ans et que d'autres types de structures comme les stationnements multi-etages presentent des deficiences structurales principalement dues a la deterioration et a la corrosion causees par la rigueur du climat et une utilisation des sels de deglacage (ISIS1 Canada, 2001; Nkurunziza, 2004). Aux Etats Unis a la fin des annees
90, plus de 40% des 574 729 ponts nationaux inventories sont classes comme structurellement ou fonctionnellement deficients a cause de la corrosion de l'acier et des degats dus aux cycles de gel-degel (Tannous, 1997). A ces agents agressifs, s'ajoute 1'augmentation des charges utiles sur les routes due a l'accroissement du volume des activites economiques et commerciales dans les pays industrialises durant les trente dernieres annees. Consequemment les ponts construits il y a 40 ou 50 ans sont soumis a des charges superieures a celles pour lesquelles ils ont ete concus. Ces charges peuvent meme atteindre le double des charges de calcul (Nkurunziza, 2004). De cette augmentation, combinee aux effets des agents agressifs de l'environnement d'application, decoule une deterioration importante de nombreuses structures en beton arme.
La corrosion de l'acier d'armature entraine une importante degradation de 1'infrastructure en beton arme et entraine d'importantes depenses pour la reparation et la mise a niveau de ces dernieres. Au Canada, le cout des reparations des stationnements multi-etages est evalue a
plus de 6 milliards de dollars canadiens (Nkunrunziza, ,2004) tandis qu'il y a dix ans aux Etats-Unis, les couts de reparation et de maintenance se situaient entre 50 et 100 milliards de dollars americains par annee (Tannous 1997).
L'ampleur de la problematique et les considerations economiques ont initie le developpement de nouvelles technologies afin d'eviter le phenomene de corrosion de l'acier d'armature. Differentes techniques tel que la protection cathodique, l'utilisation d'enduit d'epoxy et d'acier galvanise ont ete developpees. Les barres d'acier revetues d'epoxy ont permis de conquerir 15% du marche nord-americain des barres d'acier conventionnelles. Toutefois, l'emploi de ces nouvelles techniques de protection des barres d'acier ne permet pas une protection complete de l'acier contre la corrosion. Les performances parfois discutables de ces nouvelles technologies de protection de l'acier contre la corrosion ont oriente les recherches vers l'elaboration de nouveaux materiaux d'armature, les polymeres renforces de fibres (PRF) communement appeles, sous un terme generique, materiaux composites polymeres.
Plusieurs chercheurs dans le monde se sont interesses a ces nouveaux materiaux a cause de leurs proprietes attrayantes comme la legerete, la resistance a la corrosion et une resistance mecanique elevee. Jusqu'a present, de nombreuses conferences internationales ont permis de partager les connaissances acquises, de decrire l'avancement des travaux dans divers centres et instituts de recherche et de mettre en place plusieurs manuels de conception.
1.2 Etat de la question
Les resultats des recherches menees au cours des deux dernieres decennies ont montre que Tune des solutions potentielles au probleme de la corrosion de l'armature en acier est son remplacement par une armature constituee d'un materiau a base de polymeres renforces de fibre (PRF). L'utilisation des polymeres renforces de fibres (PRF) dans le domaine du genie civil est en pleine expansion vu les proprietes avantageuses de ce type de materiau tel que leur resistance specifique elevee et leur rigidite. Une application courante des composites de PRF en genie civil est celle des barres d'armature pour le beton arme. En effet, l'excellente resistance a la corrosion des polymeres confere aux materiaux composites de PRF un avantage
certain comparativement aux barres d'armature traditionnelles d'acier. Les fibres de verre sont de loin les plus utilisees comme renforts mecaniques des composites de PRF puisque leur cout d'utilisation en fonction de leurs proprietes mecaniques, physiques et chimiques est moindre comparativement aux fibres de carbone (Lariviere, 1985).
En particulier, les barres de polymere renforce de fibres de verre (PRFV) gagnent de plus en plus de popularity dans le renforcement des tabliers de pont et dans d'autres structures de beton du fait de leur cout inferieur a celui des barres de fibres de carbone (El-Salakawy et al., 2003; Huckelbridge et al., 2003; Nanni et Faza., 2002; Stone et al., 2001; Bradberry, 2001). Un enjeu majeur concerne la durabilite de ces materiaux et plus specifiquement leur capacite a maintenir leur performance dans des conditions environnementales et sollicitations mecaniques. Aussi, le manque ou l'absence de donnees de durabilite des armatures de PRFV s'avere etre un obstacle majeur quant a leur acceptation a plus large echelle dans le domaine de genie civil (Harries et al., 2003).
Les progres realises par les differentes recherches ont permis d'elaborer des codes et manuels de calcul sur l'utilisation des produits de PRF dans le renforcement et la rehabilitation des structures de genie civil (nouvelles structures et structures existantes). Les codes et guides de calcul nord-americains et japonais (ACI 440.1R-06 ; CAN/CSA-S6-06, CAN/CSA-S806-02; ISIS-MO3-01; JSCE) fournissent des facteurs de reduction de resistance en tenant compte des efforts soutenus, de la fatigue et des conditions environnementales. Les guides canadiens semblent etre moins conservateurs quant aux valeurs de contraintes admissibles prises en compte dans le calcul mais elles restreignent l'utilisation de certains types de PRF dans certaines conditions (Byars et al., 2001). Le developpement d'un coefficient de reduction environnementale (CE) reduisant les proprietes mecaniques des materiaux utilises en fonction de l'environnement d'application, permettrait de surmonter rapidement les difficultes causees par l'absence de donnees sur la durabilite a long terme des PRF et de permettre aux ingenieurs de calcul d'utiliser plus rapidement ce nouveau materiau. Plusieurs codes et guides de conception utilisent couramment des coefficients de reduction environnementale conservateurs d'environ 0,7. Cette reduction majeure ne permet pas aux nouvelles generations de barres de PRFV de beneficier pleinement de la grande resistance qu'elles possedent.
Les coefficients de reduction environnementale sont tres conservateurs et sont remis en question par plusieurs chercheurs et ingenieurs (Robert et al., 2009a). En effet les valeurs de ces coefficients sont basees sur des materiaux de premiere generation de moindre qualite et sur un nombre limite de donnees sur le comportement a long terme des barres de PRFV recueillis par la realisation de vieillissements acceleres en laboratoire ne refletant pas toujours adequatement les conditions reelles d'application (Robert et al., 2009c).
1.3 Objectifs de la recherche
L'objectif principal de cette these est d'evaluer la durabilite des barres de PRFV en termes de reduction des proprietes mecaniques et d'interface sous differentes conditions environnementales. La presente these permet aussi d'identifier les principaux phenomenes de degradation pouvant affecter les composites de PRF lors de leur utilisation comme renforcement interne du beton et de confirmer la pertinence des parametres de vieillissements acceleres en laboratoire utilises pour predire le comportement a long-terme des composites de PRF. Les objectifs specifiques suivants ont ete retenus :
1. Investiguer 1'effet de la temperature elevee comme facteur accelerant lors de vieillissements acceleres en laboratoire simulant la realite.
2. Evaluer la durabilite des barres d'armature de PRFV conditionnees selon de nouveaux vieillissements acceleres simulant la realite par enrobage de beton et immersion dans l'eau;
3. Evaluer les proprietes a long-terme de 1'interface entre le beton et les barres d'armature de PRFV conditionnees selon de nouveaux vieillissements acceleres par enrobage de beton humide simulant mieux la realite;
4. Evaluer le comportement de barres de PRFV soumis a des temperatures d'applications extremes;
5. Etudier 1'effet de la fissuration du beton suite a un impact sur les performances a court et long terme des barres de PRFV;
Les donnees obtenues a partir de cette these pourront servir de base pour l'elaboration de nouveaux coefficients de reduction environnementale plus adaptes a l'utilisation des composites de PRFV en genie civil.
1.4 Theme de recherche
Les travaux de cette these sont realises dans le cadre des activites de recherche menees par la Chaire de recherche du CRSNG sur les renforcements en materiaux composites pour les structures en beton du Departement de genie civil de l'Universite de Sherbrooke. Les resultats de cette these sont presentes en continuite avec les autres etudes realisees a l'Universite de Sherbrooke sur revaluation de la durabilite des barres de PRF. Dans ce projet, les materiaux utilises sont des barres de fibres de verre produites par pultrusion par la compagnie Pultrall Inc. (Thetford Mines, Quebec), un partenaire industriel de la Chaire de recherche. Les resultats obtenus permettront d'evaluer les qualites du produit vis-a-vis la durabilite et d'adopter de nouvelles methodes d'evaluation de la durabilite des composites de PRF en genie civil permettant d'obtenir des resultats refletant mieux la realite.
1.5 Importance de la recherche
Bien que l'utilisation des materiaux composites de PRF soit de plus en plus acceptee en genie civil comme materiaux de renforcement interne, plusieurs questions persistent chez les potentiels utilisateurs de cette technologie novatrice. En effet, tres peu d'etudes scientifiques se sont tournees vers 1'analyse et la prediction des changements de proprietes mecaniques et d'interfaces entre le beton et les barres de PRF dans leur environnement d'application reelle, c'est-a-dire enrobee de beton. Puisque la duree de vie des ouvrages (ponts, structures de batiments) est importante, la durabilite a long terme des PRF utilises est un parametre primordial a prendre en ligne de compte lors de la phase de conception. Les conditions environnementales (exposition a l'eau ou a l'humidite, temperatures, cycles thermiques, attaques chimiques dues a l'alcalinite du milieu et aux sels de deglacage) et les proprietes caracteristiques des materiaux de PRF (taux de porosites, fluage, relaxation, retrait, taux de polymerisation, compatibilite entre les composantes) peuvent influencer le comportement des
PRF durant le temps de service des structures et ainsi affecter la duree de vie de ces dernieres. Plusieurs etudes portant sur des vieillissements acceleres des barres d'armature de polymeres renforces de fibres de verre (PRFV) en solution alcalines, ont montres que 1'immersion continue et extensive des barres de PRFV en solution peut mener a une certaine perte des proprietes mecaniques a long terme (Murphy et al., 1999; Benmokrane et al., 2002, Chen et Davalos, 2006). Toutefois, jusqu'a recemment, et ce malgre les resultats recueillis par les vieillissements acceleres, les experts n'etaient pas pleinement en accord a savoir si les materiaux de PRF sont stables dans 1'environnement alcalin du beton.
II existe done une demande urgente de donnees sur la durabilite des materiaux composites de PRFV pour leur utilisation dans le domaine de construction (nouvelles constructions et structures existantes). Ce theme de recherche est reconnu comme une priorite pour une utilisation accrue et avec succes des PRF dans le domaine de genie civil (ISIS Canada, 2001; American Concrete Institute, 2006; Harries et al., 2003). La presente these propose de repondre a certains questionnements recurrents portant sur la durabilite a long terme des composites de PRF pour le genie civil, par le biais de cinq articles scientifiques publies ou soumis a des journaux d'envergure. La definition des phenomenes de degradation potentiels, l'etablissement de nouveaux parametres de vieillissements acceleres en laboratoire refletant mieux la realite d'application et 1'etude et la caracterisation des proprietes a long terme des composites de PRF face a divers facteurs environnmentaux sont des aspects abordes par la presente these.
Les resultats de cette these permettront de fournir des donnees sur la durabilite des barres de PRFV en termes de variation des proprietes mecaniques et des proprietes de 1'interface barres/beton sous differentes conditions environnementales refletant mieux les conditions reelles d'applications en genie civil. De plus, cette these se veut de repondre a plusieurs questions relativement au choix des parametres de vieillissement acceleres en laboratoire et demontrent 1'impact de ces choix sur les predictions qui en decoulent. Les conclusions permettront une meilleure comprehension du comportement a long terme des composites de PRFV et des predictions plus justes de la duree de vie des composites dans l'optique de leur utilisation comme materiau d'armature du beton.
1.6 Structure de la these
La these est presentee sous forme d'une these par articles presentant cinq articles scientifiques acceptes ou soumis pour publication, abordant chacun differents aspects repondant aux objectifs prealablement presentes. La these se divise en huit chapitres. La premiere partie de la these comprend le present chapitre d'introduction ainsi que les chapitres 2 et 3 qui presentent la recherche bibliographique et comprennent une etude detaillee sur revolution des composites en genie civil. Les facteurs ayant contribue au developpement de l'armature de PRF, la nature et les caracteristiques des constituants, le procede de fabrication, les proprietes physiques et mecaniques a court et a long termes et les principaux agresseurs de l'environnement y sont egalement traitees. Cette revue de litterature dresse un compte rendu sur l'etat actuel des connaissances sur les armatures en composite. Elle permet de bien situer le projet de recherche et offre de plus un point de vue eclaire sur les composites en tant que nouveaux materiaux de genie civil.
Les chapitres 4 a 8 et la conclusion constituent la deuxieme partie de la these et traitent du sujet de recherche. Les chapitres 4 a 8 presentent chacun un article scientifique portant sur les differents aspects couverts par la presente these, tandis que la conclusion resume les lignes directrices de la these et permet de conclure sur certaines recommandations. Chacun des articles constituant les chapitres 4 a 8 presentent une mise en situation, la methodologie d'essai, les resultats experimentaux et les discussions finales.
CHAPITRE2
MATERIAU COMPOSITE EN GENIE CIVIL
2.1 Introduction
Le genie civil a ete longtemps considere comme une discipline conservatrice face a l'arrivee de nouveaux produits et materiaux. Cependant, l'industrie de la construction ne peut fermer les yeux face aux nouvelles innovations technologiques pouvant ameliorer les infrastructures. Les nouvelles technologies liees a l'utilisation des composites de PRF suscitent une attention toute particuliere de la part des ingenieurs de realisation de travaux publics et des gestionnaires de systemes d'infrastructures routieres et autres.
La resistance a l'utilisation a grande echelle des materiaux composites de PRF est fondee en partie sur le manque d'informations et de resultats experimentaux relatifs au comportement a long terme de ces materiaux dans les conditions de service les plus critiques. Un des grands defis a relever concerne la durabilite de ces materiaux et plus specifiquement leur capacite a maintenir leur performance structurale dans des conditions environnementales severes et changeantes sous charge soutenue.
2.2 Contexte et problematique
2.2.1 Developpement des PRF en genie civil
Le developpement des materiaux de PRF remonte aux annees quarante avec la fin de la deuxieme guerre mondiale. Pendant cette periode, une penurie de materiaux conventionnels, dont l'acier, a entraine l'usage des produits de PRF pour des fins militaires et aerospatiales. Les industries aerospatiale, automobile et de la marine se sont longtemps servies des avantages de la haute resistance et du poids leger des materiaux composites. Pendant la Guerre Froide, des avancees ont ete obtenues dans l'aerospatiale et l'industrie de la defense ce qui a considerablement augmente l'utilisation des materiaux composites.
Dans les annees 1950, l'expansion du reseau routier et les conditions climatiques difficiles des pays nordiques ont rendu la necessite de fournir un entretien durant toute l'annee. II devint commun d'appliquer des sels de deglacage sur des ponts routiers. En consequence, les renforcements d'acier de ces structures et celles soumises au sel maritime ont subi de serieux problemes de corrosion et sont ainsi devenus un souci majeur. Des solutions diverses ont ete examinees, comme la galvanisation de l'acier d'armature, les enduits fixes par fusion electrostatique de resine, du beton impregne de polymere et des revetements d'epoxy. De toutes ces options, l'armature d'acier revetue d'epoxy a semble etre la meilleure solution et a ete utilisee dans des environnements corrosifs. Cependant, la presence de corrosion dans des barres recouvertes d'epoxy sur certains ponts routiers en Floride vers le milieu des annees soixante-dix a augmente l'interet dans la recherche d'autres solutions eliminant completement les problemes recurrents de corrosion (Nkurunziza, 2004).
L'utilisation des PRF dans les travaux de genie civil date done des annees cinquante quand les barres de PRFV ont ete d'abord investiguees pour une utilisation structurale. Jusqu'en 1970, le renforcement du beton par des produits de PRF n'etait pas considere comme une solution viable (ISIS Canada, 2001). Les veritables applications structurales des produits de PRF dans le genie civil datent des annees soixante-dix et ce n'est qu'a partir des annees quatre-vingt qu'on a pu constater leur remarquable developpement. Des lors, on a assiste a une acceptation plus ou moins rapide et croissante de ces nouvelles technologies dans diverses applications a l'echelle mondiale.
2.2.2 Developpement de la recherche sur la durabilite des PRF
Un des defis majeurs a relever concerne la durabilite des materiaux en PRF, e'est- a- dire leur capacite a maintenir leur performance dans des conditions environnementales d'application severes. Le manque de donnees et resultats serieux liees a la durabilite des composites de PRF a pousse les chercheurs a partager leurs connaissances et a faire avancer leurs travaux dans ce domaine d'interet capital pour l'acceptation des PRF (Karbhari et al., 2003).
Les resultats des travaux de recherche entrepris ont permis de developper plusieurs types de materiaux en PRF avec differents types de fibres et de resines polymeres qui sont actuellement disponibles sur le marche. Toutefois, malgre les efforts de la recherche sur cet aspect, on assiste a une grande variabilite des resultats experimentaux ayant trait a la durabilite a long terme des composites de PRF, ce qui a pour consequence de limiter l'usage des PRF a grande echelle et de ralentir leur acceptation (Mufti et al., 2005).
2.2.3 Corrosion de l'armature d'acier
La corrosion d'acier par les chlorures et /ou la carbonatation est la principale cause de deterioration des structures en beton arme (Minh et al., 2008). La corrosion des elements de renforcement interne en acier est un processus electrochimique genere par la difference de concentration d'ions, tels que le chlore, l'oxygene et les alcalis, dissous a proximite de l'acier (figure 2.1). Lorsqu'une difference de potentiel electrique se developpe le long d'une armature, il y a creation d'une pile electrochimique. Des zones anodiques et cathodiques, reliees par l'electrolyte que constitue la solution interstitielle du beton se forment. Les ions ferreux Fe2+' passent en solution a l'anode tandis que des electrons libres se deplacent a travers
l'acier jusqu'a la cathode, ou ils sont absorbes par les constituants de l'electrolyte et se combinent avec de l'eau et de l'oxygene pour former des ions hydroxyle (OH"). Ceux-ci se deplacent a travers l'electrolyte ou ils se combinent avec les ions ferreux pour former de l'hydroxyde ferrique qui, par la suite, est transforme en rouille et les reactions se deroulent de la facon suivante (Neville, 2000):
- reactions anodiques :
Fe^>Fe2++2e (2.1)
Fe2+ + 2(OH)' -> Fe(OH)2 (hydroxyde ferreux) (2.2)
4Fe(OH\ +2H20 + 02^> 4Fe(OH\ {hydroxyde ferrique) (2.3)
- reaction cathodique:
En temps normal, l'acier est protege par un film d'oxyde ferreux impermeable et adherant a la surface de l'acier dans un milieu alcalin (pH>ll,5). L'acier ne pourra done se corroder tant que le pH de la solution restera assez elevee et que le film d'oxyde de fer demeurera en bonne condition ce qui n'est pas toujours le cas en pratique. Lorsqu'un front de pH plus faible atteint les alentours de la surface des elements d'armature interne, la couche protectrice disparait et la corrosion peut se produire si l'oxygene et l'humidite necessaire a la corrosion sont presents. Le mecanisme de corrosion est soit associe a la carbonatation ou encore a la diffusion d'ions chlore favorisee par la presence de sels de deglacage.
Figure 2.1 Schema de la corrosion electrochimique en presence de chlorures (Neville, 2000)
La carbonatation est la reaction entre la chaux presente dans beton, Ca(OH)2, et l'acide carbonique, H2CO3, provenant de la dissolution du dioxyde de carbone dans l'eau (equation 2.5).
Ca(OH)2 + H2C03 -> CaCO, + 2H20 (2.5)
Cette reaction a pour effet de diminuer le pH de la solution interstitielle dans la pate durcie de ciment Portland d'une valeur de l'ordre de 12,6 a 13,5 a environ 9 (Neville, 2000; Tagnit-Hamou, 2002) rendant ainsi la passivation impossible. Le taux de carbonatation depend de la
Le probleme de l'attaque du beton par les chlorures est dans la plupart des cas cause par les sels de deglacage. Une exposition prolongee ou repetee peut entrainer avec le temps une forte concentration de chlorures a la surface des armatures. Des mesures visant a eliminer les problemes de corrosion de l'acier ont ete prises sans toutefois inhiber celle-ci completement. Le perfectionnement du beton avec des adjuvants et des ajouts cimentaires a permis d'ameliorer de facon significative la penetrabilite du beton et augmenter sa resistivite, contribuant ainsi a reduire la vitesse de corrosion (Neville, 2000).
Une autre solution envisagee pour proteger l'armature d'acier contre la corrosion est la galvanisation de cette derniere. Cette technique permet de recouvrir la surface de l'armature avec une mince couche de zinc. Celui-ci reagit avec l'hydroxyde de calcium du beton pour former un film protecteur pouvant retarder la reaction de corrosion de l'acier. Cependant, cette technique a entraine d'autres reactions secondaires nefastes telles que l'electrolyse entre l'acier et le zinc (Nkurunziza, 2004).
Comme la corrosion de l'acier est un processus electrochimique, des techniques de protection cathodique visant a porter le potentiel electrique de l'acier a un niveau tel que la corrosion ne peut pas se produire ont ete envisagees. Selon les applications, l'usage de ces techniques entraine des couts eleves et n'elimine pas le probleme de la corrosion a long terme.
La protection des barres d'acier par un revetement d'epoxy connut certains succes dans les annees soixante dix. L'usage des barres recouvertes exige en effet plus d'attention' lors de la manipulation et de l'entreposage pour eviter l'endommagement du revetement qui pourrait creer des sites preferentiels de corrosion. De plus, le prix de ces barres est presque le double de celui des barres d'acier conventionnelles. Des cas de corrosion ont aussi ete signales sur des ponts construits a l'aide d'acier revetu de resine epoxy, ce qui a pousse les chercheurs a promouvoir de nouvelles techniques de renforcement contrant plus efficacement la corrosion de l'acier d'armature (Fanous et Wu, 2005).
2.3 Description des composites
Les materiaux de PRF sont en fait des materiaux composites consistant en des fibres, jouant le role de renfort mecanique, enrobees de resine polymerique, servant quant a elle au transfert de charge et a la protection chimique des fibres (figure 2.2). Les fibres sont idealement elastiques et plus resistantes mecaniquement que la matrice. Pour les applications en genie civil, la fraction volumique de fibres doit etre superieure a 55 % pour assurer une optimisation performances mecaniques esperees (ISIS, 2006). Les performances mecaniques du composite sont directement liees au type de fibres utilisees, ainsi qu'a leur qualite, orientation, longueur et geometrie (Lariviere, 1985). De plus, l'adhesion entre les fibres et la matrice polymeres joue un role preponderant dans le transfert de la charge entre les fibres, influencant done les performances mecaniques. Le procede de moulage affecte aussi grandement la qualite de consolidation ainsi que les proprietes physiques et mecaniques du composite moule.
2.4 Renforts et fibres
Ce sont les materiaux de renfort qui conferent aux composites leurs caracteristiques mecaniques (rigidite, resistance a la rupture, durete, etc.). Les caracteristiques principalement recherchees pour les renforts sont les caracteristiques mecaniques elevees, une masse volumique faible, une bonne compatibilite avec les resines, la facilite de mise en oeuvre et un cout le plus faible possible. De plus, les renforts peuvent egalement ameliorer certaines proprietes physiques du composites comme le comportement thermique, la resistance a l'abrasion et les proprietes electriques. Les renforts peuvent etre de nature vegetale, minerale, artificielle ou synthetique, et ils represented environ 20% a 85% de la masse du composite. Toutefois, la plus grande partie des renforts utilises sur le marche sont constitues de fibres. En fait, le choix d'un renfort, et des fibres le constituant passe par la determination des caracteristiques esperees pour le composite.
2.5 Type de renforts
Les principaux renforts utilises en genie civil sont de type lineaire et sont tout simplement constitues de meches de fibres. Lors de la fabrication des fibres, ces dernieres sont etirees en fil qu'on appelent monofilament. Le diametre des monofilaments est de l'ordre de quelques microns. Pour arriver a avoir un renfort ayant les proprietes voulues, ces monofilaments sont agglomeres par centaine dans un plus gros fil appele meche ou plus communement « roving ». Les meches sont ensuite enroulees sur des bobines et envoyees chez l'industriel, (figure 2.3). En fait, les meches sont soit utilisees tel quel dans le cas de certains procedes de moulage (enroulement filamentaire, pultrusion) ou soit coupees en bout plus petits par le procede de projection. L'utilisation de meches pour la fabrication mene parfois a une orientation unidirectionnelle des fibres, done a une anisotropie des proprietes caracteristiques comme e'est le cas des barres de renforcement de beton arme par exemple.
Figure 2.3 Bobine de meche de fibre de verre
2.6 Fibre de verre
La fibre de verre est de loin le type de fibre le plus utilise en industrie, le domaine du genie civil n'y faisant pas exception. Ce type de fibre est elabore de facon a obtenir des fibres de verre de tres faible diametre (quelques microns). Sous cet etat, le verre perd son caractere fragile si bien connu pour arborer de relativement bonnes proprietes mecaniques. Les fibres de verre sont des produits peu couteux, associees a des procedes de moulage relativement simples. Les caracteristiques rattachees aux fibres de verre leur donnent un excellent rapport performance/prix. En effet, les fibres de verre ont une resistance en tension elevee, d'excellentes proprietes isolantes magnetiques et thermiques et sont de loin les moins couteuses (Lariviere, 1985).
Le verre provient surtout du sable de silice auquel on ajoute des materiaux bruts tel que la pierre a chaux, l'argile, le charbon, le fluorine et l'acide borique. Ces materiaux sont melanges puis introduits dans un fourneau hautement refractaire ou ils sont fondus a une temperature avoisinant 1370°C (Mallick, 1988). Le verre fondu passe ensuite dans une filiere de platine-rhodium ou il est etire et oriente pour former des filaments continus ou discontinus. Le refroidissement des fibres de verre est tres rapide, passant d'environ 950 a 95°C en 0,2 secondes, ce processus induit des contraintes residuelles de compression a la surface des fibres.
2.6.1 Types de verre
Les fibres de verre sont fabriquees a partir de verre filable. Differents types de verre peuvent etre utilises, conferant differentes caracteristiques aux fibres. Le tableau 2.1 resume bien les caracteristiques generates associees aux differents types de verre.
TABLEAU 2.1 CARACTERISTIQUES GENERALES. DES DIFFERENTS TYPES DE VERRE UTILISES Type de verre E D A C R, S Caracteristiques generates
Usage general, bonnes proprietes electriques Hautes proprietes dielectriques
Haute teneur en alcali Bonne resistance chimique Haute resistance mecanique
Dans la pratique, la grande majorite des renforts a base de fibre de verre sont constitues de fibre de verre E vu leurs bonnes proprietes et leur faible cout. Pour ce qui est des autres types, ils sont utilises pour des applications tres ciblees. Par exemple, le verre D peut etre utilise pour ses hautes proprietes dielectriques dans des applications reliees a la construction de materiel electronique de telecommunication. Pour ce qui est du verre C, il est surtout utilise pour les couches superficielles d'applications en contact avec des produits chimiques. Les verre R et S peuvent, pour leur part, etre utilises dans des applications necessitant de tres bonnes proprietes mecaniques, des structures mecaniques par exemple. Ce qui differencie les types de verre entre eux est surtout relatif aux compositions de ces derniers. Le tableau 2.2 presente les compositions des verres de types E, D et R.
II est interessant de noter la faible proportion d'oxydes alcalins dans le verre de type R, a la difference du verre de type E. Ce fait conduit a des temperatures de transformation elevees, avec des consequences techniques et economiques.
TABLEAU 2.2 COMPOSITION DES VERRES DE TYPES E, D ET R
Constituants Silice Si02 Alumine AI2O3 Chaux CaO Magnesie MgO Oxyde de bore B2O3Fluor F
Oxyde de fer Fe203
Oxyde de titane Ti02 Oxyde de sodium Na20
Oxyde de potassium K2O
Composition en masse (%) Verre E 53 - 54 14-14.5 2 0 - 2 4 6 . 5 - 9 0 - 0 . 7 <1 • < 1 Verre D 73 - 74 0 1.5-0.6 2 2 - 2 3 0 0.1-0.2 1.3 1.5 Verre R 60 25 9 6 0 0 0 0 0 0 2.6.2 Proprieties mecaniques
Les proprietes mecaniques des fibres seules sont donnees a la sortie de la filiere, soit lors de la fabrication des fibres, ou apres l'ensimage, soit apres avoir subi les traitements necessaires a leur utilisation. Le tableau 2.3 montre les valeurs des proprietes mecaniques des fibres de verre en sortie de filiere. Le tableau 2.4 montre les contraintes a la rupture sur monofilament et filament de verre suite a l'ensimage. Le tableau 2.5 montre les caracteristiques a la rupture d'un Til industriel, deduites des caracteristiques mesurees sur un composite unidirectionnel resine epoxyde/filament de verre.
TABLEAU 2.3 CARACTERISTIQUES MECANIQUES DU VERRE DE TYPES E ET R MESUREES SUR FILAMENTS EN SORTIE DE FILIERE
(Lariviere, 1985)
Caracteristiques
Masse volumique (kg/m3)
Module d'Young (GPa) Contraite a la rupture (MPa) Allongement a la rupture (%) Coefficient de Poisson (u)
Verre E 2600 73 3400 4.4 0.22 Verre R 2550 86 4400 5.2 —
TABLEAU 2.4 CONTRAINTE A LA RUPTURE MESUREES SUR
MONOFILAMENTS ET FILS DE BASE (MPA) (Lariviere, 1985)
Monofilament preleve a la sortie de la filiere Monofilament preleve sur fil industriel
Filament industriel (regroupement de monofilaments)
Verre E 3400 2200 1300 Verre R 4400 3600 1850
TABLEAU 2.5 CARACTERISTIQUES A LA RUPTURE D'UN FILAMENT INDUSTRIEL (Lariviere, 1985)
Contrainte a la rupture (MPa) Allongement a la rupture (%) Verre E 2500 3.4 Verre R 3300 4
Le tableau 2.4 montre clairement que les valeurs obtenues semblent indiquer une chute des caracteristiques lorsque le nombre de filaments augmente. En effet, si on compare les proprietes d'un monofilament avec celles d'une agglomeration de monfilaments on voit que la contrainte a la rupture chute. Ce phenomene est du a l'agmentation du nombre de defauts plus grands dans les monofilaments utilises dans les filaments industriels comparativement aux monofilaments preleve en sortie de filiere. Toutefois, il est tres difficile de bien appliquer une
charge sur un monofilament en sortie de filiere. En effet, avant l'ensimage des fibres, la repartition uniforme de la charge est difficile et les valeurs obtenues sont discutables. Pour de meilleurs resultats, il est pertinent de comparer les valeurs obtenues au tableau 2.5 avec celles du tableau 2.4. II est clair, en comparant ces valeurs, que les resultats obtenus pour le filament industriel sont tres pres de celles obtenues pour un monofilament venant de ce meme filament industriel. Bref, ces valeurs peuvent etre considerees comme etant representatives des ruptures de materiaux composites allies de fibre de verre. II est aussi interessant de noter que les fibres de verre gardent lew proprietes mecaniques jusqu'a des temperatures d'environ 200 a 250°C, ce qui rend leur utilisation possible meme pour les applications a hautes temperatures.
2.7 Fibre de carbone
Les fibres de carbone sont un type de fibre utilise principalement pour leurs excellentes proprietes mecaniques et leur bonne conductivite thermique et electrique. En effet, le graphite a une structure hexagonale d'atomes de carbone, disposes en plans cristallographiques paralleles. Les liaisons entre atomes de carbone de plans voisins sont faibles, conferant ainsi de bonnes proprietes de conduction thermiques et electriques. A l'oppose, les liaisons entre atomes voisins de meme plan sont fortes, conferant ainsi d'excellentes proprietes mecaniques dans la direction parallele au plan cristallographique. Dans cette direction les valeurs theoriques du module d'Young et de la resistance a la rupture sont respectivement de 1200 GPa et 20 000 MPa. Les fibres industrielles n'ont cependant pas ces proprietes vu les imperfections des structures cristallines obtenues lors de la fabrication des fibres. Toutefois, les valeurs obtenues pour les fibres elaborees demeurent elevees et peuvent atteindre des valeurs de 650 GPa pour le module d'Young et 4000 MPa pour la resistance a la rupture. D'autre part, la masse volumique du graphite est faible, influencant ainsi le poids leger des pieces fabriquees a partir de fibres de carbone. Bref, la fibre de carbone est caracterisee par d'excellentes proprietes mecaniques alliees a une faible densite, resultant en une utilisation de plus en plus grandissante pour des applications demandant des performances accrues.
2.8 Fibre d'aramide
Les fibres d'aramide sont caracterisees par une resistance a la traction et un module d'elasticite eleves ainsi qu'une grande resistance aux hautes temperatures et a la corrosion. Trois types de fibres d'aramide se retrouvent sur le marche : Kevlar (produit par Dupont aux Etats- Unis d'Amerique); Twaron (par Aramide Maarschappijvof (AKZO)) aux Pays-Bas et Technora (par Teijin) au Japon. De toutes les fibres disponibles, l'aramide possede la plus faible densite et le plus grand rapport resistance/poids. Elle est aussi la seule fibre organique utilisee dans les applications structurales. Vu leurs proprietes mecaniques, les fibres d'aramide sont plutot utilisees pour des applications specifiques. En effet, vu leur legerete et leur bonne resistance a l'impact, ces renforts sont tres utilises dans le domaine de la defense pour des applications en balistiques, vu leur grande resistance a l'impact. De plus, les fibres d'aramide se retrouvent aussi sous forme de structures de renforts hybrides, les melangeant a des fibres de carbone ou de verre, ce qui permet leur utilisation dans des applications de haute performance (course automobile, sport d'elite, aeronautique, etc.). C'est aussi souvent sous cette forme que les renforts d'aramide sont utilises pour des applications en genie civil.
2.9 Matrice polymerique
Plusieurs types de resine se retrouvent sur le marche. Un choix de resine eclaire doit etre realise en fonction des proprietes chimiques et physiques recherchees. Ces resines sont utilisees dans plusieurs domaines allant de la grande diffusion jusqu'aux applications de hautes performance en aeronautique. Les resines thermodurcissables, contrairement aux thermoplastiques, ne peuvent etre recyclees en les ramenant a leur etat liquide. En effet, leur durcissement par polymerisation reticulaire est du a l'ajout de catalyseur propre a chaque type de resine utilisee.
Le role de la matrice est de maintenir les fibres en position, de transmettre et de distribuer les sollicitations mecaniques exterieures au renfort, de fournir un support lateral agissant contre le voilement des fibres sous compression et de proteger les fibres contre les abrasions mecaniques et les agressions environnementales. Toutes les matrices des PRE sont organiques
et produites par la polymerisation de molecules de faible masse moleculaire. Ce polymere obtenu est done une longue chaine moleculaire fourni par 1'assemblage d'une ou plusieurs unites liees entre elles par des liaisons covalentes (Mallick, 1988). A l'etat solide, les chaines de polymeres sont distributes de facon aleatoire (polymeres amorphes) ou soit de facon semi-ordonnees (polymeres semi-cristallin). Le choix du polymere doit etre fait en fonction de l'environnement d'application.
Un des parametres importants concernant les proprietes physiques des polymeres est la temperature de transition vitreuse Tg. Pres de la Tg, le materiau polymere passe d'un solide dur
a un solide flexible et viscoelastique. Lorsqu'une charge mecanique exterieure est appliquee a des temperatures avoisinnant la Tg, il demontre une deformation elastique instantanee suivi
par une deformation visqueuse lente.
Une matrice doit posseder une elongation a la rupture superieure a la fibre pour bien proteger cette derniere. De plus, elle ne doit pas subir de retrait significatif lors de la polymerisation de facon a ne pas induire de contraintes residuelles resultant d'une micro-fissuration et une generation de vides. Les resines polymeres utilisees en genie civil sont divisees en deux groupes soit: les thermoplastiques (s'adoucissent sous la chaleur et se durcissent sous le froid) et les thermodurcissables.
Les resines les plus utilisees dans les applications de composites structuraux sont les thermodurcissables (apres polymerisation elles subissent une reaction chimique irreversible). Elles forment trois categories : le polyester, le vinylester et l'epoxy et elles representent 80 % de toutes les resines utilisees. Les materiaux de base utilises dans la polymerisation des polymeres thermodurcissables (TD) sont des monomeres liquides de faible masse moleculaire et de faible viscosite. Les fibres y sont plongees avant que la reaction de polymerisation ne commence. La faible viscosite de ces monomeres permet une bonne impregnation des fibres sans qu'une augmentation de temperature ou de pression ne soit necessaire. La polymerisation se fait par l'application d'un catalyseur et, dans certains cas, une elevation de la temperature peut etre utilisee. La synthese des polymeres TD est realisee par l'ajout d'un monomere de pontage. Ensuite, durant la phase de polymerisation, les chaines moleculaires des polymeres
TD sont jointes chimiquement par des liaisons covalentes intermoleculaires, formant ainsi un reseau tridimensionnel rigide. Une fdis ces liaisons formees, les polymeres TD ne peuvent plus etre fondus ou remoules par une application de chaleur et de pression. Autrement dit, la reticulation est irreversible et la structure obtenue demeure infusible. Cependant, si le nombre de liaisons est faible, il peut etre encore possible de les ramollir a temperature elevee. Les resines thermodurcissables possedent une grande stabilite thermique et une grande resistance chimique et sont ainsi peu susceptibles au fluage et a la relaxation.
2.10 Resines polyesters insaturees (UP)
Les resines polyesters insaturees sont les resines les plus utilisees, en tonnage, dans l'industrie des composite (Lariviere, 1985). Leur forte utilisation est due a plusieurs facteurs de nature technique et economique. En effet, leur faible cout de production, leur grande diversite offrant plusieurs alternatives de production et leur facilite de mise en oeuvre et d'automatisation de leur procede de mise en forme font de ce type de resine la plus populaire pour les applications de grande diffusion. Le tableau 2.6 presente les principales caracteristiques des resines polyesters et le tableau 2.7 presente les avantages et inconvenients relatifs a leur utilisation.
TABLEAU 2.6 CARACTERISTIQUES PHYSIQUES ET MECANIQUES DES RESINES POLYESTERS INSATUREES
Masse volumique Module d'elasticite en traction
Module d'elasticite en flexion Contrainte a la rupture en traction
Contrainte a la rupture en flexion Allongement a la rupture en traction
Allongement a la rupture en flexion Resistance en compression
Resistance en cisaillement
T° de flechissement sous charge (1.8MPa)
1200 kg/m-3 2.8 a 3.5 GPa 3 a 4.5 GPa 50 a 80 MPa 90 a 130 MPa 2 a 5% 7 a 9% 90 a 200 MPa 10 a 20 MPa 60 a 100 °C
TABLEAU 2.7 PRINCIPAUX AV ANT AGES ETINCONVENIENTS LIES A L'UTILISATION DES RESINES UP (Lariviere, 1985)
Avantages
Bonne rigidite
Bonne stabilite dimensionnelle Bonne mouillabilite des fibres
Facilite de mise en oeuvre Relativement bonne tenue chimique
Faible cout de production
Inconvenients
Faible temperature d'utilisation Sensibilite a la fissuration
Retrait important Grande absorption d'humidite Mauvaise resistance aux rayons UV
Resine inflammable
On distingue deux types de resines polyesters insaturees : les resines orthophtaliques et les isophtaliques. La structure chimique d'une resine isophtaliques standard est presentee a la figure 2.4.
0 . 0| 0
c=c^-c-o[c-c-o-c/
*fenotes reactive sites
0 II
C-0 •c-c 0-CfC=C-a<HC-C-OH Hi li
n=3 to6
Ester groups
Figure 2.4 Structure chimique d'une resine polyester isophtalique standard
Les resines orthophtaliques sont celles les plus utilisees pour les applications a large diffusion ou les proprietes et performances du composite ne sont pas primordiales. II s'agit d'un type de resine tres bon marche. Pour ce qui est de la resine isophtalique, elle est plutot utilisee pour des applications generates demandant des proprietes mecaniques un peu superieures a celles d'une orthophtalique, sans toutefois necessiter de tres grandes resistances chimiques, mecaniques et physiques. Les domaines d'applications pour les resines polyesters insaturees sont surtout les applications communes comme les bains, douches, coques de bateau, vehicules recreatifs, et bien d'autres applications visibles dans la vie de tous les jours. Ce type de resine est utilisable en genie civil, mais le concepteur doit prendre de serieuses precautions
a savoir l'environnement dans lequel les pieces seront mises en service, soit en renforcement interne ou externe du beton. Un environnement montrant des signes probables d'attaques chimiques, renforts internes de beton par exemple, est a proscrire. Toutefois, l'emploi de ce type de resine pour des questions de rehabilitation de structures dans un environnement sans risque de feu eminent, sans exposition aux chimiques et/ou aux rayons UV est une solution potentielle.
2.11 Resines vinylesters (VES)
Les caracteristiques de cette resine en font la resine la plus utilisee dans les armatures en materiaux composites (Tannous et Saadatmanesh, 1998). Leur utilisation est surtout privilegiee dans l'industrie chimique et l'industrie du batiment. En effet, ce type de resine est caracterise par une tres bonne resistance chimique et a l'avantage d'etre auto-extinguibles lorsque quelques phr d'halogene. Bref, il n'est pas rare de rencontrer des structures (poutres, escaliers, reservoirs de produits chimiques) d'usines oeuvrant dans l'industrie chimique completement fabriquees en composites a matrice vinylester pour ainsi prevenir la corrosion. Une application bien connue en genie civil est bien sur l'utilisation de cette resine pour les barres de renforcement du beton arme. Cette resine resiste bien aux alcalins du beton permettant une bonne tenue en mecanique. II est a noter que les caracteristiques generates des resines vinylesters sont assez proches de celles des resines polyesters, done les proprietes mecaniques et physiques du tableau 2.6 sont pratiquement applicables. La structure chimique d'une resine vinylester est presentee a la figure 2.5. Le tableau 2.8 presente les avantages et inconvenients relatifs a l'utilisation des resines vinylesters.
c-dc-opc-c-c-o-^
^denotes reactive sites Ester groups
°m
n=1 to 2
TABLEAU 2.8 PRINCIPAUX AV ANT AGES ET INCONVENIENTS LIES A L'UTILISATION DE RESINES VINYLESTERS
Avantages
Bonne tenue en fatigue Bonne fluidite
Bonne mouillabilite des fibres Bonne adhesion aux fibres Excellente resistance chimique
Bonne resistance au feu
Inconvenients
Cout relativement eleve
Sensibilite a la figuration en conditions humides
Fumee dense lors de la combustion
2.12 Resines epoxydes (EP)
Les resines epoxydes sont les plus utilisees apres les resines polyesters insaturees. Toutefois, elles ne represented que 5% du marche des composites. Cette faible part de marche est principalement due a leur prix beaucoup plus eleve comparativement aux resines polyesters insaturees. Ce type de resine est surtout utilise pour les applications de hautes performances dans les domaines de l'aeronautique, du sport d'elite et de la defense en raison de ces proprietes mecaniques elevees. La structure chimique d'une resine epoxyde est presentee a la figure 2.6. Le tableau 2.9 presente les principales caracteristiques des resines epoxydes et le tableau 2.10 presente les avantages et inconvenients relatifs a leur utilisation.
ff CHj
CHj-CH-CHrO^ V c - f >0-CHrCH"CH:
0 0
TABLEAU 2.9 CARACTERISTIQUES PHYSIQUES ET MECANIQUES DES RESINES EPOXYDES (Lariviere, 1985)
Masse volumique Module d'elasticite en traction Contrainte a la rupture en traction
Contrainte a la rupture en flexion Allongement a la rupture Resistance en compression
Resistance en cisaillement
T° de flechissement sous charge (1.8MPa)
llOOalSOOkg/m3 3 a 5 GPa 60 a 80 MPa 100 a 150 MPa 2 a 5% 90 a 200 MPa 30 a 50 MPa 290 °C
TABLEAU 2.10 PRINCIPAUX AV ANT AGES ET INCONVENIENTS LIES A L'UTILISATION DES RESINES EPOXYDES
Avantages
Proprietes mecaniques superieures Temperature d'utilisation elevee
Excellente resistance chimique Faible retrait
Tres bonne mouillabilite Excellente adherence
Inconvenients
Polymerisation longue Cout eleve
Mise en ceuvre plus complexe Sensibilite a la fissuration
Ce type de resine est quelques fois la solution pour des applications dans le domaine du genie civil, si ces dernieres demandent des proprietes mecaniques a la hausse tout en montrant une relativement bonne resistance aux produits chimiques. II est a noter que pour arriver a obtenir de bonnes proprietes mecaniques avec des resines epoxydes, la polymerisation doit etre parfaitement completee et un recuit doit etre realise a des temperatures moyennement elevees 50 a 100 °C). Ce fait vient expliquer l'inconvenient relatif a une mise en ceuvre plus
2.13 Resines de condensation (PF, MF, UF)
Trois types de resines constituent le coeur de cette famille de resines thermodurcissables. Leur appellation de resine de condensation vient de leur procede de fabrication qui demande une poly-condensation entre le formol et soit le phenol (PF), l'uree (UF) ou la melamine (MF).
Les resines phenoliques (PF) sont les resines thermodurcissables les plus anciennes utilisees dans le domaine des materiaux composites modernes. Ces resines sont encore utilisees dans les domaines demandant de bonnes performances au feu puisqu'elles sont auto-extinguibles.
Les resines aminoplastes (UF et MF) sont des nouvelles generations de resines de condensation avec des caracteristiques tres voisines de celles des resines phenoliques en plus d'avoir l'avantage de pouvoir etre utilisee dans le domaine alimentaire. Le tableau 2.11 presente les principales caracteristiques des resines phenoliques et le tableau 2.12 presente les avantages et inconvenients relatifs a leur utilisation.
TABLEAU 2.11 CARACTERISTIQUES PHYSIQUES ET MECANIQUES DES RESINES PHENOLIQUES
Masse volumique Module d'elasticite en traction Contrainte a la rupture en traction
Contrainte a la rupture en flexion Allongement a la rupture en traction
Resistance en compression
T° de flechissement sous charge (1.8MPa)
1200 kg/m3 3 GPa 40 MPa 90 MPa 2.5% 250 MPa 120 °C
