December edition. Vol.2. N2. (2014) ISSN : 2335-1020
Influence du taux de fibres de polypropylène sur les performances mécaniques d’un poly composite en micro béton à motrice polyester
Ghania Mirouzi1, Bachir Redjel1, Raoul Jauberthie2
1. Laboratoire de Génie Civil, Université Badji Mokhtar, Annaba, BP 12, Annaba, 23000, Algérie.
2. Département de Génie Civil et Génie Mécanique, LGCM, EA 3913, INSA de Rennes, 20 av. Buttes de Coësmes, 35708, Rennes cedex 7, France.
RESUME-Des micro-bétons à résine polyester sans renfort (témoin) et renforcée de 5 taux de fibres de polypropylène injectées de façon aléatoire dans la matrice (1%, 2%, 3%, 4% et 5%) ont été formulés selon une démarche empirique basée sur le principe du point de saturation des sables avec la résine et confectionnés avec un mélange de 60% de sable fin et de 40% de sable moyen et de différents rapports Gravier /Sable (G/S = 0.5, 1 et 1.5). Pour cette étude, la saturation est obtenue à un taux de 30% de résine. En flexion, le comportement mécanique de ces poly-composites est linéaire du début de chargement jusqu’à la ruine des échantillons traduisant leur caractère fragile. En sollicitation de compression, une ductilité limitée est constatée. Les fibres de polypropylène ne semblent pas avoir une amélioration significative des résistances mécaniques en flexion et en compression de ces matériaux.
Mots Clés:résine polyester, polypropylène, point de saturation, polycomposite, comportement mécanique. I.Introduction
Le développement des matériaux de construction, explore de plus en plus des voies nouvelles pour répondre rapidement aux exigences de la production des constructions nouvelles ou des réparations en introduisant de nouveaux matériaux et de nouvelles techniques [1]. Ainsi, avec l’apparition et le développement de nouvelles technologies et de nouveaux procédés de construction, le besoin en matériaux innovants dont les caractéristiques et la méthodologie d’emploi s’adaptent mieux aux exigences de la performance, de la durabilité et de la qualité s’accroit de plus en plus [2].
Cependant, la recherche des matériaux les plus appropriés doit prendre en compte les ressources disponibles, les solutions fonctionnelles visées, la préservation de l’environnement et aussi les contraintes esthétiques [3]. Ainsi, les bétons de résine dont Corresponding author: Bachir REDJEL
Research field: Mécanique appliquée et Matériaux Adress. Labo Génie Civil, Université Badji Mokhtar, BP 12, 23000, Annaba, Algérie
E-mail: bredjel@]yahoo.fr
le liant est constitué entièrement d’un polymère organique synthétique sont des poly composites en plein essor du fait de leurs bonnes performances mécaniques et de leurs intérêts économique et écologique [4]. Afin d’augmenter encore leurs performances mécaniques, les microstructures sont de plus en plus travaillées et améliorées en fonction des performances désirées (absorption d’énergie, durabilité…) et sont aussi associées à des renforts naturels ou synthétiques sous forme de fibres ou de tissus [5-6-7]. Différents poly composites ont ainsi été fabriqués à base de résines polyester, epoxy, furanique ou acrylique. Fonctionnelles visées, la préservation dede bateau et de carrosseries d’automobiles [8-9-10-11].
Le développement de ces matériaux dans le domaine de la construction est relativement récent. La morphologie des renforts étant parfois variable et complexe, leur comportement spécifique nécessite des moyens d’analyse et de compréhension fiables et adaptés [12].
L'objectif de cette étude est d’optimiser la formulation d’un béton à base de résine
polyester renforcée de fibres de polypropylène en vue d’obtenir un poly-composite d’un niveau de fiabilité acceptable et doté de caractéristiques mécaniques intéressantes.
II. Matériaux et Dispositifs D’essais II.1 Matériaux
Les matériaux utilisés sont un sable de dune fin de module de finesse 1.67, un sable de dune moyen de module de finesse 2.10, un gravier de fraction 3/8 et un liant sous forme de résine polyester liquide, de masse volumique 1.11 g/cm3. Les additifs qui sont un accélérateur et un durcisseur ont été fournis sous forme de liquide. Une huile servant d’isolant de résine a été utilisé pour éviter le collage entre la résine et le moule.
Les fibres utilisées sont des fibres de polypropylène fabriquées et commercialisées par « Granitex ». Leurs propriétés physique et chimique données par le fabriquant se résument ainsi :
Longueur de la fibre ………..12 mm Densité……….. 0.9 g/cm3 Point de fusion ………. 150 °C Module de Young ……….. 3000 MPa Allongement à la rupture ………… …50%
Section de la fibre………. .30 microns Les caractéristiques physiques mesurées des composants ainsi utilisés sont rassemblées dans le tableau 1.
Tableau 1. Caractéristiques physiques des sables et du gravier étudié.
Caractéristiques Sable fin
Sable moyen
Gravier 3/8
Module de
finesse
1.67 2.10 --- Masse volumique
apparente (g/cm3) Masse volumique absolue (g/cm3) Porosité (%) Propreté (ES en (%)
1.33
2.39 44.50 87.32
1.32
1.32 42.60 89.78
1.25
2.50 50 ---
Il est à remarquer que le module de finesse du sable moyen est plus grand que celui du sable fin ; le sable moyen possédant la meilleure granulométrie. La masse volumique absolue du sable moyen est inférieure à celle du sable fin et à celle du gravier. Par ailleurs, les valeurs
moyennes des équivalents du sable qui sont supérieures à 80 indiquent que les sables utilisés sont très propres.
II.2 Eprouvettes et Expérimentation
Deux types d’éprouvettes ont été utilisés : des éprouvettes prismatiques de dimensions 4×4×16 cm pour l’essai de traction par flexion 3 points et les demi- éprouvettes obtenues après l’essai de flexion destinées à être testées en compression. Des plaques d’acier standard permettent de réglementer les surfaces d’écrasement en contact avec les plateaux de la machine à 4x4 cm2.
Après 24 heures de conservation dans l’eau, les éprouvettes sont ensuite conservées dans une étuve à une température de 110 °C pendant 24 heurs.
L’essai de flexion a été mené sur une machine de flexion dotée d’un montage de flexion 3 points à chargement manuelle à une vitesse lente et constante. Les appuis sont constitués par des rouleaux en acier. La force appliquée croit régulièrement de manière continue jusqu’à la rupture totale de l’échantillon. Pour obtenir la loi de comportement, des essais ont été réalisés sur une machine universelle Zwick-Roell de type Z020 dotée d’un capteur de force de 20KN et pilotée par un micro ordinateur (figure 1).
Fig. 1 Dispositif de flexion 3 points.
Les essais de compression ont été menés sur une presse de compression de 10 tonnes. Il s’agit de déterminer la contrainte de compression conduisant à l’écrasement d’une demie- éprouvette de micro béton de polymère (figure 2).
Fig. 1 Dispositif de compression.
III. Formulation
Cette étude expérimentale s’est articulée sur une approche donnée par une méthode empirique se basant sur le principe du point de saturation des sables avec la résine [4-13].
Pour obtenir la saturation du béton, il a été procédé à la variation du taux de résine par pas.
Le pourcentage de résine est choisi par rapport au poids du sable. La démarche empirique a conduit à opter pour une valeur moyenne se situant entre 25% et 30% de résine. Ainsi, après des essais préliminaires, un taux de 30 % de résine a été adopté comme point de saturation optimisé avec 1% de durcisseur par rapport au pourcentage de la résine. Selon une étude antérieure le mélange de 60% de sable fin et de 40% de sable moyen et des différents rapports G/S (0.5, 1, 1.5, 2) est apparu comme étant le mélange optimal à prendre comme référence dans la formulation des bétons de résine fabriqués [4]. En plus du béton témoin (0% de fibres), différents taux de fibres de polypropylène à savoir 1% ; 2% ; 3% ; 4% et 5% injectés dans le poly-composite de béton ont fait l’objet d’expérimentation.
Par ailleurs, trois rapports Gravier/Sable (G/S = 0,5 – G/S = 1 et G/S = 1,5) ont été formulés.
IV. Résultats et Analyse
La figure 3 montre un exemple de relevé de courbe charge-déformation obtenu en flexion 3 points pour un poly-composite de béton de rapport G/S = 1 renforcé de 3% de polypropylène. Tous les autres bétons testés avec les différents taux de fibres et les 3
rapports de G/S expérimentés montrent le même comportement avec des courbes qui présentent la même allure linéaire jusqu’à la ruine de l’échantillon. Cette dernière est soudaine, franche et brusque. Elle est accompagnée d’un bruit illustrant son caractère fragile.
Fig. 3. Exemple de courbe charge-déplacement en flexion 3 points (G/S = 1 – Vf = 3% - lf = 12 mm).
Les tableaux 2 et 3 résument tous les résultats de mesure des résistances à la flexion et à la compression des bétons de résine fibrés pour les différents rapports Gravier/Sable (G/S) et aussi pour les différents pourcentages de fibres de polypropylène. Les chiffres entre parenthèse représentent les écarts-types évalués.
Tableau 2. Résistances à la flexion des bétons de résine.
Vf (%) Résistances mécaniques [MPa]
G/S=0.5 G/S=1 G/S=1.5 0% 17 ± (4.2) 24.5± (3.8) 29± (1.2) 1% 20.5±(4) 25± (3.5) 29.5± (3.6) 2% 19 ± (1.5) 26.5± (1.7) 26 ± (1.3) 3% 18± (3.5) 28.5± (1.1) 21.5± (1) 4% 19.5± (3) 22±(3) 23.5± (1.4) 5% 17.5± (3) 25.5±(2.6) 22± (2.3)
-1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000
-0,5 0 0,5 1
Force [N]
Déformation [mm]
Tableau 3. Résistances à la compression des bétons de résine.
Vf (%) Résistances mécaniques [MPa]
G/S=0.5 G/S=1 G/S=1.5 0% 40± (2) 45.5±(1.1) 55.5±(3) 1% 40.5±(5.6) 46.5±(2.5) 49±(4)
2% 44± (5.1) 46± (1) 48±(3)
3% 45.5±(1.4) 43± (2.5) 46±(0.3) 4% 44 ± (0.4) 55 ± (2.3) 62.5±(3) 5% 46.5±(0.4) 57± (2.3) 63±(3) L’ensemble des résultats de mesure se distingue par une forte dispersion caractéristique de ces matériaux composites granulaires et dont les origines peuvent être multiples. On peut citer entre autres le caractère aléatoire de la distribution du taux de fibres et de leur orientation qui ne sont pas uniformes, la densité de la porosité et sa distribution qui diffèrent d’un échantillon à un autre, l’hétérogénéité de la structure, la composition qui peuvent être aussi différentes d’une éprouvette à une autre. Tous ces phénomènes conjugués font que la rupture dans ces poly-composites peut être amorcée à différents niveaux de contraintes selon l’orientation, la localisation et les dimensions des défauts ainsi que la qualité de l’interface fibre-matrice.
Ces résultats obtenus sont illustrés sur les figures 4 et 5 qui traduisent la variation de larésistance à la flexion et celle à la compression en fonction du taux de fibres de polypropylène.
Fig.4. Résistance à la flexion en fonction du pourcentage des fibres de polypropylène.
Fig.5. Résistance à la compression en fonction du pourcentage des fibres de polypropylène.
Malgré la forte dispersion observée sur les résultats expérimentaux, il apparait que l’augmentation du pourcentage de fibre de polypropylène contrairement à celui du verre n’a pas une influence significative sur les résistances à la flexion et sur celles à la compression de ces poly-composites. Les résistances dans les deux cas semblent afficher une tendance constance jusqu’au taux de 5%
testé. Ainsi, les fibres de polypropylène qui influencent de façon positive la ductilité du béton de résine n’améliorent pas ses performances mécaniques et ont plutôt une action négative sur la maniabilité en absorbant de la résine pendant le malaxage comme il a été observé lors de la fabrication des poly- composites.
Les figures 6 et 7 montrent la variation des résistances à la flexion et à la compression en fonction du rapport G/S pour l’ensemble des pourcentages de fibres testés.
La dispersion sur les résultats rend difficile une observation d’une tendance claire. Cependant au vu des courbes et des valeurs des écarts types calculés les résistances à la flexion et à la compression semblent augmenter avec l’augmentation du rapport G/S dans les proportions testées. Ainsi, le rapport G/S égal à 1,5 semble représenter un optimum à considérer. Ceci rejoint les constatations relevées sur les tendances données par les figures 4 et 5.
0 5 10 15 20 25 30 35
0% 1% 2% 3% 4% 5%
Résistance en Mpa
Pourcentage des fibres
G/S=0.
5 G/S=1 G/S=1.
5
0 10 20 30 40 50 60 70
0% 1% 2% 3% 4% 5%
Résistance en Mpa
Pourcentage des fibres
G/S=0.5 G/S=1 G/S=1.5
Fig. 6. Influence du rapport G/S sur la résistance à la flexion des bétons de résine fibrés.
Fig. 7. Influence du rapport G/S sur la résistance à la compression des bétons de résine fibrés.
La comparaison des modes de rupture du béton de résine témoin et celui des bétons de résine fibrés en flexion, illustrée par les photos de la figure 8 montre clairement que ces derniers possèdent un caractère légèrement ductile lors de la rupture. Les éprouvettes après fracture restent attachées par les fibres de polypropylène sans aucun éclat constaté contrairement à l’éclatement en deux morceaux manifesté lors de la rupture des éprouvettes du béton témoin.
Le renfort engendre une rupture au milieu et le chemin de fissuration se fait au niveau de l’appui central.
Fig. 8. Mode de rupture des éprouvettes en flexion.
Les photos de la figure 9 montrent des illustrations du mode de rupture des éprouvettes en compression.
Fig. 9. Mode de rupture des éprouvettes en compression.
Dans ce cas, les mécanismes de fissurations semblent être les mêmes aussi bien pour les bétons de résine non fibrés que pour ceux fibrés.
On assiste beaucoup plus à des craquelures éparpillées un peu partout dans le corps de l’éprouvette. Ce mécanisme est différent des fissurations longitudinales en compression généralement observées dans les bétons traditionnels.
Par ailleurs, les observations microscopiques au MEB des faciès de rupture des demis éprouvettes rompues lors des essais de flexion sur le béton de résine sans fibres révèlent le contact résine-granulat. Il ne semble pas apparaitre de microfissures et l’adhérence est correcte comme le montre la figure 10.
Ceci était prévisible sur la rupture des échantillons. En effet à l’œil nu les ruptures étaient traversantes à l’intérieur des granulats.
Fig. 10. Contact résine-granulat
Des micros analyses EDS réalisées de part et d’autre de la surface de séparation ont permis de vérifier la nature des composants du béton. Les résultats sont indiqués sur la figure 11. Le 0
5 10 15 20 25 30 35
G/S=0.5 G/S=1 G/S=1.5
Résistance en Mpa
Rapport de G/S
0%
1%
2%
3%
4%
5%
0 10 20 30 40 50 60 70
G/S=0.5 G/S=1 G/S=1.5
Résistance en Mpa
Rapport G/S
0%
1%
2%
3%
4%
5%
spectre 1 et la microanalyse sont ainsi bien caractéristiques de la résine
Fig. 11. Nature des composants : spectre 1
V. Conclusion
La recherche de la formulation du béton de résine polyester s’articulant sur une démarche empirique utilisant le principe du point de saturation des sables avec la résine a révélé un taux de 30% adopté dans cette étude.
En flexion le poly-composite ainsi formulé et fabriqué affiche une courbe charge-déformation linéaire jusqu’à la rupture finale, caractéristique d’un comportement fragile.
Les éprouvettes témoins dans ce type de sollicitation éclatent en deux morceaux au moment de la ruine. Celles renforcés restent attachées par des ponts de fibres alors que l’interface a déjà cédée.
L’incorporation des fibres de polypropylène dans la composition de béton de résine ne semble pas améliorer ses caractéristiques mécaniques en flexion et en compression. Cette incorporation favorise plutôt une bonne ductilité notamment en compression de ces matériaux constatée lors de leur rupture.
Le rapport G/S égal à 1,5 représente un optimum dans la composition de ce type de poly-composites.
References
[1] G. Akhras smart structures and their applications in civil engineering Civil engineering report, CE97-2, RMC, Kingston, Ontario (Canada, 1997).
[2] G. Akhras Smart materials and smart systems for the future (Canadian Military Journal, automn 2000, pp.
25-31.
[3] Blaga, J.J. Beaudoin Le béton modifié aux résine Division des recherché en bâtiment, conseil national de recherches Canada, Digest de la construction au Canada 241F, (Otawa, 1986).
[4] G. Mirouzi Les bétons de résine polyester : formulation et comportement mémoire de Master 2, option Matériaux, Département Génie Civil, Université Badji Mokhtar, Annaba, (Juin 2010).
[5] A .K. Bledzki, J. Gassan Composites reinforced with cellulose based fibres Progress Polymer Science, 24, 1999, pp. 221-274.
[6] G. Mirouzi, B. Redjel, R. Jauberthie Influence du mode de renforcement sur les performances mécaniques d’un béton de résine polyester renforcée de fibres de verre E 1er congrès international sur le génie civil et le développement durable GCDD’11, Tébessa (17-19 Octobre 2011).
[7] Blaga Les thermoplastiques Division des recherches en bâtiment, Conseil national de recherches Canada, Digest de la construction au Canada 158F, (Ottawa, 1975).
[8] B.Chen, J. Liu Mechanical properties of polymer modified concretes containing expanded polystyrene beads Construction and building materials 21, 2007, pp.
7-11.
[9] Blaga Les plastiques thermodurcissables Division des recherches en bâtiment, Conseil national de
[10] recherches Canada, Digest de la construction au Canada 159F (Ottawa, 1975).
[11] R.B. Seymour Plastics, Mortar, Sealants and caulking compounds Ed. ACS Symposium, series 113, American chemical society (Washington, D.C, 1979).
[12] L.C. Zarnecki, T. Broniewski Resin concrete and polymer impregnated concrete: a comparative study Third international congress on polymers in concrete, Koriyama, Vol. 1, May 1981, Japon.
[13] G. Mirouzi, B. Redjel, R. Jauberthie Formulation et comportement mécanique de micro-bétons à matrice de résine polyester revue NATEC, issue 9, volume A : sciences fondamentales et engineering Juin 2013, pp.
19-27.
[14] M. Haider, I. El-Ghorbel Optimisation de la formulation de micro bétons de résine 26 ème rencontres universitaires de génie civil, Nancy 4-6 Juin 2008, France.
