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collage des composites de renforcement pour le génie
civil
Astrid Billon
To cite this version:
Astrid Billon.
Méthode d’évaluation non-destructive de la qualité du collage des composites de
renforcement pour le génie civil.
Matériaux.
Université Paris-Est, 2016.
Français.
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HESE
Présentée par :
Astrid BILLON
Pour obtenir le grade de :
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UNIVERSITE
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Spécialité :
Génie Civil
Sujet de la thèse :
Méthode d’évaluation non-destructive
de la qualité du collage
des composites de renforcement pour le génie civil
Thèse présentée et soutenue le 08 décembre 2016 à Marne-la-Vallée devant le jury composé de :
Emmanuel FERRIER Professeur – Université de Lyon Président du jury
Frédéric JACQUEMIN Professeur – Université de Nantes Rapporteur
Julien JUMEL Maître de Conférences – Université de Bordeaux Rapporteur
Yvon GICQUEL Ingénieur – Sika France SAS Membre invité
Jean-Paul BALAYSSAC Professeur – Insa Toulouse Examinateur
Marc QUIERTANT Chercheur – IFSTTAR Examinateur
Romain MAURIN Ingénieur de recherche – EDF R&D Examinateur
Frédéric TAILLADE Ingénieur de recherche – EDF R&D Co-directeur de thèse
1
Résumé de la thèse
Dans le secteur du génie civil, le renforcement structural et la réparation des ouvrages en béton par collage de polymère renforcé de fibres de carbone (PRFC) sont des techniques désormais répandues. Les performances et la durabilité du système de renforcement sont intrinsèquement liées à la qualité du collage entre le matériau composite et le béton. Or, en pratique, les conditions environnementales et les contraintes liées au chantier ne permettent pas toujours d’assurer l’intégrité de ce collage, dont les propriétés évoluent par ailleurs dans le temps en raison des phénomènes de vieillissement. L’évaluation in-situ par une méthode non-destructive de la qualité du collage est donc une étape importante pour garantir les propriétés d'usage tout au long de la vie du renforcement.
Une méthode d’évaluation non-destructive est développée dans le cadre de cette étude. Elle s’inspire de l’essai standard d’arrachement en traction directe bien connu sur le terrain. La méthode repose sur un essai mécanique qui caractérise le comportement charge – déplacement de l’assemblage, et permet d’exprimer un critère d’évaluation appelé raideur d’assemblage qui dépend notamment du module d’Young de l’adhésif utilisé.
La faisabilité en laboratoire de cette méthode est vérifiée sur un dispositif d’essai entièrement conçu pour les fins de l’étude. Un travail d’analyse et de dimensionnement basé sur une modélisation numérique par éléments finis permet de sélectionner des capteurs et une chaîne d’acquisition adaptés. Une formulation analytique partielle de la raideur d’assemblage est énoncée.
Une campagne expérimentale sur des éprouvettes de béton renforcées par lamelles de PRFC avec trois adhésifs époxy différents est ensuite mise en œuvre. Les résultats sont interprétés en suivant une approche statistique qui prend en compte les variations de tous les paramètres d’influence. Les performances de détection de l’essai dans le cadre de notre application en laboratoire peuvent ainsi être exprimées.
Des éléments contribuant à l’élaboration d’une méthodologie d’essai applicable in-situ sont apportés, et les performances de l’essai sont rediscutées en vue de cette transposition sur le terrain.
3
Abstract
Over the last 30 years, repairing and strengthening techniques of concrete structures using externally bonded carbon fiber reinforced polymer (CFRP) composites have gained much popularity and are now widespread. The effectiveness of the strengthening systems highly depends on the level of adhesion between the composite material and the concrete surface. Therefore, on-site evaluation of the bond quality is crucial to assess the performance and predict the durability of the reinforcement system.
It is proposed to determine the bond properties of the adhesive layer within the reinforcement system by using a nondestructive test (NDT) method derived from the standard and well-known pull-off test. This method consists in analyzing the linear load vs displacement behavior of the adhesive joint, in order to determine an assembly stiffness which can be related to the Young’s modulus of the adhesive layer.
In order to investigate the feasibility of the test method, a laboratory implementation is carried out on a mechanical device fully designed for the purpose of the present study. Suitable displacement sensors and an appropriate measurement chain are chosen based on a finite element modeling and a mechanical analysis of the test. A partial analytical form of the assembly stiffness is also expressed.
The test method is then applied to concrete slabs reinforced with CFRP plates using three different epoxy adhesives. A statistical assessment of all identified parameters of influence sheds light on the results. In the end, the performances of the test performed in laboratory conditions are discussed.
Finally, foundations for a relevant test methodology on real field conditions are laid, and the above-mentioned performances are reviewed.
5
Remerciements
Je tiens tout d’abord à remercier l’ensemble des membres du jury de soutenance pour avoir bien voulu examiner ce travail, et en particulier M. Emmanuel Ferrier pour avoir accepté de présider ce jury, et mes rapporteurs, MM. Frédéric Jacquemin et Julien Jumel, pour leurs critiques, commentaires et suggestions constructives.
Je souhaiterais également exprimer toute ma gratitude à mon directeur de thèse, M. Karim Benzarti, à mon co-directeur de thèse, M. Frédéric Taillade, ainsi qu’à mes conseillers d’étude, MM. Jean-Marie Hénault, Marc Quiertant et Romain Maurin, pour m’avoir accompagnée pendant ces trois années et pour tout ce que j’ai appris à leurs côtés au cours de ce cheminement.
Je voudrais aussi adresser mes remerciements à MM. Pierre Marchand et Arnaud Barthet, pour m’avoir accueillie dans leurs unités et m’avoir permis de travailler dans de bonnes conditions, ainsi qu’à M. Christophe Aubagnac pour avoir rendu possible la réalisation d’une partie des essais dans son équipe. Merci également à M. Jean-Luc Clément pour avoir veillé au bon déroulement de cette thèse.
Au long de ce chemin, j’ai rencontré trois personnes, qui m’ont fait profiter de leurs grandes qualités techniques et humaines : Jean-Claude Renaud, Arnaud Rolland et Jean-François Bouteloup. Un grand merci à eux, ce travail est aussi le leur.
Je souhaiterais remercier, d’une manière générale, l’ensemble des techniciens avec qui j’ai eu la chance de travailler, dont les grandes compétences techniques sont essentielles à toute activité expérimentale. Celles de Joël Billo, Marc Estivin et Franck Guirardo de l’IFSTTAR, et d’André Fléty, du Cerema à Autun, ont été cruciales pendant cette thèse. Merci également pour leur bonne humeur contagieuse.
Un grand merci à Erick Merliot pour le temps et la patience qu’il m’a accordés pour me former à la CAO.
J’aimerais également remercier Gaël Jan et Hervé Delcroix de Solartron – Ametek pour cette collaboration fructueuse, et pour leur assistance pendant la campagne expérimentale.
Des remerciements chaleureux vont à mes trois stagiaires, Rachel Osmundsen, Elodie Dangla et Sophie-Ingrid Kwamou, pour leur investissement et la qualité des résultats obtenus pendant leur stage. J’ai beaucoup appris d’elles.
Je pense également à mes co-bureaux et compagnons de labeur. Leur présence à mes côtés a été très précieuse pendant ces longs mois : Pierre Lecomte, Ting Yu, Hajer Rebai et Amaury Herrera. Je souhaite toute la réussite méritée à ceux qui vont soutenir !
Merci à tous mes collègues de la dalle d’essai : Renaud-Pierre, Florent, Lénaïc, Yolaine, Olfa, Lucas, Badreddine, Sébastien, Anne-Sophie, Benjamin, Nina, Nissrine, Claude, André, Yannick, Franziska, Jean-François,… et des autres laboratoires de l’IFSTTAR : Fabienne, Dinarzed, Issam, Nadia, Stéphane, Franck, Bruno, Marion, Anaïs, Ousseynou, Chi-Wei, Matthieu, Aiman, Dominique… pour leur agréable compagnie pendant ces quelques mois passés avec eux.
Merci à mes collègues d’EDF, dont certains ont aussi apporté une contribution précieuse à ce travail, pour leur compagnie non moins agréable : Barthélémy, Alexandre, Pascal, Hoël, Denis,
6
Nicolas, Didier, Camélia, Maciej, Vincent, Emmanuel, Benjamin, Hervé, Clothilde, Fabrice, Guy, Bruno, Edouard, Jennifer, Côme, Louis, Marie, Jérôme, Laurent, Mario, Gautier, Jean,…
Merci aux membres de l’équipe d’Autun pour m’avoir accueillie parmi eux pendant ces quelques jours d’essai : Corentin, Arnaud, Jérémy, Olivier,…
Je tiens aussi à remercier les assistants, aussi bien à EDF qu’à l’IFSTTAR, pour leur aide et leur patience rare dans la résolution des problèmes administratifs (et pour les séances de coaching avec certaines) : Aurélie, Stéphanie, Maryté, Pascal, Morgane, Isabelle, Valérie, Minh, Agnès, Cécile…
Enfin, j’adresse un remerciement tout particulier à mes proches, famille et amis, et à mon compagnon, Pierre-Louis, pour leur soutien indéfectible.
7 A Pierre-Louis
9
Table des matières
RESUME DE LA THESE ... 1
ABSTRACT ... 3
REMERCIEMENTS ... 5
TABLE DES MATIERES ... 9
LISTE DES FIGURES ... 13
LISTE DES TABLEAUX ... 21
LISTE DES EQUATIONS ... 23
INTRODUCTION GENERALE ... 25
CHAPITRE PREMIER : ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE ... 27
INTRODUCTION ... 27
ILES SYSTEMES PRF– COLLE – BETON POUR LE RENFORCEMENT STRUCTURAL EN GENIE CIVIL ... 28
I.1LE BETON ... 28
I.1.a La formulation du béton ... 28
I.1.b Réaction d’hydratation du ciment, microstructure, porosité ... 29
I.1.c Caractéristiques mécaniques ... 30
I.1.d Normes et standards ... 31
I.2LES MATERIAUX COMPOSITES ET LES POLYMERES ... 32
I.2.a Généralités... 32
I.2.b Les fibres ... 32
I.2.c La matrice et l’adhésif ... 33
I.2.d Fabrication des composites ... 37
I.2.e Géométries des matériaux composites ... 39
I.2.f Comportement mécanique des composites unidirectionnels ... 40
I.3LA MISE-EN-ŒUVRE IN-SITU DES RENFORCEMENTS ... 42
I.3.a Les différents guides de recommandations ... 42
I.3.b Applications courantes de renforcement extérieur par composites collés ... 42
I.3.c Procédure d’application ... 43
IIETUDE DES ASSEMBLAGES PRF– COLLE – BETON ... 45
II.1COLLAGE, ADHESION ET ADHERENCE ... 45
II.1.a Définitions et généralités ... 45
II.1.b Mesure de l’adhérence et modes de sollicitation ... 46
II.1.c Rupture d’un assemblage PRF – béton ... 46
II.2MODELES ANALYTIQUES DES JOINTS PRF– COLLE – BETON ... 48
II.3CARACTERISATION MECANIQUE EXPERIMENTALE DES JOINTS PRF– COLLE – BETON. ... 49
II.3.a L’essai de « pull-off » ou d’arrachement en traction directe ... 49
10
II.3.c Autres tests ... 56
II.3.d Conclusion ... 56
II.4LA QUALITE DU COLLAGE : DEFAUTS ET PARAMETRES D’INFLUENCE ... 57
II.4.a Revue des différents défauts et des facteurs influençant la qualité du collage ... 57
II.4.b Durabilité des assemblages collés ... 62
II.4.c Conclusion ... 65
IIILE CONTROLE QUALITE DU COLLAGE ... 66
III.1INTRODUCTION ... 66
III.2LE CONTROLE QUALITE DU COLLAGE : PRATIQUES INDUSTRIELLES ET RECOMMANDATIONS ... 66
III.2.a Pratiques industrielles en matière de contrôle qualité ... 66
III.2.b Quels défauts francs doivent être recherchés ? ... 68
III.2.c Expression du besoin ... 68
III.3DETECTION DE DEFAUTS FRANCS ... 69
III.3.a Le contrôle visuel ... 69
III.3.b L’inspection acoustique au marteau ou la technique d’impact-écho ... 69
III.3.c La thermographie infrarouge ... 70
III.3.d La shearographie ... 73
III.3.e Les techniques ultrasonores ... 74
III.3.f Conclusion ... 78
III.4EVALUATION QUANTITATIVE ET NON-DESTRUCTIVE DE LA QUALITE DE COLLAGE ... 79
III.4.a Le pull-off non-destructif ... 80
III.4.b Evaluation de la qualité de collage par ultrasons ... 82
CONCLUSION ... 89
CHAPITRE DEUXIEME : L’ESSAI DE PULL-OFF NON-DESTRUCTIF ... 91
INTRODUCTION ... 91
PARTIE A : CONCEPTION D'UN DISPOSITIF EXPERIMENTAL INTRODUCTION ... 93
ICONCEPTION D’UN DISPOSITIF D’ESSAI ... 95
I.1CONCEPTION D’UN BATI MECANIQUE ADAPTABLE SUR UNE PRESSE ... 95
I.1.a Présentation de la presse mécanique et contraintes de conception ... 95
I.1.b Conception du bâti-support mécanique ... 96
I.2SYSTEME D’ACCROCHE DES PASTILLES D’ESSAI ... 98
I.2.a Système de rotules ... 98
I.2.b Prise de la rotule dans la pastille ... 98
I.3DISPOSITIF FINAL ... 99
IIMODELISATION NUMERIQUE DE L’ESSAI ... 100
II.1MECANIQUE DU MODELE ... 100
II.1.a Equations générales ... 100
II.1.b Modélisation des interfaces ... 100
II.2PROPRIETES DU SYSTEME MODELISE ... 102
II.2.a Géométrie ... 102
II.2.b Propriétés assignées aux matériaux ... 104
II.3MAILLAGE ... 106
II.4SOLVEUR ... 106
II.5CONDITIONS AUX LIMITES ... 106
II.5.a Chargement ... 106
II.5.b Conditions aux limites représentant le dispositif ... 107
II.6SYNTHESE ET RESULTATS ... 111
IIIANALYSE ET DIMENSIONNEMENT DE LA MESURE DE DEPLACEMENT ... 115
11
III.1.a Nécessité d’une mesure différentielle ... 115
III.1.b Forme des pastilles d’essai ... 115
III.2ETUDE DE LA MESURE DE DEPLACEMENT ... 116
III.2.a Points à l’étude ... 117
III.2.b Paramètres d’influence ... 117
III.2.c Etude numérique de sensibilité ... 118
III.2.d Modèle analytique ... 123
III.3MISE EN ŒUVRE DES MESURES DE DEPLACEMENT ... 125
III.3.a Choix final du lieu de mesure... 125
III.3.b Fixation des capteurs ... 126
III.3.c Collage contact de la pastille... 126
III.4CONCLUSIONS ET DISCUSSIONS ... 127
IVELABORATION DE LA CHAINE DE MESURE ... 129
IV.1CHAINE DE MESURE PRINCIPALE ... 129
IV.1.a Capteurs de déplacement ... 129
IV.1.b Mesures de charge ... 129
IV.1.c Chaîne d’acquisition ... 129
IV.1.d Etalonnage ... 131
IV.2MESURES PAR FIBRE OPTIQUE ... 131
CONCLUSION ... 134
PARTIE B : ETUDE DE FAISABILITE EXPERIMENTALE INTRODUCTION ... 137
ISYSTEMES PRFC– COLLE – BETON A L’ETUDE ... 138
I.1CORPS D’EPREUVE ... 138
I.1.a Programme expérimental ... 138
I.1.b Matériaux ... 139
I.1.c Géométrie des éprouvettes ... 140
I.1.d Fabrication des éprouvettes ... 140
I.1.e Inspection par thermographie IR ... 142
I.1.f Collage des pastilles d’essai et des pièces de fixation des capteurs ... 143
I.2CARACTERISATIONS PHYSIQUES ET MECANIQUES DES ADHESIFS ... 143
I.2.a Motivations pour le choix des colles ... 144
I.2.b Caractérisation physique des colles ... 145
I.2.c Mesures par DSC ... 147
I.2.d Caractérisation mécanique du comportement en traction ... 149
IICAMPAGNE EXPERIMENTALE POUR L’ESSAI DE PULL-OFF STANDARD ... 153
II.1PRESENTATION DE LA MISE EN ŒUVRE ... 153
II.2RESULTATS ... 154
II.2.a Résistance à l’arrachement en traction directe ... 154
II.2.b Etude de l’influence de la profondeur de carottage ... 154
II.3CONCLUSION ... 155
IIICAMPAGNE EXPERIMENTALE POUR L’ESSAI DE PULL-OFF NON-DESTRUCTIF ... 156
III.1PRESENTATION DE LA MISE EN ŒUVRE ... 156
III.2RESULTATS DES MESURES NON-DESTRUCTIVES ... 156
III.2.a Raideurs des systèmes étudiés ... 157
III.2.b Performances de détection de l’essai de pull-off non-destructif ... 159
III.2.c Mesures par fibre optique ... 167
III.3RUPTURES ET PROFILS D’ARRACHEMENT ... 170
III.3.a Description des ruptures ... 170
III.3.b Arrachement des plats et observation post-mortem des éprouvettes ... 172
12
CONCLUSION ... 174
CHAPITRE TROISIEME : MISE EN ŒUVRE IN-SITU DE L’ESSAI DE PULL-OFF NON-DESTRUCTIF ... 177
INTRODUCTION ... 177
IPERFORMANCES DE L’ESSAI SUR UNE STRUCTURE REELLE ... 178
I.1NOUVEAU MODELE NUMERIQUE ... 178
I.1.a Propriétés du modèle ... 178
I.1.b Comportement mécanique ... 178
I.2PERFORMANCES DE L’ESSAI SUR LE TERRAIN ... 179
I.2.a Distributions des paramètres d’influence ... 180
I.2.b Dispersion sur la raideur d’assemblage 𝐾 induite par la dispersion des paramètres d’influence ... 181
I.2.c Prise en compte des incertitudes expérimentales ... 181
I.2.d Performances de détection de l’essai ... 182
I.3CONCLUSIONS ... 183
IIELEMENTS D’UNE METHODOLOGIE D’ESSAI SUR SITE ... 184
II.1CHOIX DU SYSTEME DE REFERENCEET ESTIMATION DE LA RAIDEUR DE REFERENCE ... 184
II.2ESTIMATION DE LA CHARGE LIMITE ... 185
II.3MISE EN ŒUVRE DE LA METHODOLOGIE D’ESSAI ... 186
II.3.a Préconisations de mise en œuvre ... 186
II.3.b Procédure ... 186
IIILA MISE EN ŒUVRE SUR SITE EN PRATIQUE... 187
III.1MATERIEL ... 187
III.2RECOURS A LA MODELISATION NUMERIQUE ... 187
IVPERSPECTIVES ... 188
IV.1AMELIORATION DES RESULTATS DE LA METHODOLOGIE ... 188
IV.1.a Proposition d’une étape supplémentaire pour la mesure de 𝐸𝑏 ... 188
IV.1.b Premières investigations ... 188
IV.2EXTENSION DU DOMAINE D’APPLICATION DE L’ESSAI ... 190
IV.2.a Superposition de plusieurs lamelles pultrudées ... 190
IV.2.b Tissus imprégnés in-situ ... 190
IV.2.c Autres ... 191
CONCLUSION ... 192
CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES ... 195
ANNEXES ... 199
13
Liste des figures
Figure 1 : a. Les différents constituants du béton ; b. vue d’une section polie d’un échantillon de béton [2].29 Figure 2 : a. Comportement typique du béton lors d’un essai de traction uniaxiale directe (d’après [12]) ; b. comportement typique du béton lors d’un essai de compression uniaxiale simple : déformations axiale et radiale en fonction de la contrainte axiale (d’après [13]). ... 31 Figure 3 : Normes européennes relatives à la préparation et à l’utilisation du béton [3]. ... 31 Figure 4 : a. Association des renforts et de la matrice pour former un matériau composite ; b. différents systèmes de composites utilisés dans le génie civil [14]. ... 32 Figure 5 : Comportement en traction des différents types de fibres [17]. ... 33 Figure 6 : Structures macromoléculaires des polymères : a. thermoplastiques (chaînes linéaires enchevêtrées) et b. thermodurcissables (réseau réticulé) – Source ENS Cachan. ... 34 Figure 7 : Courbes de traction caractéristiques de différents comportements mécaniques de polymères (d’après [21]). ... 36 Figure 8 : Définitions des modules de traction (d’après [21]). ... 37 Figure 9 : a. Procédé de pultrusion [27] ; b. Renforcement en flexion de poutres de pont à l’aide de lamelles pultrudées [28]. ... 38 Figure 10 : a. Renforcement d’un silo industriel par moulage au contact ; b. Renforcement en « U » autour d’une poutre de pont. [29] ... 39 Figure 11 : a. Composite pultrudé unidirectionnel (type lamelle); b. Tissu de fibres unidirectionnel. [30], [31], [20]... 40 Figure 12 : Tissu de fibres bi-directionnel [20]. ... 40 Figure 13 : Courbes contrainte vs déformation d’une lamelle de CPRF [33]. ... 41 Figure 14 : Différentes applications de renforcement structural : a. Renforcement en flexion ; b. Renforcements en cisaillement ; c. Renforcement par confinement. [40], [28]. ... 43 Figure 15 : Couches successives lors de l’application d’un PRFC moulé au contact [42]. ... 44 Figure 16 : Zone de transition (interphase) formée à la suite de l’imprégnation d’une pâte de ciment par une résine époxyde [4] : a. observation par microscopie optique sous éclairage UV (résine mélangée à un pigment fluorescent) ; b. observation par microscopie électronique à balayage (MEB)... 45 Figure 17 : Les trois modes de déformation fondamentaux. ... 46 Figure 18 : Différents modes de rupture possibles dans un assemblage composite – colle – béton [24]. ... 47 Figure 19 : Poutre en béton armé renforcée en flexion par PRF : a. Distributions de contraintes approchées et réelles dans la poutre (sous flexion 3 ou 4-points) [46] ; b. Modes de rupture possibles [47] ; c. Types de rupture entraînant une délamination du renforcement (avec ou sans épaisseur de béton) [46]. ... 47 Figure 20 : Schéma de l’essai de pull-off ou arrachement en traction directe. ... 50
14
Figure 21 : a. Rupture cohésive dans le béton à l’issue de l’essai d’arrachement en traction directe sur une lamelle de PRFC ; b. Dispositif de pull-off commercial [55]. ... 50 Figure 22 : Classification des profils de rupture possibles à l’issue de l’essai de pull-off [55]. ... 51 Figure 23 : Modélisation par éléments finis de l’essai d’arrachement en traction directe – contraintes principales au niveau du béton, pour deux profondeurs de trait de scie différentes [4]. ... 53 Figure 24 : Différentes configurations expérimentales pour le test de pull-out : a. essai à double recouvrement « far-end supported » ; b. essai à double recouvrement « near-end supported » ; c. essai à simple recouvrement « far-end supported » ; d. essai à simple recouvrement « near-end supported » [70]. ... 54 Figure 25 : a. Exemple de loi d’interface en mode II mesurée pendant un essai à simple recouvrement [54] ; b. définition de la longueur d’ancrage à partir de la distribution de déformation le long du composite [73]. ... 55 Figure 26 : Représentation schématique des différents essais sur poutres : a. flexion 3-points ; b. flexion 4-points ; c. « notched 3-point bend test » ou flexion 3-4-points avec pré-entaille ; d. poutre articulée. [85] ... 56 Figure 27 : Lois d’interface obtenues pour différents traitements de surface (modèle calibré à partir des données expérimentales du test de pull-out) [78]. ... 59 Figure 28 : Evolutions de paramètres physiques et mécaniques au cours de la polymérisation, lorsque celle-ci a lieu à différentes températures de cure [95], [96]. ... 61 Figure 29 : Evolution du module d’Young et de la contrainte à rupture d’un adhésif époxyde en fonction de sa teneur en eau : a. échelle linéaire ; b. échelle logarithmique [24]. ... 63 Figure 30 : Effet du vieillissement hygrique à l’interface époxy/béton : a. atmosphère sèche ; b. après exposition à l’humidité [24], [106]. ... 64 Figure 31 : a. Evolution de la 𝑇𝑔 au cours du vieillissement hygrothermique ; b. essais de traction menés à différentes échéances de vieillissement pour l’époxy C ; c. pour l’époxy D. [77] ... 64 Figure 32 : Caractérisation de l’adhérence sur des éprouvettes de béton renforcées par lamelles de PRFC soumises à un vieillissement hygrothermique : a. résultats des essais de pull-off au cours du vieillissement et évolution des modes de rupture ; b. résultats des essais de pull-out (charge maximale) au cours du vieillissement et évolution des modes de rupture. [77] ... 65 Figure 33 : Renforcement d’un viaduc de l’autoroute A4 dans la Meuse : a. zones témoin pour les essais de convenance et renforcement réel ; b. détails de la zone témoin. ... 67 Figure 34 : a. Inspection au marteau sur site ; b. dispositif d’inspection automatisé [113]. ... 69 Figure 35 : a. Principe de la thermographie infrarouge pulsée ; b. thermogramme au droit de deux zones, l’une saine, l’autre avec un défaut [114]. ... 70 Figure 36 : a. Corps d’épreuve contenant des défauts contrôlés ; b. position et géométrie des défauts contrôlés ; c. images thermiques acquises à deux temps 𝑡1 et 𝑡2 = 𝑡1 + 50 secondes [114]. ... 71 Figure 37 : Mise en œuvre in-situ de la TIR. ... 71 Figure 38 : a. Principe de la mesure par shearographie [127] ; b. mesure in-situ à l’aide d’un dispositif commercial portatif ; c. visualisation d’un défaut à l’aide du dispositif précédent [134]. ... 73 Figure 39 : Détection de défauts de différentes tailles et simulant différentes qualités d’adhésion sollicités pneumatiquement par shearographie [116], [130], [135]. ... 74 Figure 40 : Principe de fonctionnement de la technique de pulse-écho pour la détection de défauts francs dans un système composite – colle – béton (d’après [139]). ... 75 Figure 41 : a. Dispositif expérimental pour une mesure en pulse – écho sur un cylindre de béton renforcé par trois couches de PRFC ; b. C-scan de la surface du cylindre et localisation réelle (rectangles blancs) des défauts artificiels à l’interface colle/béton [139]. ... 76
15 Figure 42 : C-scan des éprouvettes de béton renforcées par GPRF [140]. ... 76 Figure 43 : Courbes de dispersion des modes de Lamb généralisés se propageant dans le système composite – colle – béton et L-scan de la surface du composite [140]. ... 77 Figure 44 : Dispositif portatif PRFCIS utilisé lors d’une inspection sur site et exemple de C-scan obtenu, sur lequel on visualise trois défauts [147]. ... 78 Figure 45 : Dispositif d’essai pour la caractérisation de l’adhésion d’un revêtement fin anti-dérapant sur une chaussée et exemple de courbes obtenues avec et sans trait de scie [153], [154]. ... 81 Figure 46 : Dispositif d’essai pour la caractérisation en traction de l’ITZ entre un granulat et un bloc de ciment [155]... 82 Figure 47 : Résultats de l’essai de caractérisation de l’ITZ : a. courbe charge/surface vs déplacement et définition du module sécant ; b. courbes charge/surface vs déplacement obtenues pour différents paramètres d’influence [155]... 82 Figure 48 : a. Géométrie du modèle ; b. courbes de dispersion pour les différents modes guidés se propageant dans le système PRFG – colle – béton étudié. [159] ... 84 Figure 49 : Mode Pseudo-Rayleigh : a. variation de l’amplitude des déplacements normal (U1) et tangentiel (U2) en fonction de la profondeur (0 = surface du composite) ; b. variation du flux d’énergie en fonction de la profondeur. [159] ... 84 Figure 50 : Sensibilité des courbes de dispersion du mode PR aux propriétés de la colle [159]. ... 85 Figure 51 : Simulation expérimentale de trois niveaux d’adhésion. ... 85 Figure 52 : Résultats expérimentaux sur les trois niveaux d’adhésion : a. mesure expérimentale de courbes de dispersion ; b. corrélation entre le module de cisaillement inversé et la contrainte à rupture de l’essai de pull-off [161]. ... 86 Figure 53 : Exemple de signal reçu avant (a) et après (b) vieillissement pour une même éprouvette [165]. ... 87 Figure 54 : a : Evolution des différents paramètres acoustiques au cours du vieillissement ; b : corrélation (toutes températures de vieillissement confondues) entre les différents paramètres acoustiques et les énergies de rupture en mode II mesurées sur des éprouvettes de cisaillement à simple recouvrement [165]. ... 88 Figure 55 : Schéma de principe des essais de : a. pull-off standard ; b. pull-off non-destructif. ... 91 Figure 56 : Dispositif expérimental (version finale). ... 94 Figure 57 : a. Aperçu global de la machine de traction avant installation du bâti mécanique ; b. marbre de la presse sur lequel est fixé le bras de l’AVE et pièces de fixation du mors inférieur. ... 95 Figure 58 : Vue éclatée du bâti mécanique (en bleu : pièces existantes, en gris : pièces spécifiquement conçues). ... 96 Figure 59 : Différentes vues du bâti-support mécanique : a. vue de dessus b. vue de face et c. vue de côté. ... 97 Figure 60 : a. Vue éclatée des différents éléments du système d’accroche de la pastille : rotule mâle, rotule femelle (présentant un filetage 27/150 non standard) et adaptateur ; b. éléments imbriqués et reliés à la cellule de charge de la machine de traction. ... 99 Figure 61 : Bâti-support mécanique installé sur la machine de traction de l’IFSTTAR, maintenant une éprouvette d’essai sur laquelle sont installés les capteurs de déplacement. La rotule, vissée dans la pastille, est en prise dans le système d’accroche fixé à l’axe de traction de la machine. ... 99 Figure 62 : Différents modèles possibles pour la représentation d’une couche de colle. ...101 Figure 63 : Géométrie modélisée : a. vue globale ; b. section centrale (coupe présentée en c.) ; c. coupe longitudinale (coupe UD) ; d. coupe transverse. ...104
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Figure 64 : Orientation du PRFC unidirectionnel dans le repère de la modélisation. ... 105 Figure 65 : Maillage : a. vue globale ; b. zoom dans la zone de la pastille. ... 106 Figure 66 : Surface de la rotule sur laquelle est appliqué le chargement de traction (selon 𝑦). ... 106 Figure 67 : Représentation simplifiée des conditions aux limites de serrage (précontrainte) : a. vis des équerres ; b. tirants. ... 107 Figure 68 : Formule de Kellerman et Klein ... 108 Figure 69 : Différentes conditions d’encastrement pour représenter de manière simplifiée l’appui du bloc sur la plaque P2 (vue de dessous) : a. grand encastrement ; b. petit encastrement ; c. encastrement arête. ... 109 Figure 70 : Résultats de simulation (déplacement 𝑢𝑦 normal à la surface de l’éprouvette) pour différentes conditions aux limites représentatives du dispositif de serrage. ... 110 Figure 71 : Résultats de la simulation (déplacement hors-plan 𝑢𝑦) pour une éprouvette d’épaisseur triple : a. vue 3D ; b. vue de dessus. ... 112 Figure 72 : Résultats de la simulation (déplacement hors-plan 𝑢𝑦) pour une éprouvette : a. renforcée par le composite (modèle principal) ; b. renforcée par une couche isotrope et souple semblable à de l’époxy. ... 112 Figure 73 : a. Contraintes de traction 𝜎𝑦𝑦 dans la coupe transverse ; b. déformations de traction 𝜀𝑦𝑦 sur la coupe transverse. ... 113 Figure 74 : Résultats de la simulation (déplacement hors-plan 𝑢𝑦) : a. coupe UD ; b. coupe transverse ; c. vue 3D ; d. vue de dessus ; e. vue de dessous. ... 114 Figure 75 : Géométrie des nouvelles pastilles d’essai (dimensions en mm) : a. vue 3D ; b. vue de côté. ... 116 Figure 76 : Justification de la forme des pastilles d’essai : a. encombrement de l’axe de traction ; b. surface du béton accessible et déformation locale de la pastille d’essai. ... 116 Figure 77 : Points à l’étude pour la sélection du lieu de mesure du déplacement : a. vue 3D ; b. vue de dessus. ... 117 Figure 78 : Comparaison entre la modélisation et le modèle analytique : a. déplacements à 10 kN vs 𝑘𝑁, 𝑝𝑐 ; b. sensibilités des déplacements par rapport à 𝑘𝑁, 𝑝𝑐 vs 𝑘𝑁, 𝑝𝑐 ; c. déplacements à 10 kN vs 𝑘𝑁, 𝑐𝑏 ; sensibilités des déplacements à 𝑘𝑁, 𝑐𝑏 vs 𝑘𝑁, 𝑐𝑏. ... 125 Figure 79 : Détails du dispositif de mesure du déplacement selon 𝑢𝑦. ... 126 Figure 80 : Représentation schématique de la chaîne de mesure principale et de la chaîne d’acquisition des mesures par fibre optique. ... 130 Figure 81 : Enchaînement des différents éléments de la chaîne de mesure. ... 131 Figure 82 : Position du câble à fibre optique pour la mesure de déformation 𝜀𝑥𝑥 dans le sens longitudinal (vue de dessus). ... 132 Figure 83 : Dispositif expérimental final avec les différents moyens de mesure utilisés. ... 133 Figure 84 : Ensemble des pastillages constituant le programme expérimental de l’essai de pull-off standard. ... 138 Figure 85 : Jeu d’éprouvettes utilisé pour la présente étude. ... 138 Figure 86 : a. Dimensions d’une éprouvette (sur laquelle une pastille d’essai est collée) pour un essai de pull-off non destructif ; b. éprouvette pour un essai de pull-off standard (les carottages partiels y ont déjà été opérés). ... 140 Figure 87 : a. Double encollage avec la Loctite ; b. câble à fibre optique posé sur la colle (SikaDur) étalée à la surface du bloc de béton ; c. pièce en acier pressant un joint de SikaDur pour l’amener à une épaisseur
17 contrôlée ; d. aspect final d’un joint de PRFC – SikaDur – béton, avec l’excédent de colle façonné en chanfrein ; e. mesure ponctuelle de l’épaisseur de colle. ...141 Figure 88 : Inspection par thermographie infrarouge. ...142 Figure 89 : Détection de défauts francs par TIR : a. éprouvette Eponal 1.1 ; b. éprouvette Eponal 1.2. ...142 Figure 90 : Pastille d’essai collée sur le composite, et pièces de fixation des capteurs collées sur la tranche de la pastille. ...143 Figure 91 : Prise de masse relative en fonction de la racine carrée du temps, pour les deux adhésifs SikaDur et Eponal immergés dans l’eau et conditionnés à 40°C. ...146 Figure 92 : Rampes principales de température et paramètres de modulation du protocole de chauffage suivi pendant tous les essais de MDSC. ...147 Figure 93 : Exemple de signaux réversibles obtenus pendant la phase de chauffage pour des échantillons des différentes colles étudiées : a. premier passage (cycle 1) ; b. second passage (cycle 2). ...147 Figure 94 : Exemple des signaux non-réversibles obtenus pendant la phase de chauffage pour les deux cycles, pour une éprouvette d’Eponal. ...148 Figure 95 : a. Courbes de traction des éprouvettes de SikaDur, d’Eponal, de Loctite et de SikaDur vieillie ; b. courbes de traction des éprouvettes de SikaDur, d’Eponal et de SikaDur vieillie (zoom de la courbe a). ...150 Figure 96 : a. Défauts de perpendicularité du sciage observés pendant le carottage de certaines éprouvettes ; b. appareil de mesure d’arrachement en traction portatif installé sur une éprouvette à tester. ...153 Figure 97 : Préparation des essais de pull-off standard : a. ponçage de la surface du composite au papier abrasif ; b. encollage de la face inférieure de la pastille ; c. positionnement de la pastille sur la zone isolée par le trait de scie. ...153 Figure 98 : Courbes charge vs déplacement différentiel (dans le domaine élastique linéaire) pour une sélection d’essais sur l’ensemble des éprouvettes testées. ...158 Figure 99 : Droites charge vs déplacement différentiel simulées à partir des raideurs moyennes calculées pour chaque éprouvette (données Tableau 26) sur une amplitude de 10 kN. ...158 Figure 100 : Compatibilité entre le modèle numérique et les systèmes réels testés représentée sur les courbes charge vs déplacement : a. distributions de raideurs compatibles ; b. distributions incompatibles ; c. distributions après calage. ...160 Figure 101 : Calage du modèle numérique : a. courbe d’ajustement de la raideur 𝐾 en fonction du module transverse du composite 𝐸𝑡, 𝑐 ; b. visualisation du calage sur les courbes charge vs déplacement. ...161 Figure 102 : Courbes charge vs déplacement des éprouvettes renforcées avec l’Eponal et la Loctite, par rapport à la distribution de courbes pouvant être attribuées au système de référence (faisceau vert foncé : intervalle de confiance à 67 % ; vert clair : à 95 %). ...164 Figure 103 : Evolution de la raideur 𝐾 d’un système « moyen » en fonction du module 𝐸𝑐𝑏 de la colle entre le composite et le béton. ...165 Figure 104 : a. Profils moyens de déformation normalisée par la charge pour les trois systèmes étudiés ; b. profils de déformation normalisée par la charge modélisés pour une éprouvette « moyenne » renforcée avec les trois systèmes de colle étudiés ; c. profils normalisés expérimental et modélisé associés au système renforcé avec la Loctite. ...168 Figure 105 : Profils moyens de déformation normalisée par la charge pour les trois systèmes étudiés ; b. Différence des profils de déformation normalisée par rapport au profil de référence, celui de l’éprouvette SikaDur 2.2. ...169
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Figure 106 : Profils de déformation normalisée par la charge pour les différents retours à 200 N programmés dans le protocole de chargement : a. éprouvette SikaDur 2.2 ; b. éprouvette Eponal 3.2 ; éprouvette Loctite 2.2. ... 170 Figure 107 : a. Rupture de Type A par décollement de la pastille ; b. rupture de Type B pour laquelle une boursouflure peut être observée autour de la pastille. ... 171 Figure 108 : a. Moyenne de la limite du domaine élastique 𝐹𝐿𝐸 observée sur les trois séries d’éprouvettes ; b. moyenne de la charge à rupture 𝐹𝑢 observée sur les trois séries d’éprouvettes. ... 171 Figure 109 : Observation post-mortem des éprouvettes : a. aspect général ; b. détails de la zone sous la pastille, sur laquelle des défauts de collage peuvent être observés (éprouvette SikaDur 1.2)... 173 Figure 110 : Géométrie modélisée et conditions aux limites appliquées pour simuler une structure réelle. .. 178 Figure 111 : Résultats de la simulation sur structure réelle : a. déplacement hors-plan 𝑢𝑦 (vue 3D) ; b. déplacement hors-plan 𝑢𝑦 (coupe transverse) ; c. contrainte de traction 𝜎𝑦𝑦 (coupe transverse) ; d. déformation de traction 𝜀𝑦𝑦 (coupe transverse). ... 179 Figure 112 : Evolution de la raideur 𝐾 d’un système « moyen » en fonction du module 𝐸𝑐𝑏 de la colle entre le composite et le béton. ... 182 Figure 113 : Proposition de plan de pastille pour un positionnement facilité des pastilles et des capteurs sur site. ... 187 Figure 114 : Valeurs de 𝐾𝑏 (lignes de niveau) en fonction de 𝑘𝑁, 𝑝𝑏 et de 𝐸𝑏. ... 189 Figure 115 : Homogénéisation d’un système présentant trois couches de lamelles PRFC. ... 190 Figure 116 : Justesse, fidélité, exactitude. ... 217 Figure 117 : a. Courbe d’étalonnage permettant de calculer les valeurs de déplacement (en mm) à partir des mesures du capteur (en V) ; b. Courbe d’écarts entre le déplacement imposé du capteur de référence et le déplacement mesuré par le capteur. ... 223 Figure 118 : Evolution de l’écart dû à l’hystérésis entre la valeur du capteur en montée et celle en descente en fonction de la valeur de référence. ... 225 Figure 119 : Distribution de probabilité sur le déplacement (avec les distributions d’entrée listées dans le présent paragraphe) obtenue au bout de 100 000 tirages. ... 225 Figure 120 : a. Courbe d’étalonnage permettant de calculer les valeurs de charge (en kN) à partir des mesures de la cellule (en V) ; b. Courbe d’écarts entre la charge imposée par l’étalon de référence et la charge mesurée par la cellule. ... 227 Figure 121 : Séparation des cycles de charge/décharge et des phases de chargement et de déchargement à l’aide d’un algorithme de détection d’extrema sur le signal temporel de charge (essai 1 sur SikaDur 1.2). .... 260 Figure 122 : Légende des courbes présentées dans cette annexe. ... 261 Figure 123 : Courbes de charge vs déplacement pour l’ensemble des cycles acquis pendant l’essai 1 sur SikaDur 1.2 (limité en charge). ... 262 Figure 124 : Courbes de charge vs déplacement pour l’ensemble des cycles acquis pendant l’essai 1 sur SikaDur 1.2 (limité en charge). ... 263 Figure 125 : Courbes de charge vs déplacement acquises pendant l’essai sur Loctite 1.2 (amenant l’éprouvette à rupture) : a. totalité des cycles acquis ; b. cycles du domaine élastique. ... 264 Figure 126 : Prise en compte des granulats affleurant dans la mesure de ℎ𝑏 ... 293 Figure 127 : Dispositif expérimental pour la mesure des propriétés mécaniques du béton par technique ultrasonore en transmission [183]. ... 294
19 Figure 128 : Points de mesure dans la zone centrale de la lamelle composite. ...296 Figure 129 : Distributions sur 𝑘𝑁, 𝑐𝑏 pour les différentes colles calculées par la méthode de Monte-Carlo : a. SikaDur - fitting en loi Gamma de la distribution ; b. SikaDur - fitting en loi Normale de la distribution ; c. Eponal - fitting en loi Gamma de la distribution ; d. Eponal - fitting en loi Normale de la distribution ; e. Loctite - fitting en loi Gamma de la distribution ; f. Loctite - fitting en loi Normale de la distribution. ...299 Figure 130 : Scenario 1 d’arrachement (pour la série d’éprouvettes SikaDur et Eponal) : a. apparition de la fissure au centre sur le chanfrein de colle ; b. propagation et élargissement de la fissure ; c. le front de fissuration remonte à l’interface composite/colle ; d. délamination complète du plat d’un côté de l’éprouvette ; e. déchirement du composite le long d’une fissure longitudinale. ...301 Figure 131 : Eprouvette de Loctite 2.1 après arrachement de la lamelle : a. endommagement visible dans l’épaisseur de la colle et à la surface du béton ; b. lamelle de PRFC sur lequel un éclat de colle est visible, correspondant potentiellement à l’endroit où le décollement du plat a été initié. ...302
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Liste des tableaux
Tableau 1 : Valeurs typiques des propriétés mécaniques des résines époxydes [4], [20], [24] ... 37 Tableau 2 : Principaux guides de recommandation pour le renforcement extérieur par collage de matériaux composites. ... 42 Tableau 3 : Détails sur les paramètres de mise en œuvre influençant les résultats de l’essai de « pull-off ». ... 51 Tableau 4 : Défauts de fabrication et paramètres pouvant impacter la qualité du collage. ... 58 Tableau 5 : Recommandations pour la réparation de défauts francs. ... 68 Tableau 6 : Caractéristiques des différentes techniques de contrôle non-destructif de détection de défauts francs. ... 79 Tableau 7 : Visserie utilisée dans le bâti mécanique et couples de serrage appliqués. ... 98 Tableau 8 : Données d’entrée et résultat du calcul de l’effort de tension dans les vis à tête cylindrique TCHC à tête haute M10 utilisées pour le serrage des équerres. ...108 Tableau 9 : Données d’entrée et résultat du calcul de l’effort de tension dans les tirants filetés M8 passant dans les équerres, serrés par des écrous HU M8. ...108 Tableau 10 : Synthèse des caractéristiques du modèle numérique. ...111 Tableau 11 : Coordonnées des points de mesure étudiés. ...117 Tableau 12 : Gammes de variation des paramètres d’influence choisies pour l’étude de sensibilité. ...119 Tableau 13 : Valeurs des déplacements différentiels à 10 kN pour différentes valeurs de raideur 𝑘𝑁, 𝑐𝑏. ...121 Tableau 14 : Evolution des déplacements à 10 kN et des sensibilités (en valeur absolue) en fonction des paramètres d’influence. ...122 Tableau 15 : Performances métrologiques annoncées des capteurs LE12/S. ...129 Tableau 16 : Programme expérimental pour l’essai de pull-off non-destructif ...138 Tableau 17 : Principales propriétés des lamelles de PRFC Sika CarboDur S812 (données fournisseur). ...140 Tableau 18 : Principales propriétés des colles utilisées (données fournisseur). ...144 Tableau 19 : Résultats des extractions de charges : teneurs massiques en charges et en liant pour les colles SikaDur et Eponal (moyenne et écart-type sur trois extractions). ...146 Tableau 20 : Résultats des mesures de 𝑇𝑔 par MDSC pendant la phase de chauffage des cycles 1 et 2 (moyennes et écart-types sur trois éprouvettes par colle). ...148 Tableau 21 : Résultats des essais de traction. ...149 Tableau 22 : Résultats des essais de traction sur des adhésifs époxy avant et après vieillissement pendant 8 mois à 40°C et 95 % d’HR (Benzarti et al. [77]). ...151 Tableau 23 : Propriétés mécaniques résiduelles (en % par rapport à la valeur initiale) de trois adhésifs époxy utilisés pour le collage de lamelles, observées au bout de 24 mois passés dans différents environnements de vieillissement (en immersion) (Karbhari et al. [100]). ...151
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Tableau 24 : Résultats des essais de pull-off standard : a. résistances moyennes et écart-type de dispersion ; b. histogramme des valeurs. ... 154 Tableau 25 : a. Profondeurs de carottage dans le béton (en mm) mesurées a posteriori (deux mesures diamétralement opposées) ; b. diagramme de corrélation entre la profondeur de carottage (maximum des deux mesures) et la résistance à l’arrachement à la traction directe. ... 155 Tableau 26 : Résultats du calcul des raideurs pour l’ensemble des essais réalisés sur les 14 éprouvettes renforcées. ... 157 Tableau 27 : Distributions estimées des paramètres d’influence (discutées en Annexe 11). ... 159 Tableau 28 : Variations de la raideur 𝐾 (calculée par le modèle numérique) lorsque les paramètres d’influence sont variés à plus ou moins l’écart-type de leur distribution. ... 163 Tableau 29 : Ecarts entre les raideurs mesurées sur les différentes éprouvettes et celle du système de référence (renforcé avec la SikaDur). ... 164 Tableau 30 : Eléments de description des ruptures obtenues sur l’ensemble des éprouvettes. ... 172 Tableau 31 : Distributions estimées des paramètres d’influence représentatives d’un essai sur site. ... 180 Tableau 32 : Variations de la raideur 𝐾 (calculée par le modèle numérique) lorsque les paramètres d’influence varient à plus ou moins l’écart-type de leur distribution. ... 181 Tableau 33 : Lois de distribution utilisées dans le cadre de l’étude. ... 219 Tableau 34 : Données permettant de tracer la courbe d’étalonnage et d’estimer l’erreur par rapport au capteur de référence. ... 222 Tableau 35 : Valeurs en montée/descente pour estimer les écarts dus à l’hystérésis. ... 223 Tableau 36 : Evaluation de l’erreur de répétabilité. ... 224 Tableau 37 : Données permettant de tracer la courbe d’étalonnage et d’estimer l’erreur par rapport à la mesure de référence. ... 227 Tableau 38 : Résultats des essais de pull-off standard... 256 Tableau 39 : Incertitude relative sur la raideur 𝐾 due à la régression linéaire sur des données entachées d’erreur. ... 289 Tableau 40 : Données de raideur pour l’estimation de l’incertitude de répétabilité. ... 289 Tableau 41 : Résultats du calcul des raideurs pour l’ensemble des essais réalisées sur les 14 éprouvettes, permettant de calculer les incertitudes-type de reproductibilité. ... 290 Tableau 42 : Résultats des mesures d’épaisseur des blocs de béton... 293 Tableau 43 : Mesures de modules dynamique et statique et de résistance à la compression à 28 jours, pour différentes formulations de béton (données issues de [186]) et rapport des modules statique et dynamique. ... 295 Tableau 44 : Résultats des mesures du module dynamique du béton. ... 295 Tableau 45 : Résultats des mesures de l’épaisseur de colle entre le composite et le béton ℎ𝑐𝑏, dans la zone centrale du composite. ... 296 Tableau 46 : Résultats de la mesure du module d’Young 𝐸𝑐𝑏 et incertitude totale sur ce paramètre pour chaque colle. ... 297
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Liste des équations
Equation (1) ... 37 Equation (2) ... 40 Equation (3) ... 51 Equation (4) ...100 Equation (5) ...100 Equation (6) ...101 Equation (7) ...101 Equation (8) ...101 Equation (9) ...102 Equation (10) ...102 Equation (11) ...102 Equation (12) ...105 Equation (13) ...105 Equation (14) ...108 Equation (15) ...119 Equation (16) ...119 Equation (17) ...123 Equation (18) ...123 Equation (19) ...123 Equation (20) ...123 Equation (21) ...123 Equation (22) ...123 Equation (23) ...124 Equation (24) ...124 Equation (25) ...124 Equation (26) ...124 Equation (27) ...127 Equation (28) ...200 Equation (29) ...201 Equation (30) ...202 Equation (31) ...202 Equation (32) ...202 Equation (33) ...294
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Introduction générale
La gestion des ouvrages du génie civil étant soumise à des contraintes économiques et environnementales toujours plus fortes, les maîtres d’ouvrages souhaitent étendre la durée de service de leur parc, tout en garantissant les niveaux de sûreté exigés. Ils doivent donc pouvoir disposer de solutions performantes, rentables et souples pour répondre à ce besoin, tant du point de vue des méthodes d’auscultation et de diagnostic que des méthodes de réparation et de réhabilitation.
Voilà précisément vingt ans qu’a été renforcé pour la première fois en France un ouvrage en béton armé, un pont sur l’autoroute A10, par collage de matériaux composites [1]. Que ce soit pour la remise en conformité d’ouvrages en mauvaise santé structurelle, ou pour une mise à niveau imposée par de nouvelles exigences réglementaires, ces techniques de renforcement sont désormais répandues et ont définitivement remplacé les techniques antérieures par collage de tôles en acier.
Ainsi, dans le cadre du projet Aéroréfrigérants mené par le Centre National d’Equipement de Production d’Electrictié (CNEPE), unité d’ingénierie de référence pour la partie conventionnelle des centrales nucléaires d’Electricité De France (EDF), la dalle de couronnement et une partie de la coque d’un aéroréfrigérant de la centrale de Nogent-sur-Seine ont été renforcées par collage de lamelles de polymère renforcé de fibres de carbone (PRFC). Ces renforcements structuraux sont également mis en œuvre sur les ouvrages d’art et les infrastructures de transport, qui constituent un parc vieillissant confronté à l’augmentation constante du trafic routier. Le manque d’armatures internes passives étant compensé par les renforcements, ces structures peuvent faire face à des niveaux de sollicitations pour lesquels elles n’avaient pas été dimensionnées initialement.
Si les matériaux composites sont depuis longtemps employés dans des secteurs de pointe comme l’automobile et l’aéronautique, il a fallu attendre une diminution de leurs coûts et le développement de formulations d’adhésifs compatibles avec une mise en œuvre sur chantier pour qu’ils se généralisent dans le domaine de la construction et du génie civil. Au-delà des hautes performances mécaniques qui constituent leur intérêt principal, ils offrent de nombreuses combinaisons possibles en termes de géométrie qui leur permettent de s’adapter à la structure d’accueil. Leur faible masse représente par ailleurs un avantage pratique sur chantier par rapport aux renforcements par collage de tôles métalliques, de même que leur insensibilité à la corrosion induit une rentabilité à long terme en réduisant les coûts de maintenance.
Alors que les applications de renforcement par matériaux composites sont maintenant courantes, il est toutefois toujours difficile de prédire leur comportement à long terme et d’évaluer l’état de santé des réparations à un stade donné de leur exploitation en service. C’est d’autant plus vrai que leur mise en œuvre sur chantier à température ambiante ne leur permet pas d’atteindre des niveaux de qualité comparables aux matériaux fabriqués en usine. Par ailleurs, il existe une attente forte en termes de durabilité de ces réparations, ces dernières devant permettre à la structure hôte de prolonger sa durée de vie, parfois de plusieurs décennies. Le recul sur les premiers cas d’application et les nombreuses recherches portant sur le vieillissement ont permis, ces dernières années, de mieux appréhender l’évolution dans le temps de ces matériaux et de l’assemblage béton/adhésif/composite. En outre, de nombreux guides de recommandation ont vu le jour dans différents pays afin d’édicter les « bonnes pratiques » et d’uniformiser les procédures de mise en œuvre à l’échelle nationale. Malgré ces efforts, l’absence de méthodes quantitatives permettant de connaître l’état de santé d’un renforcement peut
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être problématique, en particulier lorsqu’il est installé dans des zones peu faciles d’accès pour lesquelles toute intervention de maintenance doit être anticipée et optimisée.
L’état de santé et les performances d’un renforcement sont intrinsèquement liés à la qualité du collage entre le matériau composite et le béton, puisque c’est par l’intermédiaire de ce collage que sont transférées les contraintes de la structure au renforcement. Dans ces conditions, un diagnostic de d’état de santé d’un renforcement est en grande partie synonyme d’une évaluation de la qualité de collage entre le composite et le béton.
Dans ce contexte général, l’objectif de cette thèse est de mettre à disposition des maîtres d’ouvrages des méthodes leur permettant d’estimer la qualité de collage du renforcement in-situ. Les méthodes recherchées doivent donc être compatibles avec une utilisation sur chantier et doivent présenter un caractère non-destructif afin d’être applicables sur les renforcements réels, ce qui permet d’accéder à un diagnostic direct et représentatif.
Cette thèse CIFRE est inscrite dans le cadre d’une collaboration entre EDF, qui gère donc un vaste parc d’ouvrages en béton constitués entre autres des bâtiments des centrales nucléaires (tours aéroréfrigérantes, bâtiments réacteurs…) et de barrages, et l’Institut Français des Sciences et Technologies des Transports, de l’Aménagement et des Réseaux (IFSTTAR), établissement public à caractère scientifique et technologique impliqué notamment dans la recherche en génie civil.
Le présent manuscrit rassemble les résultats et conclusions obtenus pendant ces trois années de recherche afin de répondre à la problématique identifiée.
Dans un premier chapitre, les notions et concepts généraux relatifs au sujet sont expliqués. Les caractéristiques et le comportement des différents matériaux impliqués et de leur assemblage sont étudiés. Sur cette base, une revue des différentes techniques de contrôle ou d’évaluation du collage des composites de renforcement sur béton est proposée. Elle permettra de sélectionner les méthodes les plus prometteuses et d’exprimer le verrou scientifique qu’il est nécessaire de lever pour répondre au besoin exprimé.
Dans un deuxième chapitre, l’une des méthodes retenues à l’issue de la revue bibliographique fait l’objet d’une attention particulière. Elle repose sur une approche mécanique et consiste à analyser le comportement charge vs déplacement de l’assemblage composite – colle – béton. Elle est inspirée de l’essai standardisé d’arrachement en traction directe. Certaines de ses caractéristiques sont définies à l’occasion de la conception d’un dispositif expérimental présentée dans une première partie. Avec ce dispositif, une campagne expérimentale est organisée, dont les détails, les résultats et leur analyse sur une base statistique sont décrits dans une seconde partie. Les conclusions du chapitre sont alors exprimées sous la forme des performances de mesure de l’essai.
Enfin, dans un troisième et dernier chapitre, la faisabilité de la méthode proposée pour une mise en œuvre sur une structure réelle et dans des conditions réalistes de chantier est discutée, ce qui amènera à élaborer une méthodologie d’essai applicable sur le terrain devant permettre d’arriver à un diagnostic fiable de la qualité de collage ausculté.
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Chapitre Premier :
Etude bibliographique
I
NTRODUCTION
Ce premier chapitre a pour objectif de rappeler le contexte et les principaux concepts du renforcement de structures en béton par collage de matériaux composites, et de proposer un état de l’art des différentes méthodes disponibles pour l’inspection des assemblages collés composite/béton. La première partie du chapitre fournit une présentation des différents matériaux impliqués dans le renforcement structurel (support béton, adhésif polymère, constituants du composite), ainsi que des éléments de contexte sur la fabrication des composites et l’application de ces renforts sur ouvrages.
Dans un deuxième temps, ce chapitre s’intéressera plus particulièrement aux performances des assemblages collés composite/béton. Une revue des différents essais mécaniques permettant de caractériser ces assemblages, ainsi que des modèles analytiques visant à décrire leur comportement sera d’abord proposée, puis les principaux critères qui permettent de définir la qualité d’un collage de composite PRF (polymère renforcé de fibres) sur un substrat béton seront ensuite discutés.
Dans une dernière partie, ce chapitre se focalisera sur le contrôle qualité du collage. Un premier point concernera les pratiques industrielles actuelles en matière de contrôle qualité. Différentes techniques permettant de détecter la présence de défauts macroscopiques seront ensuite étudiées. Enfin, les méthodes d’évaluation non-destructive permettant d’obtenir des informations quantitatives sur la qualité de collage seront examinées.
La discussion proposée amènera à exprimer un besoin, celui d’une méthode d’évaluation non-destructive permettant d’arriver au diagnostic quantitatif de la qualité de collage et applicable sur le terrain. Sur la base de l’inventaire dressé seront alors sélectionnées les techniques permettant de répondre à ce besoin. Pour chacune des techniques identifiées, les verrous technologiques à surmonter et les éventuelles limitations seront exposés, de sorte que l’objectif de ce travail de thèse puisse être explicité à l’issue de ce chapitre.
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I L
ES SYSTEMES
PRF
–
COLLE
–
BETON POUR LE RENFORCEMENT STRUCTURAL EN GENIE CIVIL
I.1 Le béton
Le béton est le matériau de construction le plus utilisé dans le monde. En 2006, la consommation mondiale du béton a été estimée à 11 milliards de tonnes [2], ce qui représente une consommation moyenne de 1,7 tonnes par habitants. Pourtant, ce n’est pas le matériau le plus résistant ni le plus rigide ; de ce point de vue, d’autres matériaux, l’acier par exemple, sont nettement plus performants. La prédominance s’explique principalement par trois raisons : le béton est incomparablement plus durable en milieu humide que les autres matériaux de construction, comme le bois ou l’acier ; du fait de sa mise en œuvre par coulage/moulage, il permet une grande liberté de forme et de taille ; et surtout, il est bon marché et repose sur des matières premières facilement accessibles.
Le béton est un « matériau formé par mélange de ciment, de sable, de gravillons et d’eau, et éventuellement d’adjuvants, d’additions ou de fibres, et dont les propriétés se développent par hydratation » [3]. Résultant de l’association de plusieurs constituants, le béton est par définition un matériau composite.
I.1.a La formulation du béton
Le ciment
Le ciment, qui joue le rôle de liant entre les constituants, est un « matériau minéral finement moulu, qui gâché avec de l’eau, forme une pâte qui fait prise et durcit par suite de réactions et de processus d’hydratation et qui, après durcissement, conserve sa résistance et sa stabilité même sous l’eau » [3]. Dans ces conditions, on parle de ciment hydraulique. Le ciment de Portland, mélange de clinker (calcaire et argile cuits à très haute température et finement broyés) et de poudre de gypse [4], est de loin le plus utilisé dans la fabrication du béton.
Les granulats
Qualifiés de sables, gravillons ou cailloux suivant leur taille, les granulats constituent le squelette du béton. Ils ne réagissent pas avec le ciment, l’eau et l’air, mais constituent jusqu’à 80% du volume total du mélange. Ils sont obtenus par concassage de roches exploités en carrière ou sont produits naturellement, par dragage dans les rivières par exemple [5]. Leur propreté et leur granulométrie doivent être précisément contrôlées pour assurer la réussite de la formulation [6].
L’eau de gâchage
En plus d’activer la réaction d’hydratation du ciment, l’eau de gâchage permet de contrôler la rhéologie du béton frais, facilitant ainsi sa mise en œuvre. Toutefois, elle doit être judicieusement dosée, en raison de son impact considérable sur la résistance et la durabilité du matériau à l’état durci. Elle doit avoir les propriétés d’une eau courante. L’eau de mer ne peut pas être utilisée car les sels qui y sont dissous perturbent la prise du ciment et peuvent attaquer les armatures dans le cas du béton armé.
Les charges fines complémentaires ou ultrafines
Ajoutées au mélange de base eau/ciment/granulats, les charges fines permettent d’améliorer les caractéristiques physiques et mécaniques du béton. Elles interviennent donc dans la formulation des bétons à hautes et très hautes performances.
Les adjuvants
Ce terme désigne les produits chimiques qui peuvent être ajoutés au mélange pendant son malaxage, et dont l’objectif est de modifier certaines propriétés du béton frais ou durci. Ils sont utilisés en faible quantité (proportion massique de 1 à 3% par rapport au ciment) et peuvent remplir différentes
29 fonctions : réducteurs d’eau, retardateurs ou accélérateurs de prise, superplastifiants, entraîneurs d’air…
Les différents constituants du béton sont représentés sur la Figure 1.a, tandis que la Figure 1.b présente une section polie illustrant la structure interne d’un échantillon de béton durci.
Figure 1 : a. Les différents constituants du béton ; b. vue d’une section polie d’un échantillon de béton [2].
I.1.b Réaction d’hydratation du ciment, microstructure, porosité
Le mélange entre le ciment Portland et l’eau forme une pâte de ciment qui va successivement faire prise puis durcir au cours de la réaction dite d’hydratation. Lors de cette réaction complexe, les différents composés du ciment vont complètement se réorganiser et de nouveaux composés appelés hydrates, en grande partie cristallins, vont se former. Le prise ne dure que quelques minutes et correspond au passage de l’état de suspension à celui de solide. Le matériau voit ensuite ses propriétés physiques et mécaniques évoluer d’abord rapidement puis plus lentement pendant la phase de durcissement, qui peut se poursuivre sur plusieurs années [4]. Les premières heures de la vie du mélange s’accompagne d’un important retrait propre au processus d’hydratation et à l’autodessication qui en résulte, appelé retrait endogène.
Au final, le matériau obtenu présente une microstructure fortement hétérogène et extrêmement complexe, comme on le constate sur la Figure 1.b. On considère généralement qu’elle présente trois phases : la pâte de ciment hydratée, les granulats et la zone de transition entre les deux appelée interphase (Interfacial Transition Zone ou ITZ en anglais) – bien que la distinction entre les trois phases ne soit pas toujours évidente. La pâte de ciment hydratée est elle-même un mélange complexe de différents hydrates (silicates de calcium hydratés notés C-S-H, aluminates hydratés, chaux hydratées ou Portlandite…), de grains de ciment non hydratés, d’espaces capillaires remplis d’eau ou d’air, et de bulles d’air. A noter que le béton est un matériau très alcalin (la solution interstitielle présente un pH de l’ordre de 13), ce qui est à prendre en compte lorsque d’autres matériaux en contact sont étudiés. La porosité du matériau provient de la présence de différents types de pores en plus des inclusions d’air et des fissures résultant du processus de fabrication du béton. Les pores dits capillaires sont les réserves d’eau n’ayant pas encore servi à l’hydratation [7]. Leur dimension est de l’ordre de 10 µm à 100 µm. Leur quantité dépend notamment du rapport eau/ciment initial, et évolue au cours de la réaction puisque les pores capillaires sont progressivement comblés par les hydrates. Si le matériau n’est pas conservé à l’humidité, ces pores se vident à mesure que l’eau est consommée, entrainant un phénomène de retrait dit de dessiccation ou de séchage, et la réaction d’hydratation finit ainsi par s’arrêter. Les pores de gel, beaucoup plus petits (de l’ordre du nm), correspondent à l’espace contenant l’eau adsorbée à la surface des microcristaux. La porosité du béton est un paramètre important influençant notamment les propriétés mécaniques, la perméabilité et les propriétés de
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transfert des différents fluides (eau, ions, gaz) et de manière sous-jacente la durabilité, ou encore l’adhérence à d’autres matériaux, puisqu’elle affecte la pénétration des fluides tels que les résines polymère utilisées pour l’injection de fissure ou le collage de renforts composites, par exemple.
On signalera qu’à l’échelle de la présente étude, le béton sera considéré comme un matériau homogène et isotrope bien qu’il sera éventuellement tenu compte d’effets locaux dus aux granulats.
I.1.c Caractéristiques mécaniques
La résistance du béton traduit sa capacité à résister à une contrainte jusqu’à sa rupture. Elle est au centre de toute étude de dimensionnement précédent la construction d’un ouvrage ou accompagnant les opérations de maintenance au cours de sa vie. Le béton présente une résistance à la traction relativement médiocre, qui s’explique principalement par la résistance limitée de la pâte de ciment et de l’ITZ à ce type de sollicitation, et par l’existence de multiples défauts et microfissures résultant des processus de fabrication et de prise du béton. Ces défauts se propagent alors rapidement lorsque l’on soumet le matériau à une contrainte de traction. Pour autant, la résistance en compression du béton est intéressante, et c’est donc essentiellement cette propriété qui est exploitée lors de la conception d’éléments structurels. Le béton armé permet par ailleurs de surpasser cette faiblesse en laissant les armatures en acier, autrement plus rigides et résistantes, reprendre les efforts de traction appliqués à la structure ; le béton précontraint exploite encore plus loin cette idée : le béton est comprimé de manière permanente, ce qui permet à toute sa section de participer à la résistance et donc d’alléger le renforcement, offrant la possibilité de concevoir des ouvrages de grande portée et de profil élancé. Cette technique permet aussi de construire des ouvrages globalement étanches, les fissures du béton restant fermées sous l’effort de précontrainte.
Le béton voit ses propriétés évoluer sensiblement dans les premières semaines qui suivent sa fabrication, à mesure que la réaction d’hydratation progresse. Par convention, la classification d’un béton repose sur sa valeur de résistance en compression mesurée à 28 jours après sa fabrication, notée 𝑓𝑐𝑚. De cette donnée peuvent être déduits approximativement, via des lois de corrélation, d’autres paramètres mécaniques comme les modules d’Young en traction et en compression ou encore la résistance en traction ainsi que son évolution au cours du temps [8]. La résistance en compression est mesurée sur des éprouvettes standards dont les dimensions sont spécifiées dans les normes [9]. En France, ce sont traditionnellement des éprouvettes cylindriques qui sont utilisées pour la réalisation des essais uniaxiaux (les « 16×32 » de diamètre 16 cm et de hauteur 32 cm par exemple), tandis que dans d’autres pays comme l’Allemagne ou la Grande Bretagne, par exemple, ce sont plutôt des éprouvettes cubiques (de dimensions 150 mm × 150 mm en particulier).
Les différentes caractéristiques mécaniques du béton peuvent être déterminées directement au moyen d’essais spécifiques. Des lois de comportement typiques du béton en traction directe et en compression sont représentées sur la Figure 2.
Dans l’essai de traction uniaxiale directe, généralement piloté en déplacement, on constate que le béton se comporte de manière élastique et linéaire quasiment jusqu’au pic correspondant à la contrainte maximale 𝑓𝑡 (i.e. résistance en traction) de l’ordre de 2 à 5 MPa pour les bétons courants (Figure 2.a.). La contrainte diminue ensuite brutalement lors de la fissuration puis plus doucement à mesure que l’endommagement se propage, jusqu’à la ruine totale de l’éprouvette. Notons que pendant cette phase d’adoucissement, les contraintes ne sont plus homogènes dans le matériau et les déformations deviennent localisées alors que le reste de l’éprouvette est déchargé. La courbe contrainte – déformation post-pic mesurée dans la zone de localisation des déformations ne décrit donc plus le comportement intrinsèque du matériau. La résistance à la traction étant généralement sous-évaluée dans un essai de traction uniaxiale directe (défaut d’excentricité, contraintes secondaires au niveau des mors…), celle-ci est en pratique plutôt mesurée par des essais de fendage [10] (plus faciles à réaliser) ou de manière indirecte par des essais de flexion [11].
