Comportement mécanique et durabilité de structures en béton renforcées par des armatures composites internes

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Arnaud Rolland

To cite this version:

Arnaud Rolland. Comportement mécanique et durabilité de structures en béton renforcées par des armatures composites internes. Mécanique des matériaux [physics.class-ph]. Université Paris-Est, 2015. Français. �NNT : 2015PESC1065�. �tel-01223307�

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HESE

Présentée par : Arnaud ROLLAND Pour obtenir le grade de :

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Spécialité : Génie Civil Sujet de la thèse :

Comportement mécanique et durabilité de structures en béton

renforcées par des armatures composites internes

Thèse présentée et soutenue à Marne-la-Vallée le 27 mars 2015 devant le jury composé de : Brahim BENMOKRANE Professeur - Université de Sherbrooke Président de jury Elhem GHORBEL Professeur - Université de Cergy-Pontoise Rapporteur

Alex LI Professeur - Université de Reims Rapporteur

Bernard CRETON Président de l’Afcab Membre invité

Pascal COLLET Ingénieur - Total S.A. Examinateur

Sylvain CHATAIGNER Chercheur - Ifsttar Examinateur

Marc QUIERTANT Chercheur - Ifsttar Examinateur

Pierre ARGOUL Professeur - Ecole des Ponts Paristech Examinateur Karim BENZARTI Directeur de recherche - Ifsttar Directeur de thèse

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EMERCIEMENTS

Je tiens à remercier en tout premier lieu l’ensemble des membres du jury pour l’intérêt qu’ils ont portés à ce travail, et plus particulièrement M. Brahim Benmokrane pour avoir accepté de présider ce jury, ainsi que Mme Elhem Ghorbel et M. Alex Li pour avoir accepté le rôle de rapporteur et apporté leurs remarques pertinentes et leurs idées venant enrichir les perspectives de cette étude.

Je remercie l’ensemble de l’équipe du laboratoire CPDM de l’Ifsttar pour m’avoir accueilli durant cette période de thèse.

Je voudrais remercier grandement la « Dream Team » avec qui j’ai eu le plaisir de travailler, à savoir mon directeur de thèse M. Karim Benzarti, mon co-directeur M. Pierre Argoul et mon conseiller d’études M. Marc Quiertant, pour l’aide précieuse qu’ils m’ont chacun apportés tout au long de cette étude, pour toutes leurs idées et remarques pertinentes, mais surtout pour leur soutien, et leur grande implication dans ce travail de thèse.

Je souhaiterais adresser un remerciement particulier à M. Sylvain Chataigner pour toute l’aide qu’il m’a apporté, d’une part dans la réalisation d’une grande partie de la campagne expérimentale, dans un contexte particulier lié au déménagement du laboratoire de Paris à Marne-la-Vallée, mais également pour son implication générale dans ce travail ainsi que pour ses conseils enrichissants. Je remercie également l’ensemble de l’équipe du laboratoire SMC pour m’avoir régulièrement accueilli lors de mes venues sur le site Nantais de l’Ifsttar.

Ces travaux n’auraient pu être réalisés sans l’implication d’un certain nombre de personnes. Je remercie notamment les différents membres des laboratoires CPDM, EMMS et SMC qui m’ont aidés dans la réalisation de la campagne expérimentale de cette thèse. Je souhaite remercier plus particulièrement M. Aghiad Khadour pour son aide sur les techniques d’instrumentation par fibre optique. J’adresse également un grand merci à M. Yannick Falaise, M. Michel Grasset, Mlle Angélique Guilloux et M. Jean-Marc Paul pour leur aide régulière tout au long du développement et de la réalisation des principaux essais.

Je remercie la Direction de la Recherche et de l’Innovation du Ministère de l’Ecologie, du Développement Durable et de l’Energie, pour avoir assuré le financement de cette thèse, et en particulier M. Jean-Luc Clément qui s’est fortement impliqué pour le bon déroulement de ce financement.

Je remercie l’ensemble des collègues avec qui j’ai eu l’occasion de partager d’agréables moments et de travailler dans la bonne humeur. Je pense notamment à Manuela, Fabien, Noureddine, Ines, Mathieu, Clément, Jeremy, Mohamad, Hajer, Astrid, Marion, Anais, Marie, les deux Céline, Nadia, Béatrice, Issam, Sandrine, Dinarzed, Annie, Agnès, Franck, et je m’excuse pour ceux que j’oublierais de citer.

Je remercie enfin ma famille et mes amis qui m’ont soutenus au cours de ces années, et j’adresse ma dernière pensée pour une personne très particulière.

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ESUME

La corrosion des armatures constitue la principale cause de dégradation des ouvrages en béton armé, et occasionne des coûts élevés de maintenance/réparation. Pour prévenir ce problème sur ouvrages neufs, une solution consiste à renforcer les structures en béton par des armatures non-métalliques de type Polymère Renforcé de Fibres (PRF), généralement à base de fibres de verre, de carbone ou d’aramide. Il existe aujourd’hui plusieurs textes réglementaires, notamment aux USA, au Canada et au Japon, qui définissent les principes de dimensionnement et les règles de mise en œuvre de ces armatures en PRF ; de nombreux ouvrages en béton armé par barres en PRF ont d’ailleurs été construits dans ces pays. Cependant, si l’utilisation de ces nouvelles armatures semble à priori prometteuse, elle suscite encore des réserves de la part des maîtres d’ouvrages, notamment en France. Il subsiste en effet des incertitudes sur le comportement à long terme des structures renforcées par PRF, et plus particulièrement sur la durabilité en milieu alcalin des armatures à matrice vinylester ou époxy renforcée par des fibres de verre (PRFV), qui sont actuellement les plus utilisées, ou encore sur le vieillissement de l’interface PRF/béton.

Dans ce contexte, la présente étude vise à développer pour la première fois en France, un ensemble de méthodologies permettant, d’une part de caractériser les principales propriétés physiques, mécaniques et d’interface des différentes armatures en PRF disponibles sur le marché, et d’autre part d’évaluer la durabilité d’armatures en PRFV (les plus représentatives du marché) et de l’interface PRFV/béton à travers des procédures pertinentes de vieillissements accélérés.

La première partie de l’étude a donc été consacrée à la caractérisation physique et mécanique d’une sélection d’armatures du commerce, confectionnées à base de fibres de verre, de carbone ou d’aramide, et au comportement mécanique de l’interface entre ces PRF et le béton. Outre la caractérisation microstructurale des PRF par techniques de microscopie et d’analyse thermique, la mise en place de dispositifs d’essais de traction et de flexion 3 points à appuis rapprochés

(Short-beam test) a permis d’accéder respectivement aux propriétés mécaniques en traction (module

d’élasticité, résistance) et à la résistance au cisaillement inter-laminaire des armatures. Des essais spécifiques d’arrachement (Pull-out) ont ensuite permis d’évaluer l’influence de différents paramètres (type de fibre, diamètre et géométrie de surface des barres) sur le mécanisme de transfert d’effort à l’interface armature/béton. Une grande originalité de l’approche proposée réside dans l’instrumentation d’une partie des corps d’épreuve par des capteurs de déformation à fibre optique disposés au niveau de l’interface armature/béton ; ce dispositif de mesures réparties permet d’accéder à des informations locales comme le profil des déformations de traction de l’armature, et d’en déduire la longueur d’ancrage des différentes armatures dans le béton.

En complément de l’étude expérimentale précédente, un travail de modélisation analytique et numérique a été initié en vue de simuler les essais d’arrachement et d’appréhender plus finement les mécanismes d’interface mis en jeu entre l’armature et le béton lors de ces essais. Dans cette optique, un modèle analytique d’interface a tout d’abord été proposé, puis introduit dans un modèle aux éléments finis (modèle d’endommagement de zones cohésives).

Enfin, un protocole de vieillissement accéléré a été appliqué à des barres en PRFV seules ou noyées dans un milieu cimentaire. Les caractéristiques résiduelles des armatures et des interfaces ont été évaluées à différentes échéances de vieillissement (jusqu’à 240 jours). Hormis une diminution des propriétés mécaniques des barres soumises à une immersion directe en solution alcaline, cette condition pouvant être considérée comme très sévère par rapport aux conditions de service, il n’a pas été observé de dégradation des propriétés d’adhérence PRF/béton par rapport à l’état initial.

Mots clés : Composites, Armatures PRF, Caractérisation mécanique et physique, Test d’arrachement, Fibre optique, Modélisation, Durabilité, Vieillissement accéléré.

A

BSTRACT

Corrosion of the steel reinforcing bars (rebars) is the main process involved in the degradation of reinforced concrete (RC) structures, and has large repercussions on the maintenance/reparation expenses. To prevent such degradations on new infrastructures, the use of corrosion-free reinforcements, such as Fiber Reinforced Polymer (FRP) bars based on glass, carbon or aramid fibers, is gaining interest. Specific guidelines are already available in several countries (USA, Canada or Japan for instance), that define the design principles and good practices for this type of internal rebars; beside, many FRP RC structures have been built and are in service in these countries. Although the development of these new reinforcing bars is quite promising, infrastructures owners are still reluctant for their wide-scale use, especially in France. There are still major concerns regarding the long term behavior of FRP RC structures, and more particularly, the durability of glass fibers reinforced polymers (GFRP) when subjected to an alkaline environment, and the ageing behavior of the GFRP/concrete bonding as well.

In this context, the present study aims at developing for the first time in France, a set of methodologies that allows:

i) to characterize the main physical/mechanical properties of different types of FRP bars from the market.

ii) to assess the durability of GFRP bars (the most common type of bar) and their interface with concrete through relevant accelerated ageing procedures.

The first part of this study was thus devoted to the physical/mechanical characterization of a selection of commercially available FRP rebars, based on glass, carbon or aramid fibers, and to the mechanical behavior of corresponding FRP/concrete interfaces. Beside the microstructural characterization of the various FRP materials by microscopy and thermal analysis techniques, tensile and short beam tests were developed in order to determine the tensile properties (Young’s modulus and strength) and the interlaminar shear strength (ILSS) of the bars. Specific pull-out tests then made it possible to evaluate the influence of several parameters (type of fibers, diameter and surface geometry of the bars) on the mechanism of load transfer at the bar/concrete interface. A main originality of the proposed approach relied on the instrumentation of several test bodies by optical fiber strain sensors, which were installed along the bar/concrete interface. Such a distributed measurement system provided local information in the form of tensile strain profiles of the bars along the interface, and made it possible to determine the effective transfer length of the various types of FRP bars.

As a complement to the previous experimental study, an analytical and numerical modeling work was initiated to simulate the pull-out tests and investigate more closely the interfacial mechanisms involved in the FRP bar/concrete bond behavior. In this line, an improved interface model was first proposed, which was then implemented in a finite element model (cohesive zone model formulated in the context of damage mechanics).

Finally, an accelerated ageing protocol was developed and applied to the GFRP bars, either alone or embedded in a concrete medium. The retention properties of both bars and interfaces were determined after various periods of exposure (up to 240 days). Except a drop of tensile properties observed for GFRP bars that were directly immersed in an alkaline solution, which is considered as a very severe environment compared to actual service conditions, no significant loss of interfacial properties was detected on aged specimens compared to the initial state.

Keywords: Composites, FRP bars, Physical and mechanical characterization, Pull-out tests, Optical fiber sensors, Modeling, Durability, Accelerated ageing.

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ABLE DES MATIERES

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... 3

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... 5

A

... 7

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... 9

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... 15

L

... 21

I

... 23

1.

E

... 27

1.1. Introduction ... 28

1.2. Différents types d’armatures composites ... 28

1.2.1. Les fibres de renforcement... 29

1.2.1.1. Fibres de verre ... 29

1.2.1.2. Fibres de carbone ... 30

1.2.1.3. Fibres d’aramide ... 31

1.2.1.4. Fibres de basalte ... 32

1.2.1.5. Propriétés comparées des différents types de fibres ... 32

1.2.2. Les matrices polymères thermodurcissables ... 33

1.2.2.1. Matrice polyester ... 33

1.2.2.2. Matrice vinylester ... 34

1.2.2.3. Matrice époxy ... 35

1.2.2.4. Propriétés comparées des différentes matrices thermodurcissables ... 36

1.2.3. Armatures en PRF pour le renforcement interne de structures ... 37

1.2.3.1. Procédé de fabrication des armatures ... 37

1.2.3.2. Exemples d’armatures disponibles sur le marché ... 38

1.2.3.3. Propriétés comparées des différents types d’armatures en PRF ... 39

1.3. Applications des PRF dans le génie civil ... 41

1.3.1. Normes et recommandations existantes ... 41

1.3.1.1. Historique des principales publications ... 41

1.3.1.2. Principales philosophies de dimensionnement ... 43

1.3.2. Quelques ouvrages d’art de référence ... 45

1.4. Problématiques liées à l’emploi des armatures en PRF ... 47

1.4.1. Effet de la température ... 47

1.4.1.1. Dilatation thermique ... 47

1.4.1.2. Transition vitreuse et degré de polymérisation de la matrice polymère ... 48

1.4.2. Durabilité des armatures en PRF sous sollicitations environnementales et mécaniques ... 49

1.4.2.1. Effets de l’humidité ... 49

1.4.2.2. Vieillissement en milieu alcalin... 51

1.4.2.3. Sensibilité au fluage ... 51

1.4.2.4. Fatigue ... 53

1.4.3. Synergies entre facteurs de dégradation ... 53

1.5.1. Propriétés physiques ... 54

1.5.1.1. Coefficients de dilatation thermiques ... 54

1.5.1.2. Température de transition vitreuse de la matrice ... 55

1.5.2. Caractérisations mécaniques d’armatures en PRF ... 56

1.5.2.1. Résistance en traction et module élastique ... 56

1.5.2.2. Résistance au cisaillement inter laminaire ... 56

1.6. Comportement d’armatures en PRF insérées dans le béton ... 57

1.6.1. Comportement de l’interface armature/béton ... 57

1.6.1.1. Essai d’arrachement direct (Pull-out test) ... 57

1.6.1.2. Essais d’arrachement par flexion de poutre (Bond beam test) ... 58

1.6.1.3. Principaux résultats de la littérature sur le comportement d’interface ... 59

1.6.2. Comportement d’éléments structurels renforcés par PRF ... 60

1.6.2.1. Flexion de poutres renforcées par armatures en PRF ... 60

1.6.2.2. Essais sur éléments de tabliers ... 60

1.7. Principaux modèles de comportement d’interface armatures en PRF / béton ... 61

1.7.1. Modèles analytiques de comportements d’interface ... 61

1.7.2. Modélisations numériques ... 63

1.8. Revue de quelques études de durabilité... 65

1.8.1. Vieillissement accéléré d’armatures en PRF ... 66

1.8.1.1. Principe du vieillissement accéléré et prédiction de la durée de vie ... 66

1.8.1.2. Milieux alcalins modèles pour le vieillissement accéléré ... 67

1.8.1.3. Résultats des études de vieillissement accélérés ... 68

1.8.2. Durabilité de l’interface armature PRF/béton et d’éléments structurels ... 72

1.8.2.1. Durabilité de l’interface armature/béton ... 72

1.8.2.2. Durabilité de poutres renforcées par armatures PRF ... 74

1.9. Conclusions ... 76

2.

C

’

PRF ... 79

2.1. Introduction ... 80

2.2. Observations micrographiques ... 81

2.2.1. Observation des sections transversales des armatures ... 81

2.2.2. Estimation du diamètre des fibres ... 83

2.3. Température de transition vitreuse de la matrice polymère ... 85

2.3.1. Détermination expérimentale de Tg par DSC ... 85

2.3.2. Résultats et discussions ... 87

2.4. Résistance en traction et module élastique ... 88

2.4.1. Programme expérimental... 88 2.4.1.1. Echantillons ... 88 2.4.1.2. Matériel ... 89 2.4.1.3. Protocole expérimental ... 89 2.4.2. Résultats et discussions ... 90 2.4.2.1. Modes de rupture ... 90

2.4.2.2. Modules élastiques et résistances en traction ... 90

2.5. Résistance au cisaillement inter-laminaire ... 92

2.5.1. Programme expérimental... 93

2.5.1.1. Eprouvettes ... 93

2.5.1.2. Matériel ... 93

2.5.1.3. Protocole expérimental ... 94

2.5.2.2. Résistance au cisaillement inter-laminaire ... 94

2.6. Conclusions ... 95

3.

E

’

PRF

... 99

3.2.1.4. Instrumentation par fibres optiques ... 103

3.2.2. Protocole expérimental ... 103

3.2.2.1. Dispositif de chargement ... 103

3.2.2.2. Instrumentation et mesures ... 104

3.3. Résultats ... 104

3.3.1. Modes de rupture ... 105

3.3.2. Evolution du déplacement de l’extrémité libre de l’armature lors du chargement . 107 3.3.2.1. Résultats généraux ... 114

3.3.2.2. Effet du traitement de surface... 114

3.3.2.3. Effet du diamètre ... 116

3.3.2.4. Effet de l’instrumentation ... 117

3.3.3. Comportement local d’interface ... 117

3.3.3.1. Profils de déformations ... 117

3.3.3.2. Estimation de la longueur d’ancrage des armatures ... 126

3.4. Conclusions ... 129

4.

M

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... 131

4.1. Introduction ... 132

4.2. Modélisation du comportement d’interface ... 132

4.2.1. Définition de la configuration de chargement ... 132

4.2.2. Présentation du modèle de zones cohésives ... 133

4.2.3. Proposition d’une loi analytique d’interface ... 135

4.2.4. Identification des paramètres à partir des données d’essais ... 136

4.2.4.1. Méthode d’identification ... 136

4.2.4.2. Résultats... 137

4.3. Modélisation numérique ... 142

4.3.1. Maillage du problème et lois de comportement des matériaux ... 142

4.3.2. Simulations numériques ... 145

4.3.2.1. Suivi de l’évolution de la contrainte moyenne de cisaillement en fonction du glissement ... 145

4.3.2.2. Comparaison entre les profils de déformation théoriques et expérimentaux à l’interface... 148

4.4. Conclusions ... 151

5.

E

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PRFV

... 153

5.1. Introduction ... 154

5.2.1. Eprouvettes ... 154

5.2.1.1. Eprouvettes destinées à la caractérisation en flexion 3 points à appuis rapprochés (Short-beam) ... 154

5.2.1.2. Eprouvettes destinées à la caractérisation en traction ... 156

5.2.1.3. Eprouvettes destinées à la caractérisation à l’arrachement (Pull-out) ... 156

5.2.1.4. Armatures destinées au suivi de la prise de masse ... 156

5.2.1.5. Béton constitutif des éprouvettes ... 157

5.2.2. Programme de vieillissement ... 157

5.2.3. Caractérisation des propriétés résiduelles après vieillissement ... 160

5.2.3.1. Suivi de masse et de diamètre ... 160

5.2.3.2. Observations de la microstructure ... 160

5.2.3.3. Calorimétrie différentielle à balayage ... 161

5.2.3.4. Spectrométrie infrarouge à transformée de Fourier ... 161

5.2.3.5. Comportement en traction ... 161

5.2.3.6. Comportement au cisaillement inter laminaire ... 162

5.2.3.7. Comportement d’interface ... 162

5.3. Résultats et discussions ... 162

5.3.1. Microstructure ... 162

5.3.1.1. Images MEB en mode « électrons secondaires » ... 162

5.3.1.2. Cartographie par EDX ... 164

5.3.2. Suivi des propriétés physiques ... 167

5.3.2.1. Prise de masse et gonflement ... 167

5.3.2.2. Température de transition vitreuse ... 169

5.3.2.3. Spectres IRTF ... 171

5.3.3. Evolution du comportement en traction ... 171

5.3.3.1. Modes de rupture ... 171

5.3.3.2. Module élastique et résistance en traction ... 172

5.3.3.3. Prédictions du comportement en traction à long terme ... 174

5.3.4. Evolution du comportement en cisaillement inter laminaire ... 178

5.3.4.1. Modes de rupture ... 178

5.3.4.2. Résistances au cisaillement inter-laminaire ... 179

5.3.5. Propriétés d’interface de l’armature PRFV avec le béton ... 182

5.3.5.1. Evolution du béton à l’issue des vieillissements ... 182

5.3.5.2. Modes de ruptures après essais d’arrachements ... 184

5.3.5.3. Résistances à l’arrachement ... 185

5.4. Conclusions vis-à-vis des essais de vieillissement ... 188

C

... 191

B

... 195

A

... 205

Annexe A : Images MEB de sections transversales d’armatures en PRF ... 207

Annexe B : Thermogrammes DSC des échantillons de référence ... 209

Annexe C : Courbes issues des essais de traction ... 215

Annexe D : Courbes issues des essais Short-beam ... 217

Annexe E : Simulations numériques individuelles ... 219

Annexe F : Images MEB en sur échantillons de référence ou vieillis ... 221

Annexe G : Cartographies EDX de l’élément sodium (Na) sur échantillons de références ou vieillis ... 225 Annexe H : Courbes issues des essais de traction sur échantillons de référence ou

Annexe I : Courbes issues des essais Short-beam sur échantillons de référence ou vieillis ... 229 Annexe J : Courbes issues des essais Pull-out sur échantillons de référence ou vieillis

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ISTE DES FIGURES

Figure 1.1 : Représentation schématique de la structure des matériaux PRF [ISIS 06a] ... 29

Figure 1.2 : Différents types de fibres d’aramide [INRS 03] ... 31

Figure 1.3 : Représentations (a) de la structure chimique d’un prépolymère UP (b) d’une chaîne linéaire de polyester insaturé avant réticulation, et (c) du réseau tridimensionnel après réticulation [SPS 01]. B représente les groupements réactifs du prépolymère et S le styrène ... 34

Figure 1.4 : Représentations (a) de la structure chimique d’un prépolymère vinylester, (b) d’une chaine linéaire vinylester avant réticulation, et (c) du réseau tridimensionnel après réticulation. B représente les groupements réactifs du prépolymère et S le styrène [SPS 01] ... 35

Figure 1.5 : Structure chimique d’un prépolymère époxy de type DGEBA ... 35

Figure 1.6 : (a) Réaction époxy/diamine, et (b) structure du réseau époxy réticulé ... 36

Figure 1.7 : Schéma de principe du procédé de pultrusion [ISIS 07] ... 37

Figure 1.8 : Ligne de fabrication de barres à fibres aramides tressées (Société Fibex ®, Japon) – (a) alimentation de la ligne avec les mèche tressées, (b) imprégnation des mèches, (c) étirage des profilés, (d) passage dans le four, (e) sciage des barres, (f) opération de sablage optionnelle ... 38

Figure 1.9 : Exemples de barres en PRF disponibles sur le marché ... 39

Figure 1.10 : Déformations à la rupture des matériaux constitutifs des PRF (a) quand m,ult < f,ult et (b) quand m,ult > f,ult ... 40

Figure 1.11 : Courbes typiques contrainte-déformation sous sollicitation de traction pour différentes armatures en PRF et en acier [ACI 06, FIBR 08, TECH 10, ASLA 11, ROCK 12, SIR 12, VROD 13, COMB 13] ... 41

Figure 1.12 : Développement chronologique des documents de recommandations concernant le dimensionnement des structures en béton renforcées par armatures PRF entre 1996 et 2012 ... 42

Figure 1.13 : Exemples de ponts renforcés par armatures en PRF [ACI 96, SALA 02, FIB 07] ... 46

Figure 1.14 : Reconstruction du pont Joffre à Sherbrooke (Canada) en 1997. Renforcement interne d’une partie de tablier au moyen de grilles PRFC instrumentées par fibres optiques [BEN 00] ... 47

Figure 1.15 : Schéma de la plastification d’un polymère par l’eau [VER 00] ... 50

Figure 1.16 : Mécanisme de cloquage par vieillissement osmotique [VER 00] ... 50

Figure 1.17 : Comportement en fluage d’un matériau viscoélastique ... 52

Figure 1.18 : Comportement en fluage d’armatures commerciales Schock Combar. (a) courbes contrainte appliquée versus temps de rupture à différentes températures d’essai, pour des barres de diamètre 16mm. (b) courbes contrainte appliquée versus temps de rupture pour des barres de différents diamètres testées à 60 °C ... 53

Figure 1.19 : Interactions entre facteurs de dégradation environnementaux et mécaniques (source [ISIS 07]) ... 54

Figure 1.20 : Instrumentation des barres par jauges de déformation, puis installation dans une enceinte thermique en vue de la détermination du CET transverse ... 55

Figure 1.21 : Méthode d’exploitation des thermogrammes DSC pour la détermination de Tg ... 55

Figure 1.22 : Propositions d’ancrages pour essais de tractions sur armatures PRF [ACI 04] ... 56

Figure 1.23 : Exemples de dispositifs d’essais Short-beam [MIC 04, CHEN 07, KIM 08] ... 57

Figure 1.24 : Principe de l’essai Pull-out et exemple de montage d’essai [ROB 10] ... 58

Figure 1.26 : Exemples d’essais sur éléments de tabliers renforcés par armatures en PRF, d’après les études menées par (a) Carvelli et al. [CARV 10] et (b) Bouguerra et al. [BOU 11] 61

Figure 1.27 : Modèles analytiques BPE (a) et CMR (b) ... 62

Figure 1.28 : Loi de comportement d’interface utilisée par Newman et al. [NEW 10] ... 63

Figure 1.29 : Comparaison des longueurs d’ancrages préconisées par l’ACI et estimées numériquement pour différentes armatures en PRFV (a) et PRFC (b) [NEW 10] .... 63

Figure 1.30 : Maillage du modèle utilisé par Mazaheripour et al. [MAZ 11] ... 64

Figure 1.31 : Lois de comportement du béton (a) et de l’interface (b) [MAZ 11] ... 64

Figure 1.32 : Confrontation entre les courbes (force d’arrachement / glissement) obtenues expérimentalement et par simulations numériques pour des armatures en PRFV de diamètre 12 mm [MAZ 11]... 65

Figure 1.33 : Estimation grossière de la pénétration des alcalins dans une barre en PRFV, en fonction du temps d’exposition en solution alcaline à 40°C [KATS 95] ... 67

Figure 1.34 : Cycles environnementaux utilisés par Micelli et Nanni, 2004 ... 69

Figure 1.35 : Exemple de courbes prédictives issues d’études de vieillissement accéléré : (a) PRFV1 en solution 1 et (b) PRFV2 en solution 2 [CHEN 06] ... 69

Figure 1.36 : Armatures vieillies en mortier humide [ROB 09] ... 70

Figure 1.37 : Images MEB d’armatures en PRFV après différentes condition de vieillissement [MIC 04, ROB 09, MUF 07] ... 71

Figure 1.38 : Poutres renforcées par armatures en PRFV, d’après Laoubi et al. [LAO 06] ... 74

Figure 1.39 : Poutres renforcées par des armatures en PRFV étudiées par [ALM 06] ... 75

Figure 1.40 : Poutres stockées dans un bac de vieillissement (phase sèche), d’après [ALM 06] .... 75

Figure 1.41 : (a) Poutres renforcées par armatures en PRFV et (b) bain de vieillissement de l’étude de durabilité de [DAV 11] ... 76

Figure 1.42 : Courbes maitresses de prédiction des propriétés résiduelles à long terme [DAV 11] ... 76

Figure 2.1 : Aspect des armatures en PRF étudiées ... 80

Figure 2.2 : Micrographies MEB des sections transversales polies des armatures PRF sablées ... 82

Figure 2.3 : Micrographies MEB (détails à plus fort grossissement) des sections transversales polies des différentes armatures PRF... 83

Figure 2.4 : Mesures de la surface des sections de fibres à partir des micrographies MEB, en utilisant le logiciel ImageJ ® ... 85

Figure 2.5 : Calorimètre différentiel à balayage TA DSC Q100 ® ... 86

Figure 2.6 : Détermination de la température de transition vitreuse sur un thermogramme DSC 86 Figure 2.7 : Exemple de thermogramme obtenu pour un échantillon prélevé sur armature VERRE-S (2 cycles successifs) ... 88

Figure 2.8 : Montage de l’essai de traction et mise en place du dispositif d’ancrage ... 89

Figure 2.9 : Modes de rupture en traction ... 90

Figure 2.10 : Allure des courbes contrainte/déformation de traction pour les différentes armatures en PRF et la barre en acier ... 91

Figure 2.11 : Montage de l’essai Short-beam ... 93

Figure 2.12 : Géométrie des appuis adaptés aux armatures PRF ... 93

Figure 2.13 : Modes de rupture des armatures PRF lors des essais Short-beam ... 94

Figure 2.14 : Courbes contrainte/déplacement issues des essais Short-beam ... 95

Figure 2.15 : Synthèse des principales propriétés physiques et mécaniques des armatures étudiées ... 97

Figure 3.1 : (a) Géométrie des corps d’épreuve utilisés pour les essais d’arrachement, et (b) photographie d’une série d’éprouvettes après fabrication ... 101

Figure 3.2 : Aspect des armatures en acier étudiées ... 101

Figure 3.4 : (a) engravure des barres en PRF, et (b) instrumentation des éprouvettes par fibre

optique ... 103

Figure 3.5 : Montage de l’essai Pull-out ... 104

Figure 3.6 : Nomenclature des différentes éprouvettes pour essais d’arrachement ... 104

Figure 3.7 : Mode de rupture des différentes éprouvettes après essais Pull-out ... 106

Figure 3.8 : Courbes contrainte moyenne d’adhérence/déplacement : Armatures ACIER-HA-12mm (a) et ARA1-S-ACIER-HA-12mm (b) ... 108

Figure 3.9 : Courbes contrainte moyenne d’adhérence/déplacement : Armatures ARA2-S-9mm (a) et ARA2-S-15mm (b) ... 109

Figure 3.10 : Courbes contrainte moyenne d’adhérence/déplacement : Armatures CARBO-S-10mm (a) et CARBO-NS-CARBO-S-10mm (b) ... 110

Figure 3.11 : Courbes contrainte moyenne d’adhérence/déplacement : Armatures VERRE-S-12,7mm (a) et VERRE-NS-VERRE-S-12,7mm (b) ... 111

Figure 3.12 : Courbes contrainte moyenne d’adhérence/déplacement : Armatures VERRE-S-9,5mm (a) et VERRE-S-15,9mm (b) ... 112

Figure 3.13 : Résistances à l’arrachement des différentes armatures ... 114

Figure 3.14 : Courbes typiques contrainte moyenne d’adhérence/déplacement pour les armatures VERRE-S, VERRE-NS, CARBO-S et CARBO-NS ... 115

Figure 3.15 : Courbes caractéristiques contrainte moyenne d’adhérence/déplacement pour les armatures ARA1-S et ARA2-S ... 116

Figure 3.16 : Profils de déformations mesurés par fibre optique : Armatures VERRE-S-9,5mm-3-FO (a) et VERRE-S-9,5mm-4-FO (b) ... 119

Figure 3.17 : Profils de déformations mesurés par fibre optique : Armatures VERRE-S-12,7mm-3-FO (a) et VERRE-S-12,7mm-4-FO (b) ... 120

Figure 3.18 : Profils de déformations mesurés par fibre optique : Armatures VERRE-S-15,9mm-3-FO (a) et VERRE-S-15,9mm-4-FO (b) ... 121

Figure 3.19 : Profils de déformations mesurés par fibre optique : Armatures VERRE-NS-12,7mm-3-FO (a) et VERRE-NS-12,7mm-4-FO (b) ... 122

Figure 3.20 : Profils de déformations mesurés par fibre optique : Armatures CARBO-NS-10mm-3-FO (a) et CARBO-NS-10mm-4-FO (b) ... 123

Figure 3.21 : Profils de déformations mesurés par fibre optique : Armatures CARBO-S-10mm-4-FO (a) et ACIER-HA-12mm-3-FO (b) ... 124

Figure 3.22 : Profils de déformations mesurés par fibre optique : Armatures ARA2-S-9mm-3-FO (a) et ARA2-S-15mm-4-FO (b) ... 125

Figure 3.23 : Longueurs scellées et longueurs d’ancrage estimées des différentes armatures ... 127

Figure 3.24 : Représentations de la longueur scellée et de la longueur d’ancrage : Armatures VERRE-S-12,7mm (a) et VERRE-NS-12,7mm (b)... 128

Figure 3.25 : Représentations de la longueur scellée et de longueur d’ancrage : Armatures CARBO-S-10mm (a) et CARBO-NS-10mm (b) ... 128

Figure 3.26 : Représentations de la longueur scellée et de la longueur d’ancrage : Armatures ARA2-S-9mm (a) et ACIER-HA-12mm (b) ... 128

Figure 4.1 : Géométrie du problème (a) et zoom sur la zone d’adhérence entre l’armature et le béton (b) ... 133

Figure 4.2 : Représentation des modes de séparation associés aux modèles de zones cohésives [MEI 12] ... 134

Figure 4.3 : Principaux modèles analytiques d’interface de type BPE (a) et CMR (b) ... 135

Figure 4.4 : Modèle analytique proposé ... 136

Figure 4.5 : Résultats des identifications spécifiques à chaque essai : armatures VERRE-S-12,7mm (a) et VERRE-NS-12,7mm (b) ... 139

Figure 4.6 : Résultats des identifications spécifiques à chaque essai : armatures VERRE-S-9,5mm (a) et VERRE-S-15,9mm (b) ... 140

Figure 4.7 : Résultats des identifications spécifiques à chaque essai : armatures CARBO-S-10mm (a) et CARBO-NS-10mm (b) ... 140 Figure 4.8 : Résultats des identifications spécifiques à chaque essai: armatures ARA2-S-9mm (a) et ARA2-S-15mm (b) ... 140 Figure 4.9 : Résultats des identifications spécifiques à chaque essai : armatures ACIER-HA-12mm (a) et ARA1-S-12mm (b) ... 141 Figure 4.10 : Identifications moyenne et globale : armatures S-12,7mm (a) et

VERRE-NS-12,7mm (b) ... 141 Figure 4.11 : Identifications moyenne et globale : armatures 9,5mm (a) et

VERRE-S-15,9mm (b) ... 141 Figure 4.12 : Identifications moyenne et globale : armatures CARBO-S-10mm (a) et

CARBO-NS-10mm (b) ... 142 Figure 4.13 : Identifications moyenne et globale : armatures ACIER-HA-12mm (a) et

ARA1-S-12mm (b) ... 142 Figure 4.14 : Identifications moyenne et globale : armatures ARA2-S-9mm (a) et ARA2-S-15mm

(b) ... 142 Figure 4.15 : Maillage du modèle numérique : maillage complet (a) et zoom sur l’interface

armature/béton (b) ... 143 Figure 4.16 : Exemple de courbe de la loi analytique et de la loi d’évolution de

l’endommagement D() pour le modèle « Identification globale » correspondant aux armatures VERRE-S-12,7mm ... 145 Figure 4.17 : Courbes de déplacement/cisaillement expérimentales, analytique et numériques :

armatures VERRE-S-12,7mm (a) et VERRE-NS-12,7mm (b) ... 146 Figure 4.18 : Courbes de déplacement/cisaillement expérimentales, analytique et numériques :

armatures VERRE-S-9,5mm (a) et VERRE-S-15,9mm (b) ... 146 Figure 4.19 : Courbes de déplacement/cisaillement expérimentales, analytique et numériques :

armatures ACIER-HA-12mm (a) et ARA1-S-12mm (b) ... 146 Figure 4.20 : Courbes de déplacement/cisaillement expérimentales, analytique et numériques :

armatures ARA2-S-9mm (a) et ARA2-S-15mm (b) ... 147 Figure 4.21 : Courbes de déplacement/cisaillement expérimentales, analytique et numériques :

armatures CARBO-NS-10mm ... 147 Figure 4.22 : Profils de déformations numériques et expérimentaux (fibre optique) : armatures

VERRE-S-9,5mm-3-FO (a) et VERRE-S-9,5mm-4-FO (b) ... 149 Figure 4.23 : Profils de déformations numériques et expérimentaux (fibre optique) : armatures

VERRE-S-12,7mm-3-FO (a) et VERRE-S-12,7mm-4-FO (b)... 149 Figure 4.24 : Profils de déformations numériques et expérimentaux (fibre optique) : armatures

VERRE-S-15,9mm-3-FO (a) et VERRE-S-15,9mm-4-FO (b)... 150 Figure 4.25 : Profils de déformations numériques et expérimentaux (fibre optique) : armatures

VERRE-NS-12,7mm-3-FO (a) et VERRE-NS-12,7mm-4-FO (b)... 150 Figure 4.26 : Profils de déformations numériques et expérimentaux (fibre optique) : armatures

CARBO-NS-10mm-3-FO (a) et CARBO-NS-10mm-4-FO (b) ... 150 Figure 4.27 : Profils de déformations numériques et expérimentaux (fibre optique) : armatures

CARBO-S-10mm-4-FO (a) et ACIER-HA-12mm-3-FO (b) ... 151 Figure 4.28 : Profils de déformations numériques et expérimentaux (fibre optique) : armatures

ARA2-S-9mm-3-FO (a) et ARA2-S-15mm-4-FO (b) ... 151 Figure 5.1 : Eprouvettes pour essais Short-beam : géométrie des éprouvettes utilisées pour le

vieillissement indirect (a), et photo d’une éprouvette après fendage du cylindre en béton (b) ... 155 Figure 5.2 : Armatures destinées à une immersion directe en solution alcaline ... 155 Figure 5.3 : Ensemble des milieux de vieillissements (a) et détail du milieu 40-AIR (b) ... 158

Figure 5.5 : Armatures prévues pour le suivi des évolutions de masse et de diamètre au cours du vieillissement (a) et exemple de mesure de diamètre sur une armature sablée (b) .... 160 Figure 5.6 : Spectromètre IRTF équipé du dispositif ATR ... 161 Figure 5.7 : Images MEB à grossissement « modéré » de la section transversale de barres en

PRFV de référence ou vieillies ... 163 Figure 5.8 : Images MEB à fort grossissement réalisées en périphérie de la section transversale de

barres en PRFV de référence et vieillies, à proximité de la couche sablée ... 163 Figure 5.9 : Images MEB à fort grossissement réalisées à cœur de la section transversale de barres

en PRFV de référence et vieillies ... 164 Figure 5.10 : Cartographie EDX sur une section transversale polie d’armature non vieillie :

répartition des éléments carbone (C), silicium (Si), sodium (Na) et potassium (K) .. 165 Figure 5.11 : Cartographies EDX de l’élément potassium (K) réalisées à grossissement modéré

sur des sections transversales polies de barres en PRFV de référence ou vieillies. ... 166 Figure 5.12 : Cartographies EDX de l’élément potassium (K) réalisées à fort grossissement sur la

périphérie des sections transversales polies de barres en PRFV de référence ou vieillies. ... 166 Figure 5.13 : Cartographies EDX de l’élément potassium (K) réalisées à fort grossissement sur les régions centrales des sections transversales polies des barres en PRFV ... 167 Figure 5.14 : Spectres IRTF dans la région 2500-4000 cm-1_{, d’un échantillon de référence (REF-1)}

et d’un échantillon vieilli en solution alcaline à 60 °C pendant 240 jours (60-AKS-240J) ... 171 Figure 5.15 : Modes de rupture typique après essais de traction sur échantillons vieillis ... 172 Figure 5.16 : Valeurs de la résistance en traction (a) et du module élastique (b) de barres PRFV de

référence, ou ayant subi différentes périodes d’immersion directe en solution alcaline ... 174 Figure 5.17 : Résistances résiduelles en traction des barres en PRFV en fonction du temps de

vieillissement direct (a) et droites d’Arrhenius pour différents taux de rétention (b) ... 177 Figure 5.18 : Courbe maîtresse (résistance résiduelle versus temps de vieillissement) à une

température de référence de 20°C ... 177 Figure 5.19 : Modes de rupture observés après essais de flexion Short-beam sur les barres en PRFV de référence ou vieillies dans les différentes conditions de vieillissement accéléré ... 179 Figure 5.20 : Comparaison entre les résistances au cisaillement inter-laminaire des barres PRFV

exposées aux milieux AKS et AKC (vieillissement direct en solution, et vieillissement indirect) ... 182 Figure 5.21 : Comparaison entre les résistances au cisaillement inter-laminaire des barres PRFV

exposées aux milieux AKS et AIR (vieillissement indirect et vieillissement hors-solution) ... 182 Figure 5.22 : Aspect typique des éprouvettes de béton à l’issue des vieillissements ... 183 Figure 5.23 : Modes de rupture typiques après essais d’arrachement (Pull-out) sur échantillons de

référence et vieillis dans les différents milieux considérés pendant 240 jours ... 185 Figure 5.24 : Résistances à l’arrachement déterminées sur éprouvettes vieillies dans les différents

L

ISTE DES TABLEAUX

Tableau 1.1 : Propriétés physiques et mécaniques des principales fibres utilisées dans l’industrie des matériaux composites ... 32 Tableau 1.2 : Propriétés physiques et mécaniques des principales matrices thermodurcissables

utilisées pour la stratification des composites ... 36 Tableau 1.3 : Exemples d’armatures en PRF commercialisées ... 38 Tableau 1.4 : Caractéristiques mécaniques typiques d’armatures en PRF et en acier [ACI 06, FIBR 08, TECH 10, ASLA 11, ROCK 12, SIR 12, VROD 13, COMB 13]. Pour les PRF, les intervalles indiqués correspondent à des valeurs typiques pour des fractions volumiques de fibres de 0,5 à 0,7 ... 41 Tableau 1.5 : Facteurs de réduction proposés par les guides ACI 440.1R-06, CSA-S6-06 et

JSCE 97... 45 Tableau 1.6 : CET longitudinaux et transverses typiques d’armatures en PRF et en acier [NEV 96, ISIS 07] ... 48 Tableau 1.7 : Grades de durabilité des barres PRFV selon les recommandations [ISIS 06e] ... 49 Tableau 1.8 : Pertes de résistance en traction après vieillissement accélérés dans différents

environnements, d’après une sélection d’études de la littérature ... 72 Tableau 2.1 : Liste des différentes armatures en PRF étudiées ... 80 Tableau 2.2 : Résultats des mesures de diamètres pour les fibres des différentes barres PRF

étudiées ... 84 Tableau 2.3 : Valeurs de Tg déterminées par DSC pour les différentes armatures PRF (2 cycles

successifs) ... 87 Tableau 2.4 : Eprouvettes testées lors des essais de traction ... 89 Tableau 2.5 : Paramètres des essais de traction ... 90 Tableau 2.6 : Résultats des essais de traction ... 92 Tableau 2.7 : Eprouvettes pour essais Short-beam ... 93 Tableau 2.8 : Résultats des essais Short-beam ... 95 Tableau 3.1 : Liste des armatures de l’étude ... 101 Tableau 3.2 : Composition du béton des éprouvettes ... 102 Tableau 3.3 : Résultats des essais de compression sur le béton ... 102 Tableau 3.4 : Résultats des essais d’arrachements ... 113 Tableau 3.5 : Longueurs d’ancrage estimées à partir des profils expérimentaux et de la relation (3.2.) ... 127 Tableau 4.1 : Résultats de la procédure d’identification ... 138 Tableau 4.2 : Caractéristiques élastiques des armatures et du béton utilisées dans la modélisation

numérique ... 144 Tableau 4.3 : Détermination du coefficient de modulation  pour les différentes armatures ... 148 Tableau 5.1 : Résultats d’essais de compression du béton (seconde gâchée) ... 157 Tableau 5.2 : pH des solutions alcalines... 158 Tableau 5.3 : Répartition des éprouvettes dans les milieux de vieillissement ... 159 Tableau 5.4 : Suivi de prise de masse des barres en PRFV sablées au cours du vieillissement direct par immersion dans la solution alcaline ... 168 Tableau 5.5 : Suivi de prise de masse des barres non-sablées au cours du vieillissement direct par

immersion dans la solution alcaline ... 168 Tableau 5.6 : Variation de diamètre des barres sablées au cours du vieillissement direct par

immersion dans la solution alcaline ... 169 Tableau 5.7 : Variation de diamètre des barres non-sablées au cours du vieillissement direct par

Tableau 5.8 : Températures de transition vitreuse de la matrice vinylester, mesurées par DSC sur des prélèvements de barres de référence ou vieillies dans les différentes conditions de vieillissement accéléré : Tg(1) correspond à la Tg au premier passage et Tg(2) au second passage ... 170 Tableau 5.9 : Modules élastiques et résistances en traction de barres PRFV de référence, ou ayant

subi différentes périodes d’immersion directe en solution alcaline ... 173 Tableau 5.10 : Valeurs de résistances au cisaillement inter-laminaire des barres en PRFV de

référence ou vieillies dans les différentes conditions de vieillissement accéléré. . 181 Tableau 5.11 : Résistance en compression du béton ... 184 Tableau 5.12 : Résistance à l’arrachement ... 187

I

NTRODUCTION GENERALE

a corrosion des armatures en acier constitue la principale cause de dégradation des ouvrages en béton armé. Pour remédier à ces désordres structurels, il est généralement nécessaire d’effectuer des interventions de maintenance / réparation, dont le coût ne cesse d’augmenter dans le contexte actuel de vieillissement du patrimoine bâti français. A titre d’illustration, les données publiées par le Sétra en 2012 dans le fascicule « Image Qualité des Ouvrages d’Art » [IQOA 12], qui concernent les 12000 ponts du réseau routier national non concédé, permettent de dresser un constat alarmant de la situation. Il ressort en effet que 23 % des ponts nécessitent un entretien spécialisé urgent, 5 % nécessitent des travaux de réparation liée à une altération de la structure, et environ 1 % présente une déficience structurelle grave nécessitant des travaux de réparation urgents.

Afin de prévenir cette problématique de corrosion sur les ouvrages en construction, une solution apparue dans les années 1980 consiste à remplacer les armatures en acier par des armatures en matériaux composites insensibles à la corrosion [ACI 96, BANK 06]. Ces armatures sont des barres de Polymères Renforcés de Fibres (PRF), dont les plus courantes sont fabriquées à base de fibres de verre, de carbone ou d’aramide. Il existe aujourd’hui plusieurs textes réglementaires, notamment aux USA [ACI 04, ACI 06, ACI 08], au Canada [CSA 06, CSA 10, CSA 12] et au Japon [JSCE 97], qui définissent les principes de dimensionnement et les règles de mise en œuvre de ces armatures en PRF. Ces textes ont ainsi permis de réaliser en Amérique du Nord et au Japon de nombreux ouvrages en béton armé par barres en PRF [BAK 02], principalement dans des zones géographiques soumises à des environnements très sévères (hivers rudes avec des problématiques de gel/dégel et un usage intensif des sels de déverglaçage, régions côtières fortement sujettes aux embruns, etc…), où la résistance à la corrosion devient un argument décisif dans le choix de la solution constructive. En Europe, un guide de construction a été édité par le Conseil National de la Recherche Italien [CNR 07] et un chapitre spécifique des Eurocodes est en cours d’élaboration par le Centre Commun de Recherche de la Commission Européenne, en relation avec le code italien existant. L’introduction de ce type de matériau alternatif à l’acier dans les secteurs du génie civil et du bâtiment revêt un enjeu sociétal majeur, puisqu’il pourrait potentiellement permettre d’accroitre la longévité des structures, mais surtout de diminuer drastiquement les dépenses d’entretien pour les constructions nouvelles.

Cependant, si l’utilisation de ces armatures en PRF semble prometteuse, elle suscite encore des réserves de la part des maîtres d’ouvrages. Outre leur prix nettement supérieur à celui des aciers, ces matériaux possèdent un comportement mécanique de type élastique fragile, et leur adhérence avec le béton varie fortement en fonction de la géométrie des barres (fibres parallèles ou tressées) ou de leur traitement de surface (revêtement à base de sable, relief de surface). Leurs performances sont également sensibles à la chaleur et aux cycles thermiques, car les PRF présentent des coefficients de dilatation thermique différents de celui du béton ainsi qu’une chute importante de propriétés mécaniques pour les températures supérieures à la température de transition vitreuse de la matrice polymère. Enfin, on ne connait pas suffisamment le comportement à long terme des structures renforcées par PRF. En effet, une importante source de questionnement vient du fait que les PRF les plus utilisés (car les moins onéreux) sont constitués de fibres de verre et de matrice vinylester, qui sont des matériaux susceptibles de se dégrader dans des milieux alcalins comme le béton.

De nombreuses études de durabilité ont été menées en vue d’évaluer le comportement à long terme de ce type de matériaux [BEN 02, MIC 04, ALM 06, CHEN 07, DAV 08, ROB 09, ROB 10, DAV 11]. Le principe de ces études consiste le plus souvent à accélérer le vieillissement en augmentant la température (loi d’Arrhenius) et à immerger le matériau directement dans une

solution alcaline représentative du milieu béton. Cependant, ces essais accélérés peuvent conduire à surestimer les dégradations et contribuer ainsi à alarmer les maîtres d’œuvre et ingénieurs intéressés par ces nouveaux matériaux, alors qu’à contrario, les inspections sur ouvrages réels de référence ne signalent pas de dégradation significative des armatures en PRF après plusieurs années de service [ISIS 06c, MUF 07]. De manière générale, des recherches complémentaires sont donc nécessaires pour développer des méthodologies d’essais mieux adaptées et des procédures de vieillissement accélérées plus représentatives des conditions de service réelles.

En France, l’utilisation des armatures PRF reste très largement cantonnée au domaine du renforcement par technique NSM (Near Surface Mounted), qui consiste à sceller des joncs composites dans des engravures réalisées à la surface de la structure en béton [KRE 12]. Les applications en renforcement interne de structures restent marginales, et il n’existe pas de filière structurée de production et de certification des barres en PRF. Il faut souligner que l’utilisation de ces barres n’est pas motivée ici par la sévérité du climat, comme c’est le cas au Canada notamment.

En ce qui concerne la recherche, seuls quelques travaux exploratoires ont été menés en France [COT 99, SAY 11] et il n’y a pas à l’heure actuelle de laboratoire disposant d’un ensemble complet de méthodologies d’essais permettant de caractériser le comportement mécanique des barres, celui des interfaces barres/béton ou des structures renforcées par PRF, ou encore la durabilité de ces matériaux, tout en disposant également d’outils de modélisation. L’objectif de ce travail de thèse est donc de mettre en place ces différentes méthodologies et d’initier un effort de recherche en vue de mieux appréhender le comportement mécanique et la durabilité des structures renforcées par PRF, afin de livrer un avis pertinent concernant ce type d’application en France.

Le premier chapitre de ce manuscrit est consacré à une revue bibliographique sur les armatures en PRF et leur utilisation comme renforts internes de structures en béton. Une première partie présente les différents types d’armatures en PRF disponibles sur le marché, ainsi que leurs matériaux constitutifs (fibres et matrices thermodurcissable) et leurs procédés de fabrication. Les principaux guides de dimensionnement et normes existants sont ensuite brièvement décrits, et quelques exemples d’ouvrages renforcés par armatures PRF sont présentés. Par la suite, un état de l’art est dressé sur les propriétés physiques et mécaniques de ces armatures, leur durabilité dans un environnement de génie civil, et le comportement de l’interface armature/béton. Une attention particulière est portée aux principaux modèles de la littérature permettant de décrire le comportement mécanique de l’interface entre les barres PRF et le béton, et aux études de durabilité basées sur des essais de vieillissement accéléré.

Le second chapitre est consacré à la caractérisation des principales propriétés physiques et mécaniques d’une sélection d’armatures en PRF du commerce, à base de fibres de verre, de carbone ou d’aramide. Des observations par microscopie électronique à balayage (MEB) sont réalisées afin de mieux appréhender la microstructure de chaque type d’armature. Des prélèvements d’armatures sont analysés par calorimétrie différentielle à balayage (DSC), afin d’évaluer la température de transition vitreuse (Tg) des matrices polymère, et d’estimer la qualité de réticulation de ces dernières. Enfin, les propriétés mécaniques des armatures (module d’élasticité et résistance) sont déterminées par des essais de traction, et la résistance au cisaillement inter-laminaire (indicateur de la qualité de l’interface fibre/matrice) est évaluée par des essais de flexion trois points à appuis rapprochés (essai Short-beam). Le montage de l’essai

Short-beam a été conçu, dessiné et réalisé à l’occasion du présent travail de thèse au sein de l’Ifsttar.

Le troisième chapitre est dédié à l’étude du comportement mécanique de l’interface entre les armatures en PRF étudiées précédemment et le béton. Pour chaque type d’armatures, nous considérons des barres sablées et non sablées. L’adhérence entre ces différentes armatures est

d’épreuve constitués d’armatures partiellement scellées dans des blocs cylindriques de béton. Le dispositif d’essai d’arrachement a également été conçu et réalisé dans les locaux de l’Ifsttar pour cette occasion. Ces investigations visent ainsi à évaluer l’influence de différents paramètres caractéristiques des PRF sur le comportement mécanique de l’interface armature/béton : propriétés des matériaux constitutifs des PRF (nature des fibres), caractéristiques de surface (géométrie, rugosité), ou encore diamètre des barres. Une grande originalité de ce travail est liée à l’instrumentation d’une partie des corps d’épreuve par des capteurs de déformation à fibres optiques placés au niveau de l’interface armature PRF/béton. Ce dispositif de mesures réparties, qui est utilisé à notre connaissance pour la première fois dans le cas d’armatures en PRF, permet d’accéder à d’importantes informations relatives au comportement d’interface comme le profil de contraintes le long du scellement ou la longueur d’ancrage effective des armatures. Cette dernière grandeur constitue un élément essentiel du dimensionnement de l’ancrage.

En complément de l’étude expérimentale, un travail de modélisation est proposé dans le quatrième chapitre en vue de simuler les essais d’arrachement et d’appréhender plus finement les mécanismes de transfert d’efforts mis en jeu entre l’armature et le béton lors de ces essais. Dans un premier temps, une loi analytique d’interface de type adhérence - glissement est développée. Les paramètres gouvernant cette loi sont alors identifiés à partir des données issues des essais d’arrachement, selon une procédure d’identification spécifique. Cette loi d’interface est par la suite intégrée dans un modèle numérique aux éléments finis (modèle d’endommagement de zones cohésives). A partir de l’outil numérique ainsi développé, les essais d’arrachement précédemment réalisés sont simulés, et les profils numériques de déformations à l’interface sont confrontés aux mesures fournies par les fibres optiques.

Enfin, le cinquième chapitre présente une campagne de vieillissement accéléré mise en œuvre sur des barres en PRF à fibres de Verre (PRFV). Les armatures sont vieillies pendant des durées allant jusqu’à 240 jours, dans une solution alcaline ou en milieu cimentaire immergé afin de simuler l’effet d’une exposition prolongée dans le milieu fortement alcalin que constitue le béton. Les bains sont thermostatés (à des températures de 20, 40, et 60 °C) afin d’accélérer la cinétique de vieillissement. Le but de cette étude est d’évaluer, à différents étapes de vieillissement, les évolutions des caractéristiques physiques et mécaniques des armatures et des interfaces armatures/béton, liées aux éventuelles dégradations survenues lors du vieillissement accéléré. Ces données nous permettront globalement de mieux appréhender la durabilité à long terme des structures renforcées par armatures PRFV.

C

HAPITRE

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1.1. Introduction

Longtemps utilisés dans des applications aéronautiques et aérospatiales, les matériaux composites ont fait leur apparition dans le domaine de la construction à partir des années 1980 [ACI 96, BANK 06]. L’introduction de ce type de matériau alternatif à l’acier dans les secteurs du génie civil et du bâtiment est principalement motivée par la problématique de corrosion des aciers de renforcement, qui entraine d’importantes dépenses d’entretien et de réparation sur le parc d’ouvrages existants. Ces armatures composites sont des barres de Polymères Renforcés de Fibres (PRF), dont les plus courantes sont fabriquées à base de fibres de verre, de basalte, de carbone ou d’aramide. De nombreux ouvrages ont déjà été construits avec ce type d’armatures, et plus de 10 millions de mètres linéaires d’armatures composites sont utilisés chaque année dans le monde dans le secteur de la construction, principalement en Amérique du Nord [FIB 07]. Ces armatures, résistantes à la corrosion offrent donc aux maîtres d’ouvrage la possibilité de réduire les opérations de maintenance, voire d’augmenter la durabilité des infrastructures, et donc de réaliser des économies substantielles sur l’ensemble du cycle de vie d’un ouvrage.

Ce chapitre a pour objet de présenter les différents types d’armatures en PRF existant sur le marché, en décrivant leurs constituants (fibres et matrices) et leurs spécificités, ainsi que les problématiques liées à leurs applications dans le cadre du renforcement structural. Il référence les principaux guides de dimensionnement et normes publiés, et décrit, à titre d’exemples, quelques ouvrages de références renforcés par armatures composites. Enfin, une revue bibliographique dresse un état de l’art sur les propriétés physiques et mécaniques de ces armatures, leur durabilité dans un environnement génie civil, et le comportement de l’interface armature/béton. Une attention particulière sera portée aux principaux modèles de la littérature permettant de décrire le comportement mécanique de l’interface entre les barres en PRF et le béton, et aux études de durabilité consacrées au vieillissement de cette interface sous sollicitation environnementale.

1.2. Différents types d’armatures composites

Le terme de matériau « composite » désigne de manière générale un matériau issu de l’assemblage de deux ou plusieurs constituants, non miscibles mais présentant une forte adhérence entre eux. Dans la suite du document, le terme armature composite désignera une barre constituée de fibres rigides enrobées par une matrice polymère, et pourra également être dénommé Polymère Renforcé de Fibres (PRF). La structure typique d’un PRF est illustrée sur la Figure 1.1. Par soucis de simplicité, cette figure représente un PRF dont les fibres sont toutes orientées dans une unique direction, mais dans la pratique, les fibres d’un PRF peuvent être orientées selon des directions multiples. Les fibres confèrent au composite ses performances mécaniques, notamment sa résistance et sa rigidité. La matrice polymère joue quant à elle un rôle de liaison, de protection et de transfert de charge entre les fibres. Les armatures en PRF présentent l’intérêt d’être plus légères et plus résistantes en traction que l’acier. Elles démontrent de bonnes performances vis-à-vis de la fatigue et du fluage, mais surtout, elles s’avèrent peu sensibles au phénomène de corrosion. Il existe de nombreuses variétés d’armatures en PRF constituées de différents types de fibres et de matrices, que nous proposons de décrire brièvement dans les paragraphes suivants.

Figure 1.1 : Représentation schématique de la structure des matériaux PRF [ISIS 06a]

1.2.1. Les fibres de renforcement

Les principales fibres utilisées pour la fabrication des armatures en PRF sont les fibres de verre, de carbone, d’aramide, ou encore de basalte. Avec des diamètres de l’ordre de la dizaine de μm, leur structure moléculaire est orientée dans le sens longitudinal et présente généralement moins de défauts microstructuraux que le matériau massif, ce qui leur confère de bonnes performances mécaniques. Au cours du process de fabrication, la fibre reçoit généralement un traitement de surface (dépôt d’ensimage, oxydation,…) afin d’améliorer les caractéristiques générales du renfort et d’optimiser la compatibilité et l’adhérence ultérieure avec la matrice polymère. Nous présentons par la suite les principales fibres permettant de fabriquer les armatures en PRF utilisées en génie civil ; leurs propriétés physiques et mécaniques sont également rapportées dans le Tableau 1.1.

1.2.1.1. Fibres de verre

Formées par un étirement rapide et continu de verre en fusion, les fibres de verre représentent l’écrasante majorité des fibres de renforcement utilisées sur le marché, en raison de leur excellent rapport performance/cout. Ainsi, près de 99 % des pièces composites de grande diffusion sont actuellement fabriquées à partir de fibres de verre. Il existe différents types de fibres avec des compositions verrières spécifiques qui permettent d’améliorer certaines propriétés particulières, comme les résistances mécanique, chimique ou diélectrique [GUI 95]. Citons notamment :

Les fibres de verre-E (à usage général, avec de bonnes propriétés électriques), qui sont des borosilicates d’alumine. Leur faible teneur en oxydes de métaux alcalins leur procure de bonnes propriétés d’isolation électrique. Elles représentent 96 % de la production et se retrouvent dans la majorité des applications industrielles en raison de leur coût modéré (environ 2 €/kg).

Les fibres de verre-S ou R (haute résistance mécanique) contiennent des teneurs élevées en silice et en alumine, mais ne comportent ni bore ni alcalins. Elles présentent des propriétés mécaniques supérieures à celles des fibres de verre-E, avec une résistance en traction et un module d’Young respectivement 30 % et 20 % plus élevés. Elles sont également plus coûteuses (environ 10 €/kg), ce qui restreint leur usage à des applications à hautes performances dans l’industrie de l’armement ou l’aéronautique.

Les fibres de verre-AR (Alkali-Résistantes) comportent des teneurs élevées en oxyde de zirconium (ZrO2) et en soude, qui leur confèrent une bonne résistance chimique en milieu alcalin. Elles peuvent être utilisées pour le renforcement du ciment mais restent

peu présentes dans les PRF en raison de leur moindre compatibilité avec les matrices polymères usuelles [FIB 07].

Les fibres de verre destinées à la fabrication de composites à matrice organique sont toujours recouvertes d’un ensimage plastique qui permet de faciliter la mise en œuvre et d’optimiser les propriétés finales du composite. Il s’agit d’une émulsion aqueuse contenant notamment des agents filmogènes collants (souvent un polymère du même type que la matrice envisagée de manière à faciliter l’imprégnation), des agents lubrifiants, et des agents de pontages (le plus souvent des organosilanes) qui assurent la liaison chimique entre le verre et la matrice et améliorent la tenue au vieillissement hydrolytique [GUI 95].

De manière générale, les propriétés physiques et mécaniques du verre sont considérées comme étant isotropes. Les fibres de verre, possèdent également une haute résistance thermique et d'excellentes propriétés d'isolation électrique. Leur principal point faible réside dans leur sensibilité à l’humidité et aux alcalins (pour les fibres autres que AR).

1.2.1.2. Fibres de carbone

Les fibres de carbone sont majoritairement produites par pyrolyse (décomposition thermique à haute température) d’un précurseur organique, le polyacrylonitrile (PAN). Après un premier traitement d’oxydation du PAN vers 400 °C, la fibre subit ensuite un traitement de carbonisation entre 1000 et 1500 °C sous atmosphère inerte, et éventuellement un traitement complémentaire de graphitisation entre 2500 et 3000 °C. Ainsi, la carbonisation conduit à l’obtention de fibres Haute Résistance (HR) tandis que la graphitisation permet de produire des fibres Haut Module (HM) ayant une structure plus compacte et ordonnée, proche de celle du graphite (pureté en carbone de l’ordre de 99 %) [LUY 94].

Globalement, les fibres de carbone sont caractérisées par leur faible densité, une rigidité bien plus élevée que celle des fibres de verre, une résistance élevée à la traction, une bonne tenue en température (à plus de 2500 °C en milieu inerte), une bonne conductivité électrique et thermique, un faible coefficient de dilatation thermique, et une inertie chimique notamment vis-à-vis de l’humidité et des bases (en milieu non oxydant). Les principales propriétés physiques et mécaniques des fibres HR et HM sont répertoriées dans le Tableau 1.1. En raison de leur orientation et de la structure carbonée sous forme de feuillets [LUY 94], ces fibres présentent une forte anisotropie, avec des propriétés très différentes dans les directions longitudinales et transverses.

La surface des fibres de carbone étant chimiquement peu réactive, elles présentent naturellement une faible compatibilité avec les résines thermodurcissables usuelles. La plupart des fabricants réalisent donc un traitement de surface par oxydation électrolytique qui permet de créer des sites fonctionnels polaires de surface (groupe hydroxyles OH, carbonyles CO ou carboxyles COOH), et déposent également des ensimages dont les constituants sont compatibles avec les résines d’imprégnation. Ces traitements vont favoriser l’adhérence fibre/matrice et jouer un rôle important sur la résistance au cisaillement inter-laminaire des composites [LUY 94].

Ces fibres très performantes sont également plus coûteuses que les fibres de verre, avec un prix moyen qui est actuellement de l’ordre de 15-20 €/kg pour les grades commerciaux non aéronautiques [CIN 02, SHA 14].