Constitution des fils multi-filamentaires à base de verre

Dans l’étude bibliographique nous essayons faire le tour des connaissances actuelles sur l’utilisation des fils multi-filamentaires à base de verre comme renfort dans les structures composites et, plus particulièrement, ceux à base de matériaux cimentaires. Pour cela, les données publiées sur la constitution et les propriétés des fils multi-filamentaires à base de verre ainsi que celles sur les principales propriétés des matrices cimentaires qui les enrobent sont analysées en premier lieu. En second lieu, les études dédiées au comportement mécanique des fils multifilamantaires à base de verre en tant que renfort structurel des composites sont développées profitant aussi de la riche expérience accumulée dans l’étude des composites à base de liants polymériques. Une attention particulière est donnée aux études menées sur les interactions entre les fils multi-filamentaires et la matrice qui les enrobe afin de mieux comprendre le fonctionnement micromécanique du composite. En troisième lieu, un tour d’horizon des approches de modélisation employées pour étudier le comportement micromécanique des fils multi-filamentaires dans les matériaux composites est mené.

L’étude bibliographique se termine par un bref aperçu des principaux aspects de durabilité des fils multi-filamentaires dans les matrices cimentaires. Depuis les temps préhistoriques l’homme a su filer les fibres naturelles extraites des différentes plantes ou recueillies sur les animaux et produire des fils retordus qui ont été utilisés aussi bien pour tisser que pour lier ou renforcer. Aujourd’hui, l’industrie fabrique une très grande variété de fils qui résultent d’un assemblage des filaments d’origine minérale, organique ou métallique et qui, en raison de leur constitution, présentent des propriétés mécaniques très significativement supérieures à celles des fils retordus traditionnels à base de fibres naturelles. Premièrement, les filaments constitutifs des fils industriels peuvent avoir une longueur aussi grande que souhaitée à la différence fibres naturelles qui, selon leur origine, ont une longueur limitée à quelques centimètres ou quelques dizaines de centimètres. Deuxièmement, en raison des matériaux très résistants utilisés dans la fabrication, les filaments industriels présentent une tenue mécanique sans commune mesure avec les fibres naturelles tout en garantissant une souplesse comparable à celle de ces dernières permettant de couvrir tout le champ d’applications des fils naturels.

De par ces propriétés mécaniques spécifiques, les fils multi-filamentaires industriels ont permis de fabriquer des matériaux composites à propriétés mécaniques particulièrement élevées. Les fils multi-filamentaires à base de verre font partie de la catégorie de fils les plus performants. Dans l’industrie automobile, navale et aéronautique ils ont été utilisés comme renfort structurel de pièces composites qui sont progressivement venues remplacer avantageusement des nombreuses pièces métalliques. Les filaments de verre présentent, en effet, une résistance à la traction plus de six fois supérieure à celle de l’acier de nuance courante et un module d’élasticité trois fois inférieur (tableau 1.1) conférant ainsi une excellente résistance associée à une grande souplesse aux pièces confectionnées. Par ailleurs, l’utilisation des fils multi-filamentaires à base de verre dans les composites est concurrentielle à celle des fils multi-filamentaires à base de carbone ou d’aramide dont les performances mécaniques sont supérieures à celles des fils à base de verre.

La principale raison de leur succès est que la production industrielle des filaments de verre est beaucoup plus facile que Il serait injuste de présenter les principaux avantages des fils multi-filamentaires à base de verre sans évoquer aussi brièvement leurs principaux inconvénients. Il s’agit en premier lieu de la fragilité de filaments de verre de taille micronique face aux frictions exercées dans le fil lors du filage, du bobinage ou lors de la mise en œuvre dans les composites. Pour atténuer ces frictions et garantir l’intégrité des filaments, les fabricants les enrobent systématiquement d’un ensimage qui les lubrifie et les protège et, en plus, donne une certaine cohésion au lot de filaments traités appelé mèche. En raison de la présence de l’ensimage et des mèches, les fils multi-filamentaires à base de verre présentent une complexité structurelle et une certaine variabilité des caractéristiques géométriques et physiques en fonction de la longueur qui doivent être prises en compte dans l’analyse du comportement mécanique. Il s’agit en second lieu de la faible durabilité du verre courant (type E) en milieu alcalin tel que le milieu cimentaire. Pour palier à ce défaut, l’industrie du verre a mis au point un verre résistant en milieu alcalin (type AR) mais son coût est plus élevé.