Description et constituants des matériaux composites
Un matériau composite signifie que deux ou plusieurs matériaux sont combinés à l’échelle macroscopique pour former un troisième matériau.
Dans le domaine du génie civil, les matériaux composites unidirectionnels sont les plu utilisés. En fait, on appelle de façon courante matériau composite unidirectionnel des arrangements parallèles des fibres continues ou non d’un matériau résistant appelé « le renfort » qui est noyé dans une matrice « résine » dont la résistance est beaucoup plus faible.
Avantages : L’utilisation des matériaux composites apporte de nombreux avantages en terme de propriétés des matériaux. En effet, le but de leur fabrication est de profiter des bonnes propriétés de chaque constituant afin d’en former un qui sera mieux adapté à certaines applications . Voici un bref résumé des avantages et des inconvénients reliés à l’utilisation des composites comme matériaux de construction :
Rapport résistance- poids très élevé. Très grande rigidité. Résistance a la fatigue acceptable. Résistance à la corrosion. Facilité de mise en place. Possibilité d’optimisation (choix de renforcement, direction). Multifonctionnalité (résistance mécanique, résistance à l’eau et a la corrosion, etc.).
Inconvénients: Coût relativement élevé du produit de base jusqu’à 10 fois le coût de l’acier pour une masse identique. Connaissances limitées sur leurs propriétés à long terme, notamment en ce qui concerne : l’adhérence à l’interface béton- composite. Manque de ductilité. Absence de normes de design.
On note également que ces dernières années le coût ne devient plus un grand problème en raison de : le développement qu’a connu l’industrie des composites durant les trois dernières décennies et la crise qu’a traversée l’industrie aéronautique depuis le début des années 90, ce qui avait comme conséquence une baisse des prix des composites .
dans les applications traditionnelles, les matériaux ne représentent que 20% des coûts, alors que la main-d’œuvre en représente 80 %. Ainsi, si l’on considère le coût total des travaux, il peut être possible de faire des économies sur la main-d’œuvre, puisque les matériaux composites sont plus faciles a installer que l’acier. L’utilisation des matériaux composites peut donc devenir compétitive sur le marché.
Élaboration de fibre de carbone
Les meilleures fibres sont produites à partir de fibre organique de POLYACRYLONITRILE ou PAN . a partir des fibres acryliques : Les fibres de carbone sont élaborées à partir d’un polymère de base appelé précurseur se présentant lui-même sous forme de fibres acryliques élaborées à partir du poly acrylonitrile (PAN).
Pour produire le carbone avec le PAN nous procédons comme suit : on dissout le polymère dans un solvant, il s’écoule ensuite à travers une fibre pour donner une fibre coagulée, on procède à l’oxydation sous atmosphère d’azote à 300°, dans les fours à pyrolyses, on procède à la carbonisation et à la graphitisation. on favorise ainsi le départ des atomes d’hydrogène, d’azote et d’oxygène (température 1800°c toujours sous azote).
Après extraction de ces produits volatiles, il ne reste plus que les atomes de carbone. Il ne subsiste alors que la chaîne hexagonale des atomes de carbone. On obtient des filaments noirs et brillants de structure graphitique (97% à 98% de carbone).
Nous donnons dans ce qui suit quelques explications sur les procédés de production de carbone avec le PAN.
L’oxydation : Les fibres acryliques étant fusibles, la phase d’oxydation a pour but de supprimer artificiellement le point de fusion. Cette opération est effectuée en chauffant les fibres à environ 300°c en atmosphère d’oxygène. Il se produit alors une oxydation conduisant à une réticulation des chaînes moléculaires et à la création d’un réseau tridimensionnel .
La carbonisation : Le but de cette étape est de débarrasser la chaîne moléculaire en chauffant progressivement les fibres réticulées de 300°c à 1110°c environ. Alors il y a élimination de l’eau et de l’acide cyanhydrique. Seuls le carbone est conservé dans la chaîne.
Après cette phase les fibres donnent de bonnes caractéristiques mécaniques et sont alors dénommées fibre HR (haute résistance) ou fibre HT (haute ténacité) .
La graphitisation : Cette phase est utilisée lorsque l’on souhaite obtenir des fibres à module de Young élevé, en effectuant à la suite de la carbonisation une pyrolyse des fibres en atmosphère inerte jusqu’à 2600°c ou à des températures supérieures.
La graphitisation provoque une réorientation des réseaux hexagonaux de carbone suivant l’axe de la fibre ce qui aboutit à une augmentation du module d’Young et à une diminution de la contrainte à la rupture suivant le taux de graphitisation. On obtient des fibres HM (fibre a haut module) ou des fibres THM (à très haut module) .
Le traitement de surface : il consiste en un traitement de surface par oxydation ménagée en acide (nitrique ou sulfurique). Cette phase à pour objet d’accroître la rugosité des filaments ainsi que la nature des liaisons chimiques afin d’améliorer la liaison fibre – résine.
Les différents procédés de mise en œuvre
Toute mise en œuvre de matériaux composites sur une structure endommagée nécessite d’abord un ragréage de la surface à réparer. Celle-ci doit être plane et propre. Dans la plupart des cas, une injection de fissure et un traitement de surface par sablage sont réalisés.
Mise en œuvre par moulage au sac : Les tissus pré imprégnés sont obtenus en usine à partir de tissus secs (cas des tissus multidirectionnels) ou à partir de fils de carbone joints sous forme de nappe (cas des tissus unidirectionnels), sur lesquels est déposé un excès de résine. Le produit, avant utilisation, est conservé à froid, généralement à –18 °C, pour éviter la polymérisation de la résine, avant d’être ramené à la température ambiante pour être utilisable.
Le principal avantage de cette méthode est la quasi absence de bulles dans le renfort en composite après polymérisation.
Le principal problème d’un tel procédé réside dans la phase de la remontée à la température ambiante et dans les difficultés matérielles pour assurer de bonnes conditions de polymérisation sur chantier .
Mise en œuvre par enroulement filamentaire : La fibre est produite sous forme de fibres continues de très grande longueur. Elle est déposée et enroulée régulièrement autour d’un mandrin. La longueur de fibres continues peut varier de 600 m à 5 km (soit 0,8 g au mètre linéaire). Ce procédé de renforcement est naturellement limité aux colonnes ou aux pylônes. Le principal avantage de ce procédé est l’automatisation complète du système de pose. Son principal inconvénient est le fait qu’une pose manuelle est nécessaire pour renforcer les extrémités des piles et des colonnes et que cette méthode demande en outre du temps et des manipulations importantes pour installer le matériel .
Le collage de plaques composites : Les plaques composites sont obtenues à partir des fibres continues qui sont enduites par passage en continu dans un bain de résine. L’ensemble des mèches pré imprégnées passe ensuite dans une filière où l’excès de résine est éliminé, puis dans un four de polymérisation.
Les produits finis se présentent sous forme de bandes ou de joncs, plus ou moins rigides suivant les épaisseurs et les diamètres.
À partir de ces bandes pultrudées, la technique de renforcement est similaire à celle du plat collé métallique selon le procédé L’Hermite.
L’avantage de cette méthode est la facile extrapolation des résultats obtenus par le collage de tôles d’acier à ceux obtenus avec des produits pultrudés également collés, la technique du renforcement restant la même.
Cependant, l’inconvénient par l’utilisation de cette technique, comme celle du plat collé métallique, permet difficilement de maîtriser les épaisseurs de colle en raison de la rigidité des aciers et des composites. Les fibres de carbone permettent comme beaucoup de fibres longues de fabriquer des tissus .
Mise en œuvre par stratification directe de tissus sec : Les fibres de carbone permettent comme beaucoup de fibres longues de fabriquer des tissus de différentes formes et tailles. Ces tissus sont obtenus par assemblage des fibres orienté à 90o dans la chaîne et dans la trame de manière à créer une armure souple et déformable. Généralement les tissus sont des tissus bidirectionnels à sens de résistance privilégié dans la chaîne constitue de 70% de fibres dans le sens de la chaîne et de 30% de fibres dans le sens de trame .
Mécanismes de rupture des poutres renforcées
Les principaux modes de rupture susceptibles d’être observés dans les poutres en béton armé, et renforcées extérieurement par plaque de matériaux composites, sont les suivants :
écrasement du béton avant la plastification des aciers, plastification des aciers suivait par l’écrasement du béton (avant la rupture de CFRP), plastification d’acier suivait par la rupture d CFRP, délamination de l’enrobage du béton (le long de renforcement interne), décollement de CFRP à l’interface béton/CFRP. La rupture à l’effort tranchant se produit quant la capacité de la poutre à la flexion augmente par l’addition des CFRP . Lorsque la résistance à l’effort tranchant des poutres sans renforcement sont insuffisante . Le premier mode résulte lorsque les pourcentages d’armature et de composite sont élevés, le béton atteint sa résistance en compression avant la plastification des armatures. Par analogie au béton armé conventionnel, on qualifie ces poutres de surarmées.
Le deuxième et le troisième mode de rupture cités précédemment résultent de: Si la quantité de renforcement d’acier est assez faible pour permettre la plastification, les forces vont continuer à s’emmagasiner dans le composite et le béton. Il peut alors s’en suivre une rupture en tension du composite ou une rupture par compression du béton . Rupture en tension de la plaque de composite : Ce mode de rupture se produit lorsque le pourcentage d’armature passive et le pourcentage de composite sont tous deux faibles. La plastification des armatures est dans ces cas suivie d’une rupture de la plaque de composite en tension et ce, avant la rupture du béton en compression.
La capacité du béton n’est alors pas utilisée au maximum. Cette rupture est fragile et n’est pas suggérée en pratique .
Rupture classique suivi par compression du béton : Si le pourcentage d’acier est assez faible et la quantité de composite ajoutée en renfort assez grande pour utiliser toute la capacité en compression du béton, nous aurons la rupture du béton lorsque les déformations des fibres extrêmes en compression auront atteint leur limite.
Ce mode est semblable au mode de rupture habituel des poutres en béton armé . Le décollement des CFRP et l’enrobage du béton sont des modes de rupture indésirable car ils se produisent avant que l’élément renforcé atteint sa pleine capacité.
Renforcement du béton armé
Dimensionnement d’un renforcement par composite : Vu le développement récent de la technique de renforcement par composite, il n’existe pas actuellement des règles aussi précises et reconnues que celles concernant le dimensionnement des barres d’acier dans les poutres en béton armé. Des recommandations ont toutefois été formulées par des groupes de travail tel que on les trouve dans la fédération international de béton (fib bulletin), de l’association française de Génie civil (AFGC), à partir des résultats de la littérature. Le matériau composite peut être dimensionné soit pour que la structure supporte des niveaux d’effort plus grand (renforcement), soit pour qu’elle retrouve sa capacité portante ou ses propriétés mécaniques initiales (réparation).
La méthode de calcul simplifiée reprenant les hypothèses de la théorie des poutres est celle couramment proposée par l’ensemble des groupes de travail cherchant à utiliser des renforts composites. Ils reprennent les hypothèses usuellement faites en béton armé : l’hypothèse des sections droites, planes avant déformation, restant planes et identiques à elles-mêmes après déformation, le béton tendu est négligé, le non glissement de l’acier et du matériau composite par rapport au béton.
Renforcement vis-à-vis du moment de flexion : Les justifications à effectuer, vis-à-vis du moment de flexion, pour les éléments en béton renforcé par le composite, sont les suivantes : Calcul à l’ELS, Calcul à l’ELU.
Table des matières
Partie A : Recherche bibliographique
Introduction et problématique
Chapitre 1 : état de connaissance sur les matériaux composite
1-1.Introduction
1-2-Description et constituant des matériaux composites
1-2.1.Avantage
1-2.2. inconvénients
1-2.3.Les constituants.
1-2.3.1.Les matrice
Matrices époxy
Propriété mécanique de polymère époxy
1-2.3.2.Additifs et charges
1-2.3.3.les fibre de renfort
Fibre de carbone
Élaboration de fibre de carbone
1- à partir des fibres acrylique
2-à partir de brai
Avantage
inconvénient
Le tissage
1-3-Conception de système de renforcement par composite
1-4-Les différents procédés de mise en œuvre
1-4.1.Mise en œuvre par moulage au sac
1-4.2.Mise en œuvre par enroulement filamentaire
1-4.3.Le collage de plaques composites
1-4.4.Mise en œuvre par stratification directe de tissus sec
1- 5-Influence de l’environnement sur le comportement des composite
1-5.1tempurature
1-5.2 humidités
1-5.3.Influence de l’ultraviolet
1-5.4.Fluage, corrosion sous contrainte
1-6-propriétés mécaniques des matériaux composites
Chapitre 2: revue et littérature sur le renforcement des poutres en béton armées
2-1.Repère historique
2-1.1.Rappelle historique sur la technique de renforcement
2-1.2.Constructeur et construction
2-2 .état de l’art
2-2.1.Comportement mécanique d’une section de poutre renforcée
2-2.2. Mécanisme de rupture des poutres renforcées
2-2.3.Méthode d’ancrage
2-2.4.Paramètre influençant la poutre renforcée par composite
2-2.4. 1-préparation de surface
2-2.4.2.influence du rapport de la distance entre la charge et l’appui par rapport à la hauteur de la section (av / h)
2-2.4.3.influence du taux de renforcement des armatures tendues
2-2.4.4.Influence de la longueur du tissu
2-2.45.influence de la quantité de tissu
2-3-Conclusion
Chapitre 3 : méthode de calcul de type réglementaire
3-1. Rappels sur le calcul du béton armé
3-1.1 Les états limites
3-1.2. Dimensionnement en flexion simple à l’ELS
3-1.2.1 Règles de calcul
3-1.3. Dimensionnement en flexion simple à l’ELU
3-1.4.Règle des trois pivots
3-1.5. Principe de calcul
3-1.6.Résistance 1à l’effort tranchant
3-1.6.1.Méthode EC2
3-1.6.2.Méthode de BAEL 91
3-1.6.3.Méthode de ACI
3-2-Renforcement du béton armé
3-2.1.Dimensionnement d’un renforcement par composite
3-2.2. Renforcement vis-à-vis du moment de flexion
3-2.2.1.Flexion à l’état limite de service (ELS)
Méthode de Freyssinet (2004)
Méthode de l’AFGC (2003)
Méthode de la FIB (2001)
3- 2.2.2.Flexion à l’état limite ultime (ELU)
a)Les designs supposant l’action parfaite de composite
Méthode de GTM construction
Méthode de l’AFGC
Méthode de la FIB
Conclusion
b) Perte d’action de composite
3-2.3.Renforcement à l’effort tranchant
3-2.3.1.Contribution du composite à la résistance à l’effort tranchant
3-2.3.2.Récapitulation et comparaison
3-3-Conclusion
Partie B : Etude expérimentale
Chapitre 4 : expérimentation utilisée
4-1-Introduction
4-2-Programme d’essais
4-3- Dimensionnement des spécimens
4-3.1. Dimensionnement des poutres à l’échelle 1
4-3.2. Dimensionnement des poutres à l’échelle 1/3
4-4-Matériaux utilisés
4-4.1.composite
4-4.1.1.Tissu
4-4.1.2 .Résine
4-4.1.3 .Composite (tissu+résine)
4-4.2 .aciers
4-4.3. bétons
4-4.3.1. Constituant du béton
4-4.3.2 Formulation du béton
4-4.3.2.1 Poutre à l’échelle 1
4-4.3.2.2 Poutre à l’échelle 1/3
4-5. Préparation des spécimens
4-5-1-Fabrication
4-5.2.prépartion des surfaces des poutres
4-5.3.mesure de la résistance à la compression
4-5.4.Pré fissuration
4-5.5 .Collage de TFC
4-6- Mode de renforcement
4-7- instrumentation d’essai
4-7.1. comparateur
4-7.2. Jauges
4-7.3. machine d’essai
4-8-Procédé des essais
Chapitre 5 : Présentation et discutions des résultats
5-1-Introduction
5-2- Comportement des poutres témoins
5-2.1. relation charge/flèche et force déformation
poutre P5
poutres P4, P6 et P7
5-2.2. fissurations et mode de rupture
poutre P5
poutres P4, P6 et P7
5-3-comportement des poutres renforcées
5-3.1. relation charge/flèche
Poutre P11
Poutre P1
Poutre P3
Comparaison entre P1 et P3
Poutres P2, P8 P9 et P10
5-3.2. relations force/déformation
5-3.3.mode de rupture
Poutre P11
Poutres P1 et P3
Poutres P2, P8, P9 et P10
Chapitre 6 : Analyse théorique et analytique
6-1. Introduction
6-2. Calcul de moment résistant ultime
6-3. Calcul de la résistance à l’effort tranchant
6- 3.1. Résistance apportée par le béton et les aciers
6- 3.2. Résistance apportée par le composite
6-3.3. Contribution Totale
6-3. 4. Comparaison entre théorie et expérience
6-4.Discussions
Conclusion générale et recommandations
Référence bibliographique
Annexe
