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RENFORCEMENT DU BETON PAR LES MATERIAUX … · RENFORCEMENT DU BETON PAR LES MATERIAUX ... Formulation du béton ««««««««««««««««« «« 81 ... comparaison des matrices

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Text of RENFORCEMENT DU BETON PAR LES MATERIAUX … · RENFORCEMENT DU BETON PAR LES MATERIAUX ......

  • Rpublique algrienne dmocratique et populaire Ministre de lenseignement suprieur et de la recherche scientifique

    Universit de Tbessa

    Facult des sciences et de la technologie

    Dpartement de gnie civil

    Candidat : Ould El Hacen Zein El Abidine

    Mmoire de Master Acadmique Option : Gnie civil / structures

    Prsent et soutenu publiquement le 24-05-2016 devant le Jury, compos de :

    Prsident :

    Rapporteur :

    Examinateurs :

    Anne : 2015/2016

    RENFORCEMENT DU BETON

    PAR LES MATERIAUX

    COMPOSITES

  • i

    Rsum :

    Lobjectif de ce mmoire est dtudier linfluence du renforcement par matriaux composites

    sur la rsistance des lments structuraux du bton. Pour cela une campagne exprimentale a

    t mene, elle est divise en deux types dessais : flexion 4 points et compression. Le premier

    groupe comprend douze poutres en bton testes en flexion 4 points et renforces dans la zone

    tendue par des plaques stratifies en fibres de verre sous forme de tissu bidirectionnel imprgn

    dune rsine polyester non sature. Ce renforcement a contribu laugmentation de la

    rsistance allant de 19% pour une seule couche de composites jusqu 41% pour trois couches

    de renfort. Le deuxime groupe se constitue dun nombre de cylindres normaliss 16/32 avec

    et sans confinement en composites. Les essais de compression uni axiale ont montr un gain de

    rsistance de 4% suite au confinement des cylindres par un seul pli de composite.

    Afin de mieux examiner linfluence du renforcement en composites sur les caractristiques

    mcaniques des structures en bton, un modle numrique de type lments finis a t

    dvelopp. Le modle a t excut dans le code de calcul ABAQUS en gardant les mmes

    paramtres des prouvettes caractrises au laboratoire en termes de forme, dimensions et type

    de chargement. Les lois de comportement obtenues par le modle ont confirm laugmentation

    de la rsistance autant pour la flexion que pour la compression. Cependant, les rsultats

    numriques sont amplifis vis--vis ceux exprimentaux. Cette amplification peut tre

    explique par labsence de loi de comportement caractrisant les matriaux tests et par les

    hypothses dinteractions introduites dans le modle.

  • ii

    Abstract

    The objective of this thesis is to study the influence of the reinforcement with composite

    materials on the resistance of the structural elements of the concrete. To perform that, an

    experiment was carried out, the work was divided into two main categories: four points bending

    and compression. The first group includes twelve concrete beams tested in four points bending

    and reinforced in the tension zone by plates laminated of glass fibers impregnated of a resin

    unsaturated polyester. This reinforcement contributed to the increase in the resistance starting

    from 19% per only one layer of composites up to 41% per three layers. The second group is

    constituted of five standardized cylinders 16/32 with and without composites confinement. The

    tests of axial compression plain showed a resistance profit of around 4% following the

    confinement of the cylinders by only one layer of composite.

    In order to better examine the influence of the reinforcement in composites on the mechanical

    characteristics of the concrete structures, a digital model of finite elements type was developed.

    The model was carried out in ABAQUS by keeping the same parameters of the test-tubes

    implemented at the laboratory in terms of form, dimensions and type of loading. The laws of

    behavior obtained by the model confirmed the increase in resistance for bending and for

    compression. However, the numerical results were amplified comparing to the experimental

    ones. This amplification can be explained by the absence of law of behavior characterizing the

    tested materials and by the assumptions of interactions introduced into the model.

  • iii

    Remerciement :

    En premier lieu, je tiens adresser mes vifs et sincres remerciements mon

    directeur de recherche, Monsieur Harekati El Hadi, Professeur lUniversit

    Tbessa, pour ses conseils pertinents tout au long de cette tude.

    Je remercie vivement Monsieur B. Hamza pour les conseils et les encouragements

    et en particulier pour les recommandations exprimentales qui mont t dune

    aide apprciable.

    Je voudrais exprimer mes remerciements Monsieur Bouziane directeur des

    laboratoires luniversit de Tbessa pour la collaboration et les conseils tout

    au long des travaux au laboratoire, et tous les membres du laboratoire.

    Au cours de cette recherche, nombreuses ont t les personnes qui ont contribu

    ce travail, quils trouvent ici toute ma sympathie.

    Je tiens exprimer tout au fond de mon cur mes reconnaissances ma famille

    qui moffre toujours un appui sr par son soutien et son encouragement.

  • iv

    Table des matires :

    Rsum i

    Abstract ii

    Remerciement iii

    Table des matires vi

    Liste des figures ix

    Liste des tableaux xi

    Liste des symboles xii

    1.INTRODUCTION 1

    1.1.Organisation du mmoire... 2

    2. DEGRADATIONS DU BETON ET METHODES DE

    DIAGNOSTIC

    3

    2.1. LES DEGRADATIONS DES OUVRAGES EN BETON ARME.. 3

    2.1.1. Introduction. 3

    2.1.2. Les types de dgradations. 3

    2.2. METHODES DE DIAGNOSTIC. 9

    2.2.1. Introduction...... 9

  • v

    2.2.2. Examen visuel ou morphologique 9

    2.2.3. Essais sur le bton.. 9

    3. METHODES DE RENFORCEMENT... 17

    3.1. INTRODUCTION 17

    3.2. ADJONCTION DARMATURES COMPLEMENTAIRES. 17

    3.3. BETON PROJETE. 18

    3.3.1. Projection par voie sche 18

    3.3.2. Projection par voie humide. 19

    3.4. PRECONTRAINTE ADDITIONNELLE... 20

    3.5. TOLES DACIER COLLEES...... 21

    3.6. MATERIAUX COMPOSITES. 22

    3.6.1. Introduction. 22

    3.6.2. Renforcement des lments structuraux 24

    3.7. AVANTAGES DES MATERIAUX COMPOSITES 26

    4. MATERIAUX COMPOSITES.. 28

    4.1. INTRODUCTION... 28

  • vi

    4.1.1. Caractristiques gnrales.. 29

    4.2. LES MATRICES.... 30

    4.2.1. Introduction. 30

    4.2.2. Les rsines.. 31

    4.2.3. Charges et additifs.... 34

    4.3. LES FIBRES...... 37

    4.3.1. Fibres de carbone.. 39

    4.3.2. Fibres de verre.. 41

    4.3.3. Fibres daramide....... 43

    4.3.4. Caractristiques des fibres.. 44

    4.3.5. Architecture des fibres....... 44

    5. COMPORTEMENT DU BETON RENFORCE PAR PRF.. 48

    5.1. COMPORTEMENT EN FLEXION DES POUTRES RENFORCEES PAR PRF 48

    5.1.1. Introduction. 48

    5.1.2. Comportement des matriaux.. 48

    5.1.3. Analyse dune section flchie en bton arm renforce... 60

  • vii

    5.1.4. Modes de rupture.. 66

    5.2. COMPORTEMENT DES POTEAUX CONFINES PAR PRF..... 67

    5.2.1. Introduction........ 67

    5.2.2. Mthodes de confinement...... 68

    5.2.3. Comportement mcanique.. 71

    6. PROGRAMME EXPERIMENTAL..... 78

    6.1. INTRODUCTION... 78

    6.2. PROGRAMME DES ESSAIS....... 78

    6.3. MATERIAUX UTILISES.... 79

    6.3.1. Matriaux composites 79

    6.3.2. Formulation du bton.... 81

    6.4. FABRICATION DES EPROUVETTES......... 82

    6.5. INSTRUMENTATION DES ESSAIS 83

    6.6. PROCEDES DES ESSAIS 84

    6.7. RESULTATS ET DISCUSSION... 85

    7. MODELISATION NUMERIQUE 90

  • viii

    7.1INTRODUCTION. 90

    7.2. PROPRIETES DES MATERIAUX 90

    7.3. CYLINDRE EN BETON CONFINE AVEC PRF. 92

    7.3.1. Gomtrie des lments......... 92

    7.3.2. Maillage.. 92

    7.3.3. Conditions aux limites... 93

    7.3.4. Rsultats et discussion... 94

    7.4. POUTRES EN BETON RENFORCES DE PRF... 95

    7.4.1. Gomtrie des lments 95

    7.4.2. Maillage 95

    7.4.3. Conditions aux limites.. 96

    7.4.4. Rsultats et discussion.. 96

    CONCLUSION GENERALE 99

    Rfrences 101

  • ix

    Liste des figures

    Figure 2.1 : Structures atteintes par la carbonatation 4

    Figure 2.2 : Structure atteinte par lattaque des chlorures 4

    Figure 2.3 : Mcanisme de lattaque des sulfates. 5

    Figure 2.3 : Mcanisme de lattaque des sulfates. 5

    Figure 2.5 : Influence de la corrosion des armatures 6

    Figure 2.6 : tassement diffrentiel. 7

    Figure 2.7 : dsordres dus au sisme. 8

    Figure 2.8 : Sclromtre 10

    Figure 2.9 : principe de lauscultation dynamique 11

    Figure 2.10 : Sonde de Windsor 11

    Figure 2.11 : Pachomtre.. 12

    Figure 2.12 : Corrosimtre 13

    Figure 2.13 : Fissuromtre 14

    Figure 2.14 : Extensomtre... 14

    Figure 2.15 : Carottage. 15

    Figure 3.1 : Adjonction darmatures supplmentaires. 17

    Figure 3.2 : bton projet par voie sche.. 18

    Figure 3.3 : bton projet par voie humide... 19

    Figure 3.4 : prcontrainte additionnelle 20

    Figure 3.5 : plaques dacier colles... 21

    Figure 3.6 : poteau circulaire en BA confin par matriaux composites.. 23

    Figure 3.7 : poutres en BA renforces par matriaux composites. 24

    Figure 3.8 : tablier de pont en BA renforc par matriaux composites. 24

    Figure 4.1 : composants dun matriau composite 28

    Figure 4.2 : Diffrents types de matrices.. 30

    Figure 4.3 : diffrents types de fibres 38

    Figure 4.4 : tissu en fibres de carbone.. 44

    Figure 4.5 : mat en fibres de verre 45

    Figure 4.6 : structure dun stratifi 45

    Figure 5.1 : poutre en bton arm renforce par une plaque de PRF 48

    Figure 5.2 : Courbe caractristique charge - flche dune poutre en bton arm soumise la

    flexion. 49 Figure 5.3 : homognisation dune section en bton arm.. 50

    Figure 5.4: Rpartition des contraintes et des dformations dans une section fissure 51

    Figure 5.5 : : Diagrammes rel et idalis des contraintes des contraintes de compression la

    rupture.... 52 Figure 5.6 : Diagramme des contraintes et des dformations.. 52

    Figure 5.7 : : Diagramme des contraintes et des dformations 54

    Figure 5.8 : Diagramme des dformations et des contrainte dune section quelconque.. 55

  • x

    Figure 5.9 : Diagramme contrainte dformation du composite dans les deux considrations

    lastique et plastique de la matrice 57

    Figure 5.10 : paramtres spcifique des lamins.. 58

    Figure 5.11 : distribution des contraintes dans un lamin 59

    Figure 5.12 : diagramme contraintes-dformations dune section en bton arm renforce par

    PRF 62 Figure 5.13 : dimensions de la section et distribution des dformations. 63

    Figure 5.14 : courbe contraintes-dformations dun bton confin et non confin. 68

    Figure 5.15 : confinement des poteaux par stratification directe. 69

    Figure 5.16 : confinement des poteaux par enroulement filamentaire. 69

    Figure 5.17 : coquille PRF prfabrique.. 70

    Figure 5.18 : Action du confinement dun composite PRF.. 71

    Figure 5.19 : Courbes contrainte-dformation (Benzaid 2010) ... 73

    Figure 5.20 : Rupture du composite dans un essai de compression simple sur des prouvettes

    cylindriques en bton confin avec des PRFC et des PRFV (Berthet et al. 2005) .. 74

    Figure 5.21 : Courbes contrainte-dformation types des prouvettes de section circulaire en bton

    confines avec des PRF (Teng et al. 2002) .. 74 Figure 6.1 : tissu de fibres de verre.. 79

    Figure 6.2 : plaques de fibres de verre dcoupes 80

    Figure 6.3 : machine utilise pour la flexion 4 points.. 83

    Figure 6.4 : machine utilise pour lessai de compression... 84

    Figure 6.5 : diagrammes des efforts tranchants et des moments flchissant 84

    Figure 6.6 : moment flchissant et effort tranchant dans le cas dune flexion 4

    points. 84 Figure 6.7 : histogramme illustrant le gain de rsistance par confinement.. 86

    Figure 6.8 : mode de rupture des cylindres confins 86

    Figure 6.9 : histogramme illustrant le gain de rsistance en flexion en fonction du nombre de

    couches... 89 Figure 6.10 : mode de rupture des poutres flchies (dcollement du composite) 90

    Figure 7.1 : Gomtrie des lments cylindriques 94

    Figure 7.2 : Maillage du modle cylindrique 95

    Figure 7.3 : Conditions aux limites... 95

    Figure 7.4 : Rsultats du modle numrique de compression... 96

    Figure 7.5 : Gomtrie des lments prismatiques... 97

    Figure 7.6 : Maillage de la poutre renforce. 97

    Figure 7.7 : Assemblage et conditions aux limites... 98

    Figure 7.8 : Rsultats du modle numrique pour la flexion 99

  • xi

    Liste des tableaux

    Tableau 3.1 : comparaison entre composites et acier.. 22

    Tableau 4.1 : Exemples de matriaux composites... 28

    Tableau 4.2 : comparaison des matrices TD et TP.. 33

    Tableau 4.3 : caractristiques mcaniques des fibres de carbone 40

    Tableau 4.4 : caractristiques mcaniques des fibres de verre 42

    Tableau 4.5 : caractristiques mcaniques des fibres daramide. 43

    Tableau 4.6 : caractristiques mcaniques des diffrents types de fibres 43

    Tableau 4.7 : Performances compares des diffrents types darchitecture 46

    Tableau 6.1 : caractristiques du renfort.. 79

    Tableau 6.2 : caractristiques de la matrice. 80

    Tableau 6.3 : caractristiques du composite 80

    Tableau 6.4 : composition du bton. 81

    Tableau 6.5 : rsultats du tamisage pour le sable. 82

    Tableau 6.6 : rsultats du tamisage pour le gravier.. 82

    Tableau 6.7 : rsultats des essais de compression. 85

    Tableau 6.8 : effet du confinement par une couche de PRFV. 86

    Tableau 6.9 : rcapitulation des rsultats des essais de flexion... 87

    Tableau 6.10 : effet du renforcement des poutres par une, deux et trois couches de

    PRFV 89

    Tableau 7.1 : Caractristiques de la phase lastique du bton. 92

    Tableau 7.2 : Caractristiques de la phase plastique du bton. 93

    Tableau 7.3 : Caractristiques mcaniques de la matrice 93

    Tableau 7.4 : Caractristiques mcaniques du renfort. 93

  • xii

    Tableau 7.5 : Caractristiques mcaniques du composite 94

    Tableau 7.6 : Comparaison entre rsultats numriques et exprimentaux... 99

  • xiii

    Liste des symboles

    : moment selon laxe z

    : effort tranchant laxe y

    : laire de la partie comprime du bton

    : largeur de la section

    : hauteur de la section

    : coefficient dhomognisation

    : Aire de la section daciers tendus

    : moment dinertie de la section du bton

    : contrainte de compression

    : contrainte de traction

    : rigidit la flexion

    : dformation du bton comprim

    : dformation de lacier

    : la hauteur rduite du bton

    : hauteur utile de la section

    : Rsistance de calcul en flexion

    : rsistance ultime la compression du bton

    : rsistance la compression du bton eu jour j

    : un coefficient qui tient compte de la dure dapplication des charges.

    : coefficient de scurit du bton

    : contrainte dans les armatures

    : limite lastique de lacier

    : coefficient de scurit de lacier

  • xiv

    : module dYoung de lacier

    : moment ultime

    : effort normal de compression dans le bton

    : effort normal de compression dans s aciers

    : effort normal de traction dans les aciers

    : section des aciers comprims

    : section des aciers tendus

    : bras de levier

    : enrobage des aciers comprims

    : la fraction volumique des fibres

    : la fraction volumique de la matrice

    : volume des fibres

    : volume de la matrice

    : volume du composite

    : dformation des fibres

    : dformation de la matrice

    : dformation du composite

    : effort dans les fibres

    : contrainte dans les fibres

    : section des fibres

    : module de Young des fibres

    : effort dans la matrice

    : contrainte dans la matrice

    : section de la matrice

  • xv

    : module de Young de la matrice

    : effort dans le composite

    : contrainte dans le composite

    : module de Young du composite

    : coefficient de poisson longitudinal

    : coefficient de poisson transversal

    : module de Young transversal

    : module de Young longitudinal

    : contrainte normale dans le sens longitudinal

    : contrainte normale dans le sens transversal

    : contrainte tangentielle

    : constante de rigidit

    : dformation dans le sens longitudinal

    : dformation dans le sens transversal

    : dformation en cisaillement

    : contrainte dans le sens X

    : contrainte dans le sens Y

    : contrainte tangentielle

    [] : matrice de transformation

    ij : constante de rigidit rduite

    : coefficient dfinissant la distribution quivalente de la contrainte du bton en compression

    : rsistance caractristique du bton la compression

    : hauteur de laxe neutre

    : paisseur du composite

  • xvi

    0 : dformation initiale dans la fibre tendue

    : moment rsistant

    : pourcentage des aciers

    Pourcentage du composite

    : rsistance en compression du bton

    0 : rsistance en compression du bton confin

    : dformation du bton

    0 : dformation du bton confin

    : pression de confinement

    Contrainte de rupture la traction du composite

    : paisseur du composite

    1 : coefficient defficacit du composite

  • Introduction gnrale :

  • INTRODUCTION - 1 -

    1 Introduction :

    Lun des problmes majeurs dans le domaine de la construction est la dgradation des

    structures. La plupart des structures prsentent des signes de faiblesse et ne rpondent ou ne

    rpondront plus aux exigences pour lesquelles elles ont t conues. Les causes sont multiples,

    on peut citer : des erreurs lors de ltude ou de lexcution, un accroissement des charges, un

    changement de lexploitation de la structure, la corrosion des armatures, des actions

    accidentelles telles que les sismes ou les chocs

    Lapparition de ces problmes ne laisse que deux solutions : la reconstruction ou la rparation.

    Dans la plupart des cas les frais de la reconstruction sont beaucoup plus importants que la

    rparation ou le renforcement, ce qui fait que celles-ci seront plus appropries.

    Le renforcement des structures en gnie civil a pour but de rparer et de mettre en conformit

    des structures existantes, soit pour des raisons de pertes de proprits initiales, pour des raisons

    de remise niveau lies de nouveaux rglements ou de nouveaux usages, soit pour des raisons

    esthtiques.

    De nombreuses techniques ont t dveloppes pour le renforcement des structures en bton

    arm comme le chemisage des poteaux, lincorporation de profils mtalliques, laugmentation

    de la section du bton avec ou sans augmentation des armatures.

    Dans les annes prcdentes, la technique la plus utilise tait le collage de plaques mtalliques

    dans les parties les plus sollicites. Cette technique rsout le problme de dgradation des

    structures par augmentation de la capacit portante des lments structuraux mais elle prsente

    de srieux inconvnients dont la corrosion des armatures, la difficult de maniabilit et

    limpossibilit dancrer les plaques sur des surfaces irrgulires

    Rcemment, des travaux de recherche ont t mens pour remplacer ces plaques dacier par un

    matriau non corrosif, plus lger et de haute rsistance ; les polymres renforcs de fibres

    (FRP : fiber reinforced polymers) offrent une alternative prfrable.

    Lutilisation de plaques en matriaux composites augmente les performances des lments

    renforcs. Comparativement aux autres techniques de renforcements les PRF prsentent les

    avantages suivants : lgret, haute rsistance, facilit de mise en uvre, absence de corrosion,

  • INTRODUCTION - 2 -

    possibilit et facilit dlaboration de formes complexes avec un minimum doprations.

    Lingnieur adapte son matriau selon ses besoins par choix judicieux de matrices, fibres et

    dorientation de celles-ci.

    Ce travail de mmoire a pour objectif le renforcement des structures en bton par des plaques

    stratifies composites et ltude de sa contribution pour lamlioration des caractristiques

    mcaniques de celles-ci exprimentalement et numriquement.

    1.1 Organisation du mmoire :

    Le mmoire se divise en sept chapitres.

    Le premier chapitre prsente lintroduction et la problmatique qui a fait natre ce projet ainsi.

    Le second chapitre prsente une revue de la documentation concernant les principales

    dgradations du bton ainsi que la mthodologie du diagnostic.

    Le troisime chapitre dcrit sommairement les mthodes antrieures de renforcement des

    structures en bton arm dgrades et fait un survol sur lutilisation des matriaux composites

    pour le renforcement et la rparation des structures.

    Le quatrime chapitre parle des matriaux composites, les caractristiques de leurs diffrents

    composants ainsi que leurs procds dlaboration.

    Le cinquime chapitre sattarde laspect thorique du comportement des structures en bton

    arm renforces par matriaux composites en flexion et en compression en dveloppant les

    quations et les diagrammes relatifs au sujet.

    Le sixime chapitre prsente les investigations exprimentales ralises au sein du laboratoire

    de luniversit et illustre les rsultats obtenus.

    Finalement le dernier chapitre concerne une explication des modles numriques raliss via le

    code de calcul ABAQUS, une prsentation des rsultats et une comparaison avec ceux obtenus

    au laboratoire.

  • Chapitre 2 :

    Dgradations du bton et

    mthodologie du diagnostic :

  • Ould El Hacen Zein El Abidine Chapitre 2

    Les dgradations du bton et la mthodologie du diagnostic - 3 -

    2 Dgradations du bton et mthodes de diagnostic

    2.1 Les dgradations des ouvrages en bton arm

    2.1.1 Introduction

    Le bton arm est le matriau de base le plus utilis dans le gnie civil depuis plus dun

    sicle. Il peut se dgrader et perdre une part de ses proprits sous linfluence de causes

    multiples qui peuvent tre lies sa qualit originelle ou des sollicitations dexploitation

    ou denvironnement. Des pathologies apparentes ou caches peuvent survenir. Afin de

    connatre leur nature, leur tendue et leur potentialit dvolution, on tablit un diagnostic

    ncessaire pour la prise des dcisions relatives la maintenance de louvrage concern.

    2.1.2 Les types de dgradations

    2.1.2.1 Dgradations dorigine chimique

    Carbonatation

    La carbonatation est un phnomne de vieillissement naturel des matriaux. Elle conduit

    la formation du carbonate de calcium par raction chimique entre la portlandite et le gaz

    carbonique prsent dans lair. Le taux de prsence du gaz carbonique varie en fonction du

    milieu o se trouve louvrage.

    Cette raction contamine la basicit des bases alcalines prsentes dans la solution

    interstitielle du bton conduisant une diminution du Ph du bton de 13 une valeur

    avoisinant 8 voire moins.

    2 + () 3 + 20

    (2.1)

    Lorsque la profondeur de la carbonatation atteint les armatures, le film de carbonatation

    disparait et les armatures sont dpassives ainsi le diamtre des armatures diminue ce qui

    conduit une diminution de la rsistance. Cette carbonatation pourrait aussi conduire la

    rouille qui est une matire expansive qui peut causer lclatement du bton.

  • Ould El Hacen Zein El Abidine Chapitre 2

    Les dgradations du bton et la mthodologie du diagnostic - 4 -

    Figure 2.1 : Structures atteintes par la carbonatation.

    Attaque des chlorures

    Lattaque par les chlorures forme avec la carbonatation la cause principale de la corrosion

    des armatures.

    Les chlorures se rencontrent principalement dans leau de mer et leau de gchage.

    Cette corrosion est due un mcanisme similaire celui de la carbonatation par pntration

    des ions de chlore dans la matrice du bton.

    Figure 2.2 : Structure atteinte par lattaque des chlorures.

    Attaque des sulfates

    Les sulfates peuvent se rencontrer essentiellement dans les zones agricoles o on utilise les

    engrais et fertilisant du sel.

    Les sulfates peuvent aussi provenir des fumes et des rsidus dgags par les industries

    chimiques.

    En raction avec la pte de ciment, trois composs peuvent se former en fonction de la

    concentration en sulfates, du Ph et de la temprature : lettringite, le gypse et la thaumasite.

  • Ould El Hacen Zein El Abidine Chapitre 2

    Les dgradations du bton et la mthodologie du diagnostic - 5 -

    Figure 2.3 : Mcanisme de lattaque des sulfates

    Alcali-raction

    Une autre cause des dgradations chimiques est lalcali-raction. Ce phnomne peut se

    produire si les granulats sont ractifs.

    Lalcali-raction regroupe toutes les ractions qui peuvent se produire entre les granulats

    du bton et les alcalins de la pte du ciment hydrat.

    Les tudes ont montr que trois conditions doivent tre simultanment remplies pour

    que ces ractions aient lieu :

    Le granulat doit tre ractif.

    Un taux dhumidit relativement lev compris entre 80 et 85%.

    Une grande concentration en alcalins.

    Figure 2.4 : paufrures dues lalcali-raction

    La corrosion des armatures

    Certaines attaques chimiques conduisent la corrosion des armatures.

    On peut dfinir la corrosion comme la transformation des mtaux en compos divers

    sous l'action de phnomnes naturels.

    La dgradation cause par ce phnomne est facile dceler. Les symptmes en sont :

    une surface oxyde, pique, laissant apparatre en gnral des plaques et cailles d'oxydes

    facilement dtachables, d'aspect rouge brun, typique.

  • Ould El Hacen Zein El Abidine Chapitre 2

    Les dgradations du bton et la mthodologie du diagnostic - 6 -

    Dans le cas de l'acier, ce compos adhre mal au mtal d'o il est issu et se dtache

    facilement en cailles ; la surface de la section se trouve rduite.

    Figure 2.5 : Influence de la corrosion des armatures.

    La corrosion de l'acier provoque la rduction de la section de l'armature (partiellement,

    localement ou en totalit). De plus, la raction chimique de formation de la rouille (mlange

    d'oxydes et d'hydroxyde de fer) s'effectue avec une expansion (le volume de l'acier devient

    3 4 fois suprieur). Ce gonflement provoque dans le bton des contraintes d'expansion

    importantes, suprieures la rsistance la cohsion du bton. La manifestation visuelle

    qui en rsulte se prsente sous forme de fissures en surface qui s'amorcent partir de

    l'acier.

    Des fissures internes reliant les armatures peuvent aussi disloquer le bton. La dcohsion

    peut prsenter des pustules ou des plaques de bton. Les manifestations diffrent selon

    l'paisseur du bton, l'cartement et le diamtre des aciers. Il en rsulte que l'lment en

    bton arm ne fonctionne plus, au point de vue de la rsistance des matriaux, comme il

    avait t calcul primitivement.

    2.1.2.2 Dgradations dorigine mcanique

    Tassement diffrentiel

    Lorsqu'un sol tasse d'une faon ingale sous les diffrents points d'une fondation, on dit

    qu'il y a un tassement diffrentiel.

    Il se manifeste soit par un basculement soit par de graves dsordres dans les lments

    non structuraux et parfois dans la structure elle-mme si les efforts sont incompatibles

    avec la scurit des matriaux.

  • Ould El Hacen Zein El Abidine Chapitre 2

    Les dgradations du bton et la mthodologie du diagnostic - 7 -

    Les causes des tassements diffrentiels sont multiples, mais les plus frquemment

    rencontrs sont :

    Les sols compressibles.

    Les remblais rcents

    La non homognit du sous-sol de fondations

    L'emploi des fondations htrognes

    Les affouillements du sol sous les fondations

    La modification du volume de certains sols en fonction de la teneur en

    eau

    Figure 2.6 : tassement diffrentiel.

    Ondes de chocs

    Le bton est susceptible de s'paufrer quand il est soumis des ondes de choc. Ceci est

    d aux diffrentes vitesses de propagation des ondes dans les diffrents matriaux

    (les agrgats, le liant et les armatures).

    Dfauts de conception

    La plupart du temps, ce type derreurs rsulte dune insuffisance conscutive des

    oublis ou des impasses au niveau des tudes, parfois aussi d'un manque de

    coordination entre le bureau d'tudes et le chantier.

  • Ould El Hacen Zein El Abidine Chapitre 2

    Les dgradations du bton et la mthodologie du diagnostic - 8 -

    2.1.2.3 Dgradations dorigine physique

    Sisme

    Un sisme est une manifestation de la tectonique des plaques. Il se traduit en surface par

    une vibration du sol provenant dun dplacement brutal de la roche. En surface, un sisme

    peut dgrader ou dtruire des btiments, produire des dcalages de la surface du sol de part

    et dautre des failles. Il peut aussi provoquer des chutes de blocs, une liqufaction des sols

    meubles imbibs deau, des avalanches ou des raz de mare (tsunamis).

    Figure 2.7 : dsordres dus au sisme

    Gel dgel

    Dans les zones o le climat est trs froid, leau absorbe par le bton gle si elle est expose

    des tempratures infrieures zro degr Celsius, le bton augmente de volume et la

    pression rsultante pourra clater ou paufrer la surface du bton.

    Le retrait

    Le retrait est un phnomne physico-chimique qui existe de faon systmatique au sein

    du bton. Il correspond laction du dpart de leau excdentaire du bton vers

    lextrieur de llment de structure. Le symptme caractristique de laction du retrait

    sur un ouvrage est la fissuration qui peut tre soit oriente, soit multidirectionnelle.

  • Ould El Hacen Zein El Abidine Chapitre 2

    Les dgradations du bton et la mthodologie du diagnostic - 9 -

    2.2 Mthodes de diagnostic

    2.2.1 Introduction :

    Le diagnostic dun ouvrage permet avant tout de dterminer ltat de sant, les

    ventuelles pathologies prsentes ainsi que leur ampleur. Cependant le diagnostic peut

    avoir deux finalits. Soit il est men afin de dterminer exactement quels sont les

    dsordres prsents en vue de leur traitement, soit il est effectu afin de connaitre

    lvolution des dsordres dans le temps, que ce soit court, moyen ou long terme.

    Le droulement du diagnostic repose essentiellement sur lexamen visuel ou

    morphologique, des mesures sur site ou au laboratoire au moyen d'appareillages

    spcifiques. Cependant, un diagnostic reste une approximation plus ou moins prcise

    o il est rarement possible d'obtenir un recueil exhaustif des donnes.

    2.2.2 Examen visuel ou morphologique :

    Le contrle visuel est probablement le plus important de toutes les dmarches du

    diagnostic. Il peut souvent fournir des informations utiles l'il bien form. Des

    informations dtailles peuvent tre recueillies partir d'inspection visuelle pour donner

    une indication prliminaire de l'tat de la structure et de permettre la formulation d'un

    programme de tests ultrieurs.

    2.2.3 Essais sur le bton

    2.2.3.1 Essais non destructifs :

    Le sclromtre

    Cet essai est lun des plus vieux essais non destructifs et il est encore trs utilise de nos

    jours il t dveloppe par Ernst Schmidt EN (1948) et est connu sous le nom lessai au

    marteau Schmidt ou essai au sclromtre.

  • Ould El Hacen Zein El Abidine Chapitre 2

    Les dgradations du bton et la mthodologie du diagnostic - 10 -

    Figure 2.8 : Sclromtre

    Lessai au sclromtre consiste projeter une masse sur la surface du bton avec une

    nergie initiale constante. Suite au choc, une partie de lnergie est absorbe par le

    bton, lautre partie provoque le rebondissement de la masse. Lnergie dimpact est

    produite par un systme de ressorts dont lamplitude du mouvement de recul est

    fonction de :

    Lnergie de recul ;

    Caractristiques des systmes de ressorts,

    La mesure de la duret au choc permet dvaluer la rsistance dun bton de manire

    non destructive. Cette mthode est intressante en raison de sa simplicit ; elle permet

    de faire rapidement des contrles de rgularit des btons dun ouvrage.

    La mthode du sclromtre constitue une voie directe utilise pour la dtermination du

    degr dhomognit du bton et la duret de la surface de llment en bton. Bien que

    lessai au sclromtre soit utile, il ne constitue nullement une mesure fiable de la

    rsistance du bton compte tenu des paramtres influant la prcision de dtermination

    de cette rsistance.

    L'auscultation dynamique

    Connu sous le nom dessai aux ultrasons, cet essai permet de dterminer la vitesse de

    propagation dondes longitudinales (de compression) travers un lment en bton. Le

    principe de la mthode consiste mesurer le temps mis par une onde parcourir une

    distance donne.

  • Ould El Hacen Zein El Abidine Chapitre 2

    Les dgradations du bton et la mthodologie du diagnostic - 11 -

    Figure 2.9 : principe de lauscultation dynamique.

    La relation entre la vitesse de propagation des ondes ultrasonique et la rsistance la

    compression est affecte par un nombres de variables tel que lge du bton, les

    conditions d'humidit, le rapport entre les granulats et le ciment, le type des granulats

    et la localisation des aciers et les fissures. La technique ne peut pas tre employe pour

    la dtermination de la rsistance de bton fabriqu par diffrents matriaux dont on ne

    connat pas les proportions.

    Les essais consistant mesurer la vitesse de propagation des impulsions peuvent tre

    effectus sur des prouvettes de laboratoire comme sur des ouvrages en bton termins.

    Essai de rsistance la pntration :

    La sonde de Windsor est gnralement reconnue comme le meilleur moyen pour

    excuter l'essai de rsistance la pntration. La profondeur de la pntration fournit

    une indication de la rsistance du bton la compression

    .

    Figure 2.10 : Sonde de Windsor.

  • Ould El Hacen Zein El Abidine Chapitre 2

    Les dgradations du bton et la mthodologie du diagnostic - 12 -

    Cette mthode donne des rsultats variables, et il ne faut pas s'attendre obtenir des

    mesures prcises de la rsistance du bton. Cet essai a toutefois l'avantage de fournir un

    moyen rapide de contrler la qualit et la maturation du bton coul sur place. Il fournit

    aussi un moyen d'valuer le dveloppement de la rsistance par la cure. Cet essai est

    essentiellement non destructif puisqu'il peut tre effectu sur place sur le bton, et qu'il

    ne ncessite qu'un rebouchage mineur des trous sur les faces qui ont subi l'essai.

    Les dtecteurs darmatures :

    Ces appareils permettent de dtecter la prsence d'armatures, leur position (enrobage

    notamment) et leur diamtre. Il y a trois types de dtecteurs :

    Le pachomtre

    Cet appareil est un systme de dtection portable pour un examen d'armatures non

    destructif. Il permet de dterminer le positon exact des barres d'armatures, de mesurer

    l'enrobage et de donner une indication du diamtre de l'armature. Le principe de

    fonctionnement repose sur l'mission d'un flux magntique par l'appareil.

    Figure 2.11 : Pachomtre.

    Le corrosimtre

    Employ dans le but de dtecter la corrosion des armatures, d'ouvrages en bton avant

    l'apparition des dommages visibles, en mesurant le potentiel de surface du bton.

    Linstrument permet de mesurer les champs lectriques spontans dans les structures en

    bton, pour reprer les zones favorables la corrosion galvaniques des armatures.

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    Les dgradations du bton et la mthodologie du diagnostic - 13 -

    Figure 2.12 : Corrosimtre.

    La radiographie

    Ce procd permet de raliser des clichs radiographiques du bton, son cot est

    relativement lev compte tenu du matriel ncessaire (source radioactive) et surtout

    des mesures de protection mettre en place (vacuation du site, primtre de scurit,

    autorisations administratives ...), utilisables pour des lments dont lpaisseur ne

    dpasse pas 60 80 cm, la gammagraphie fournit des informations multiples et trs

    prcises sur les armatures et les dfauts internes du bton :

    L'obtention de film photographique impressionn par les rayons qui traversent la paroi

    du bton. L'analyse est interprte en fonction des traces obtenues :

    Trace claire => corps plus dense que le bton.

    Trace noire => prsence de vide.

    Fissuromtre

    Le fissuromtre est un outil facile utiliser, qui permet de mesurer, puis

    denregistrer les dimensions et lvolution des fissures sur des ouvrages en bton arm.

    Cet accessoire de mesure est trs utilis pour le diagnostic des structures dgrades.

  • Ould El Hacen Zein El Abidine Chapitre 2

    Les dgradations du bton et la mthodologie du diagnostic - 14 -

    Figure 2.13 : Fissuromtre.

    Extensomtre

    Un extensomtre Permet de mesurer la dformation linaire d'un lment de structure.

    Il peut tre incorpor dans le bton durant le coulage et permettra de suivre

    rgulirement les dformations de la pice.

    Figure 2.14 : Extensomtre.

    Hygromtre

    Permet d'valuer l'humidit, en surface et en profondeur sur les parois de bton.

    L'hygromtre permet de mesurer le taux d'humidit en profondeur de faon non

    destructive par une mthode bas sur la radiofrquence.

  • Ould El Hacen Zein El Abidine Chapitre 2

    Les dgradations du bton et la mthodologie du diagnostic - 15 -

    2.2.3.2 Essais destructifs

    Carottage

    Le carottage est un prlvement dchantillons de bton pour pouvoir faire des essais

    au laboratoire at obtenir des renseignements sur ltat de la structure. Par exemple :

    L'identification des agrgats

    La dtrioration des agrgats

    L'homognit du bton

    La profondeur d'une ventuelle carbonatation

    La rpartition des fissures

    Lanalyse chimique : la teneur en ciment, prsence et quantit de chlorures.

    Des essais physico mcaniques : densit, rsistance la compression, module

    d'lasticit.

    Figure 2.15 : Carottage.

    Le carottage se droule selon les oprations suivantes :

    Reprer pralablement les armatures mtalliques internes au bton pour

    implanter le carottage et viter les armatures ;

    Fixer la carotteuse sur la partie douvrage partir de laquelle la carotte doit tre

  • Ould El Hacen Zein El Abidine Chapitre 2

    Les dgradations du bton et la mthodologie du diagnostic - 16 -

    extraite

    Carotter laide dun carottier de diamtre adapt pour lexamen ou lessai

    raliser ;

    Extraire la carotte et la conditionner en fonction de lessai raliser ;

    Reboucher laide dun produit adapt (bton ou mortier sans retrait).

  • Chapitre 3 :

    Mthodes de renforcement :

  • Ould El Hacen Zein El Abidine Chapitre 3

    Mthodes de renforcement - 17 -

    3 Mthodes de renforcement

    3.1 Introduction

    La durabilit dun ouvrage dpend de nombreux paramtres dont la qualit de sa conception,

    des matriaux utiliss, de sa ralisation ainsi que des diverses conditions dusage, dexploitation

    et de maintenance. Le bton rsiste au temps quil fait et au temps qui passe. Mais les ouvrages

    en bton peuvent ncessiter des oprations de rparation ou de renforcement pour augmenter

    leur dure dutilisation ou offrir de nouvelles fonctionnalits.

    De nombreuses solutions techniques sont disponibles et matrises, elles ont fait la preuve de

    leur efficacit et rpondent lensemble des problmes potentiels rencontrs sur les matriaux

    ou sur les structures. Il convient de choisir la solution technique adapte la pathologie traiter,

    aprs un diagnostic complet et prcis des dsordres, de leurs causes et de leurs volutions.

    3.2 Adjonction darmatures complmentaires

    Des armatures complmentaires sont prvoir lorsquil sagit de remplacer des aciers corrods

    ou lorsquil sagit de renforcer une structure. Les armatures complmentaires doivent sopposer

    la fissuration, et participer la rsistance des sections renforces. La protection de ces

    armatures est assure par un bton coul ou projet et leurs jonctions avec les armatures

    existantes peuvent se faire par recouvrement ou par soudure.

    Figure 3.1 : Adjonction darmatures supplmentaires

    En fin lenrobage des nouvelles armatures doit tre assur par un mortier assurant une adhrence

    suffisante avec les armatures et avec le bton existant.

    Ce type de rparation demande gnralement, pour tre efficace, une augmentation non

    ngligeable des dimensions des lments de structure et l'emploi d'un volume relativement

  • Ould El Hacen Zein El Abidine Chapitre 3

    Mthodes de renforcement - 18 -

    important de matriaux, ce qui n'est plaisant ni sous l'aspect conomique, ni sous l'aspect

    esthtique, dans le cas de structures de faades.

    3.3 Bton projet

    Cette technique, trs au point, utilise tant pour le renforcement de structures insuffisantes ou

    dfaillantes que pour la rparation douvrage endommags, consiste projeter du bton contre

    la face btonner laide dun jet dair sous pression.

    La difficult de l'emploi de cette mthode provient essentiellement du mode dapplication et de

    mise en uvre (matriels, main duvre et problmes de scurit).

    Il existe deux techniques principales de projection : par voie sche et par voie humide, Dans le

    procd par voie sche, l'eau est ajoute en bout de lance alors que dans le procd par voie

    humide, elle est mlange en totalit lors de la fabrication du bton en centrale.

    3.3.1 Projection par voie sche

    Le procd par voie sche est le plus utilis pour les rparations. Les matriaux secs, cest--

    dire le ciment et les granulats, sont incorpors directement dans une canalisation, o ils sont

    transports par lair comprim jusqu la lance.

    Leau sous pression est introduite dans le mlange la lance par lentremise dune bague

    perfore, cette bague permet le mlange de leau avec les matriaux.

    Le malaxage de leau et des matriaux secs se produit dans la lance et au contact de la surface.

    La Figure 3-2 prsente lappareillage ncessaire lapplication de bton projet par voie sche.

    Figure 3.2 : bton projet par voie sche.

  • Ould El Hacen Zein El Abidine Chapitre 3

    Mthodes de renforcement - 19 -

    Le procd par voie sche a lavantage de pouvoir tre arrt et reparti tout moment durant

    les travaux. En effet, comme le contact du ciment et de leau ne se fait qu la lance, il ny a

    aucune prise possible dans lappareillage si la production du bton est interrompue.

    Des rsistances leves peuvent tre facilement obtenues avec ce procd puisquil permet

    datteindre de faibles rapports eau/liant.

    3.3.2 Projection par voie humide

    Le procd par voie humide implique quun bton ou un mortier soit pomp de faon

    conventionnelle dans un boyau et projet haute vitesse contre une surface rceptrice en

    utilisant de lair comprim ajout la lance.

    La Figure 3-3 prsente lappareillage ncessaire lapplication de bton projet par voie

    humide.

    Figure 3.3 : bton projet par voie humide.

    3.4 Prcontrainte additionnelle

    Cette technique consiste renforcer une structure laide de cbles de prcontrainte ou de

    torons gains graisss gnralement disposs lextrieur du bton. La prcontrainte

    additionnelle va introduire dans la structure des sollicitations complmentaires, qui vont

    compenser les dfauts de dimensionnement ou de conception ou des efforts supplmentaires,

    que doit supporter la structure suite des modifications des conditions de chargement ou

    dutilisation.

  • Ould El Hacen Zein El Abidine Chapitre 3

    Mthodes de renforcement - 20 -

    Les nouveaux cbles ou torons doivent, en apportant de la compression aux zones tendues, sans

    ajouter dexcs de contraintes dans les zones comprimes.

    Elle peut sappliquer tous types de structures existantes en bton arm ou en bton

    prcontraint.

    Cette mthode de renforcement bien que trs efficace prsente quelques difficults de mise en

    uvre. En effet, elle ncessite de dimensionner soigneusement des ancrages et de dterminer le

    chemin appropri des cbles. Ainsi, des forages travers certaines parties de la structure

    existante sont ncessaires. Ces forages doivent tre excuts sans toucher aux diffrentes

    armatures existantes. En fin, il faut prendre toutes les dispositions pour contrler que la

    prcontrainte additionnelle se rpartisse dans la structure et surtout dans les zones fissures.

    Figure 3.4 : prcontrainte additionnelle.

    3.5 Tles dacier colles

    Lutilisation de plaques dacier colles afin de renforcer des insuffisances locales ou globales

    sest dveloppe ces dernires annes. Cest une technique conomique qui modifie peu laspect

    et les dimensions de la structure rparer. Ces plaques sont gnralement facilement inspectables

    pour faire le suivi des dgradations. Le collage de la plaque la surface du bton assure un bon

    transfert des efforts et permet ainsi une augmentation de la rsistance et de la raideur de la

    structure renforce. Les plaques dacier colles peuvent tre utilises afin deffectuer un

    renforcement en flexion, en cisaillement ou pour confiner des colonnes en bton

  • Ould El Hacen Zein El Abidine Chapitre 3

    Mthodes de renforcement - 21 -

    Figure 3.5 : plaques dacier colles.

    Ces mthodes prsentent beaucoup dinconvnients tels que : La difficult de la mise en uvre, la

    dure, la corrosion des aciers, etc. Ds lors, les chercheurs ont tent de trouver des matriaux de

    substitution qui rgleraient ce problme.

    Diverses conditions doivent tre runies pour obtenir les meilleurs rsultats en effectuant un

    renforcement par plaques dacier. Il faut vrifier que la structure elle-mme peut recevoir ce type

    de modification et que dautres dfauts napparatront pas suite au renforcement.

    Cette technique efficace a montr ses limites :

    Lacier est lobjet de la corrosion, il demande une maintenance et une protection

    coteuse.

    La collation demande une surface de traitement spciale et une pression constante

    jusqu' la collation totale de lacier.

    Les plaques dacier sont lourdes et trop raides.

    Elles ne peuvent pas tre colles dans des surfaces concaves.

    Dans les plaques cest trs difficile dviter les boules daire entre les tles et le support,

    ce qui implique une malle adhrence

    3.6 Matriaux composites

    3.6.1 Introduction

    L'intgration des matriaux composites dans le domaine du gnie civil s'est avre une source de

    plusieurs nouvelles applications. Les recherches rcentes sur les composites ont amen les

    ingnieurs s'intresser l'utilisation de ces nouveaux matriaux dans le domaine de la

    construction. Depuis peu, on retrouve des cas pratiques de leur application dans diffrents

    ouvrages de gnie civil.

  • Ould El Hacen Zein El Abidine Chapitre 3

    Mthodes de renforcement - 22 -

    La premire utilisation importante de matriaux composites dans le renforcement des structures

    remonte 1991, en Suisse, pour la rhabilitation du pont d'Ibach. Ce pont est constitu d'une

    poutre caisson alors que des plaques de composites ont t appliques sur la surface tendue.

    6,2 kg de feuilles de composite de 2 mm d'paisseur et de 150 mm de largeur ont remplac

    175 kg d'acier. Le pont de Kattenbusch, en Allemagne, est aussi constitu de poutres caissons

    continues sur 11 portes. L'effet des gradients de temprature a amen une fissuration

    prmature au niveau de certains joints. Un renforcement avec des plaques de fibre de verre a

    t utilis. L'utilisation des matriaux composites pour la rhabilitation et le renforcement

    devient une solution prconisant un remplacement tout aussi efficace que l'acier. titre

    comparatif, le tableau 3.1 donne les avantages des composites sur l'acier.

    Tableau 3.1 : comparaison entre composites et acier.

    Critres Avec les composites Avec l'acier

    Poids propre

    Bas Elev

    Rsistance en traction Trs leve Eleve

    Epaisseur Trs basse Basse

    Corrosion Non Oui

    Longueur des plaques Illimite Limite

    Manutention Facile, flexible Difficile, rigide

    Capacit de chargement Direction longitudinale Toute direction

    Cot du matriau Elev Bas

    Cot des installations Bas Elev

    Application Pas dquipement Appareil de levage et dattache

  • Ould El Hacen Zein El Abidine Chapitre 3

    Mthodes de renforcement - 23 -

    tant donn ces nombreux avantages, les matriaux composites reprsentent un trs bon

    investissement en ce qui a trait au renforcement et la rhabilitation des structures en bton arm.

    Les seuls inconvnients sont le cot du matriau et le manque de connaissances autant sur son

    comportement long terme sur les structures que sur les techniques de conception. Cependant,

    le cot des matriaux ne reprsente gnralement que 20% du cot total pour une construction

    conventionnelle. En liminant les cots se rattachant la main-duvre et l'quipement, les

    matriaux composites devraient trs bien concurrencer les mthodes traditionnelles de rparation.

    Cependant, les proportions du cot du matriel sur le cot de la main-d'uvre seraient grandement

    modifies.

    3.6.2 Renforcement des lments structuraux

    3.6.2.1 Renforcement des poteaux

    L'utilisation d'une enveloppe forme de feuilles de PRF autour de la colonne permet non

    seulement d'assurer une protection supplmentaire, mais aussi d'amliorer la rsistance en

    compression par l'effet du confinement produit par les fibres du composite en plus dune

    augmentation de ductilit trs significative comparativement la colonne sans composite.

    Figure 3.6 : poteau circulaire en BA confin par matriaux composites.

    3.6.2.2 Renforcement des poutres

    On peut effectuer un renforcement en flexion en collant les bandes sur la surface tendue de la

    poutre, et le renforcement en cisaillement peut tre apport par le collage des bandes sur les

    parois de ces mmes poutres.

  • Ould El Hacen Zein El Abidine Chapitre 3

    Mthodes de renforcement - 24 -

    Figure 3.7 : poutres en BA renforces par matriaux composites.

    3.6.2.3 Renforcement des dalles

    L'utilisation de composites en bandes peut aussi amliorer la rsistance en flexion de dalles

    en bton arm.

    Figure 3.8 : tablier de pont en BA renforc par matriaux composites

    3.6.2.4 Renforcement des murs

    Seulement quelques cas d'application de matriaux composites destins au renforcement de

    murs ont t publis. Le plus document d'entre eux concerne un immeuble appartement de

    six tages Zurich, en Suisse (Steiner, 1996). tant donn que le btiment a t construit en

    1930 et converti en btiment bureau avec certaines modifications au niveau de son systme

    de rsistance latrale, le systme structural a donc t rvalu. Parmi ces changements, des

  • Ould El Hacen Zein El Abidine Chapitre 3

    Mthodes de renforcement - 25 -

    murs en maonnerie non renforce conus pour les charges sismiques ont t enlevs, et ceux

    restant devaient prendre une charge beaucoup plus grande. L'utilisation des matriaux

    composites s'avrait donc trs utile. On a coll des plaques de fibres de carbone en forme de

    X pour chacun des tages. Un systme d'ancrage avec des tiges d'acier a servi pour amliorer

    l'adhsion entre les fibres et le mur. Avec les composites, la ductilit du mur a t augmente

    un cot relativement faible et dans des dlais trs raisonnables.

    3.7 Avantages des matriaux composites

    Les matriaux composites prsentent des avantages tels que :

    Rsistance mcanique : pour une mme section dacier, la rsistance des fibres de

    composites est plus leve ;

    Poids : la densit des matriaux composites reprsente 20% de celle des platines

    dacier ; pour une mme rsistance ultime le poids de PRF (Polymre Renforc

    en Fibre) est infrieure de 10% au poids des platines daciers.

    Maniabilit : les bandes des matriaux composites prsentent une large flexibilit

    qui facilite la mise en uvre et son application dans les zones confines.

    Vu la difficult dassemblage et de transport sur site des platines dacier, les PRF

    sont beaucoup plus concluants que ces derniers.

    Facilit de prparation de surfaces

    La non ncessit d'une fixation mcanique : comparativement aux platines dacier,

    cependant le collage des matriaux composites doit tre minutieux.

    La durabilit du systme de renfort : la bonne tenue des matriaux composites

    la corrosion par rapport celle des platines dacier, qui peuvent tre contamins

    par le chlorure ou leurs zones de fixation seront fissures.

    Tenue au feu : la conductivit thermique des matriaux composites est infrieure

    celle des platines dacier. La dgradation due au feu des matriaux composites est

    lente comparativement celle des platines daciers.

    Rduction du risque gel- dgel : la mise en uvre du bandage des matriaux

    composites favorise une bonne tanchit vis--vis de la formation du phnomne

    gel- dgel

    La maintenance et entretien : le systme de renforcement de matriaux composites

    nexige pas un entretien, par contre le renforcement par les platines dacier

    demande une maintenance priodique continue.

  • Ould El Hacen Zein El Abidine Chapitre 3

    Mthodes de renforcement - 26 -

    Rduction du temps dexcution et mise en uvre : la prparation, le transport et

    la mise en uvre des platines daciers prend un temps considrable par rapport

    lapplication des matriaux composites.

    Laptitude de prcontrainte dans les matriaux composites : un nouveau champ des

    bandes plats de prcontrainte des composites est applique afin de compenser la

    perte de tension dans llment structurel et rduire ainsi les fissures.

  • Chapitre 4 :

    Matriaux composites

  • Ould El Hacen Zein El Abidine Chapitre 4

    Les matriaux composites - 27 -

    4 Matriaux composites

    4.1 Introduction

    Les matriaux composites peuvent tre dfinis comme assemblage de deux ou plusieurs

    matriaux dont la combinaison aboutit la naissance dun nouveau matriau dont lensemble

    des performances est suprieur celui des composants pris sparment. Leurs principaux

    avantages en comparaison avec les matriaux de construction traditionnels sont : leurs haute

    rsistance mcanique et chimique, grande rigidit, libert de forme, lgret, ils permettent

    d'augmenter la dure de vie de certains quipements grce leurs proprits, Ils offrent une

    meilleure isolation thermique. Ils enrichissent aussi les possibilits de conception en

    permettant d'allger les structures et de raliser des formes complexes aptes remplir plusieurs

    fonctions.

    Des exemples de matriaux composites pris au sens large sont donns au tableau (4-1).

    Dans un sens plus restrictif, un matriau composite utilis dans la rparation des structures est

    par dfinition, toute matire premire comportant un renfort et une matrice, qui doivent tre

    compatibles entre eux et se solidariser, ce qui introduit la notion d'un agent de liaison.

    Le renfort assure la rsistance et la rigidit du matriau, la matrice maintient les lments de

    renfort dans leurs dispositions, assure le transfert des charges au renfort et donne au matriau

    sa forme dsire.

    Le renfort peut tre sous forme de fibres ou de particules, on ne traitera dans ce travail que ce

    qui concerne les matriaux base de fibres.

    Les principaux constituants des matriaux composites reoivent des additifs ou charges pour

    assurer une adhrence suffisante entre le renfort fibreux et la matrice.

  • Ould El Hacen Zein El Abidine Chapitre 4

    Les matriaux composites - 28 -

    Figure 4.1 : composants dun matriau composite.

    Tableau 4.1 : Exemples de matriaux composites.

    Type de composite Constituants Domaine

    d'application

    1/Composites m a t r i c e

    organique

    - papier

    -carton

    -panneaux de fibres toiles

    enduites

    -matriaux d'tanchit et

    pneumatiques

    -Rsine/fibre cellulosique

    -Rsine /copeaux

    -Rsine / tissus

    -Elastomre

    -Caoutchouc/ acier

    -Imprimerie

    -btiment

    -toitures

    -Automobile

    2/composites matrice

    minrale

    -bidon

    -Composite carbone-

    Ciment /sable /granulats Carbone / fibres

    -Gnie civil

    -aviation

    -espace

    3/ Composites matrice

    mtallique

    Aluminium /fibres de bore Aluminium

    /fibres de carbone -arospatial

    4.1.1 Caractristiques gnrales

    Un matriau composite consiste dans le cas gnral d'une ou plusieurs phases discontinues

    rparties dans une phase continue. La phase discontinue a habituellement des proprits

    mcaniques suprieures celles de la phase continue. La phase continue est appele " la matrice

    ", la phase discontinue est appele "le renfort " (figure 4-1).

    Phase discontinue

    Phase continue

  • Ould El Hacen Zein El Abidine Chapitre 4

    Les matriaux composites - 29 -

    Les proprits des matriaux composites rsultent de :

    Les proprits des matriaux constituants.

    Leurs distributions gomtriques.

    Leurs interactions.

    Ainsi, pour accder la description d'un matriau composite, il sera ncessaire de spcifier :

    La nature des constituants et leurs proprits.

    La gomtrie du renfort, et sa distribution.

    La nature de linterface : matrice-renfort.

    La gomtrie du renfort sera caractrise par : sa forme, sa taille, sa concentration et sa

    disposition (son orientation).

    La concentration du renfort est habituellement mesure par la fraction volumique (fraction

    en volume) ou par la fraction massique (fraction en masse), la concentration du renfort est

    un paramtre dterminant des proprits mcaniques du matriau composite.

    Pour une concentration donne, la distribution du renfort dans le volume du composite est

    galement un paramtre important , sa distribution uniforme assurera une

    homognit du matriau composite.

    Dans le cas d'une distribution non uniforme du renfort, la rupture du matriau sera initie dans

    des zones pauvres en renfort, diminuant ainsi la rsistance du composite.

    Dans le cas des matriaux composites dont le renfort est constitu de fibres, l'orientation des

    fibres dtermine l'isotropie du matriau composite.

    Cet aspect constitue une des caractristiques fondamentales des composites : la possibilit de

    contrler l'anisotropie du produit fini par une conception et une fabrication adapte aux proprits

    souhaites.

  • Ould El Hacen Zein El Abidine Chapitre 4

    Les matriaux composites - 30 -

    4.2 Les matrices

    4.2.1 Introduction

    Les matrices ont pour rle de transfrer les sollicitations aux fibres et de les maintenir en

    position, elles doivent donc tre assez dformables et prsenter une bonne compatibilit avec

    les fibres, leur concentration massique doit tre relativement faible de manire conserver aux

    composites leurs caractristiques mcaniques leves.

    Les matrices utilises dans la fabrication des composites peuvent tre minrales ou organiques,

    actuellement 99% des matrices utilises sont des matrices organiques.

    La matrice est compose elle-mme d'une rsine (polyester, poxy etc.), et de charges dont le but

    est d'amliorer les caractristiques de cette rsine tout en diminuant le cot de production, d'un

    point de vue mcanique l'ensemble rsine-charges se comporte comme un matriau homogne.

    Figure 4.2 : Diffrents types de matrices.

    4.2.2 Les rsines

    Les rsines sont des polymres modifis par diffrents additifs et adjuvants. Les rsines sont

    livres sous formes de solutions, sous forme de polymres non rticuls en suspension dans des

    solvants qui empchent le pontage entre les macromolcules pr polymrises. Sous laction de

    la chaleur, des liaisons se dveloppent entre les chaines de pr polymre pour constituer un

    polymre rticul suivant une structure tridimensionnelle.

    Deux grandes familles de rsines existent : les rsines thermodurcissables et les rsines

    thermoplastiques.

  • Ould El Hacen Zein El Abidine Chapitre 4

    Les matriaux composites - 31 -

    4.2.2.1 Les rsines thermodurcissables

    Les rsines thermodurcissables ne peuvent tre mises en forme quune seule fois. En effet aprs

    polymrisation par apport de chaleur, ces rsines dveloppent une structure gomtrique qui ne

    peut tre dtruite que par un apport trs important dnergie do leur proprits mcaniques et

    thermomcaniques trs leves par rapport aux rsines thermoplastiques.

    Les principales rsines thermodurcissables utilises dans la composition des matriaux

    composites sont :

    Les rsines Polyesters non saturs

    C'est la rsine la plus utilise dans les composites de grande application. Elles passent

    successivement de l'tat liquide visqueux initial l'tat de gel, puis l'tat solide infusible.

    La raction du durcissement dpend de la ractivit de la rsine, et de la forme de l'objet fabriqu

    (paisseur, etc.).

    Suivant leur module d'lasticit, les rsines polyesters sont classs en : rsines souples, rsines

    semi-rigides et rsines rigides.

    Les rsines habituellement utilises dans la mise en uvre des matriaux composites sont de

    type rigide,

    Leurs avantages sont :

    Une bonne rigidit rsultant d'un module d'lasticit assez leve.

    Une bonne stabilit dimensionnelle.

    Une facilit de mise en uvre.

    Un faible cot de production.

    Une bonne tenue chimique.

    Une bonne rsistante chimique aux hydrocarbures (essence, fuel, etc.).

    Et leurs inconvnients sont :

    Emission d'lments polluants

    Inflammabilit.

    Une dgradation la lumire par des rayons ultraviolets.

    Une mauvaise tenue la vapeur.

  • Ould El Hacen Zein El Abidine Chapitre 4

    Les matriaux composites - 32 -

    Epoxydes

    Ce sont les plus utiliss aprs les rsines polyesters insatures, du fait de leurs bonnes

    caractristiques mcaniques, ces rsines poxydes sont gnralement utiliss sans charges

    ou additifs, ce sont des matrices de composites haute performance (la construction

    arospatial, missiles, etc.).

    Toutefois pour bnficier rellement de ces performances, il est ncessaire d'avoir des dures

    de transformation et surtout de recuisons trs longues, correspondants des tempratures

    relativement leves de l'ordre de 100C.

    Ses avantages sont :

    Une adhrence parfaite sur les fibres.

    Une bonne proprit mcanique (en traction, flexion, compression, choc, et fluage, etc.),

    suprieure celles des polyesters.

    Une mise en uvre facile, sans apport de solvant.

    Une bonne tenue thermique, chimique et la fatigue.

    Ses inconvnients :

    Cot lev.

    Temps de polymrisation long.

    Vieillissement sous temprature.

    Sensibilit l'humidit et aux rayons ultra violet.

    Ncessite de prendre des prcautions lors de la mise en uvre

    4.2.2.2 Les rsines thermoplastiques

    Les rsines thermoplastiques possdent la proprit de pouvoir tre mises en forme plusieurs

    fois par chauffage et refroidissement successifs, elles peuvent donc tre rcupres et

    facilement recycles.

    La structure de ces rsines a la forme de chanes linaires, il faut les chauffer pour mettre en

    forme (les chanes se plient) et les refroidir pour les fixer.

    Les principales rsines thermoplastiques utilises sont les suivants :

    Polyamide : une bonne tenue au choc, bonne rsistance la fatigue et aux

  • Ould El Hacen Zein El Abidine Chapitre 4

    Les matriaux composites - 33 -

    hydrocarbures.

    Poly trphtalate thylnique et butylique : bonne rigidit.

    Polycarbonate : une bonne tenue au choc.

    Polysulfures de phnylne : une rsistance l'hydrolyse.

    Polyoxymthylnes : une bonne tenue la fatigue.

    Polysulfors : une bonne stabilit chimique.

    Polypropylne : assez stable en temprature, mais combustible.

    Lintrt des rsines thermoplastiques rside dans leur faible cot, rsultant la fois des

    matires premires disponible et des procds de fabrication, toutefois ce faible cot est

    li des proprits mcaniques, et thermomcaniques faibles.

    Comparaison

    Tableau 4.2 : comparaison des matrices TD et TP.

    TP (thermoplastiques) TD ( thermodurcissables) Matrices

    Solide prt l'emploi Liquide visqueux polymriser Etat de base

    Illimit Rduit Stockage

    Difficile Aise Mouillabilit des

    renforts

    Chauffage + refroidissement Chauffage continue Moulage

    Court Long (polymrisation) Cycle

    Asses bonne Limite Tenue au choc

    Rduite Meilleure Tenue thermique

    Recyclables Perdus ou utiliss en charges Chutes et dchets

    Propret Emanations de solvants Conditions de travail

  • Ould El Hacen Zein El Abidine Chapitre 4

    Les matriaux composites - 34 -

    4.2.3 Charges et additifs

    Les charges ou additifs sont des substances organiques, minrales, ou vgtales quon

    ajoute la rsine, pour amliorer certaines proprits et rduire le prix du matriau

    composite.

    Pour une rsine donne, le choix des charges ou des additifs est dtermin en fonction

    des modifications recherches, d'une manire gnrale ce choix devra satisfaire un certain

    nombre dexigences :

    Compatibilit avec la rsine de base.

    Uniformit de qualit et de granulomtrie.

    Faible action abrasive.

    Bas prix de revient.

    Les charges

    Il existe plusieurs types de charges :

    Les charges organiques

    Les charges cellulosiques utilises comme tant des charges de rsines thermodurcissables. Ces

    avantages sont un cot peu lev et une faible densit.

    Les charges Minrales

    Sont les craies et les carbonates : Les craies sont 99% de calcite, de la silice et d'autres

    minraux, Les carbonates de calcium ou de magnsium, sont utiliss comme des charges et aussi

    comme des retardataires de flamme.

    Les charges Oxydes hydrates et mtalliques

    Poudre et micro sphres :

    L'alumine, les oxydes de zinc, de magnsium et de titane sont utiliss sous forme de poudre fine.

    Ils permettent de diminuer le prix de revient et augmenter la densit de la matire lastique.

  • Ould El Hacen Zein El Abidine Chapitre 4

    Les matriaux composites - 35 -

    Alumine et tri hydrate daluminium :

    L'alumine apporte aux rsines une meilleure rsistivit lectrique ainsi qu'une bonne conductivit

    thermique, elle diminue le coefficient de dilatation thermique, augmente la rigidit ainsi que la

    rsistance l'abrasion et au feu. Lhydrate daluminium est une charge qui du point de vue prix,

    est concurrentielle, elle rduit l'inflammabilit ainsi que l'mission des fumes de combustion.

    Trioxyde d'antimoni :

    Il apporte aux rsines une coloration blanche.

    Les cramiques :

    Il existe des microsphres en cramique dont la densit varie entre 0.4 et 2.4 et la dimension au-

    del de 300 m.

    Elle apporte une rduction de masse de 15 25% avec une amlioration de la r s i s t a n c e

    la compression et au choc

    Le verre :

    Poudres de verre : Une nouvelle varit de poudre de verre de granulomtrie de

    13 m, son incorporation confre aux thermodurcissables une meilleure rsistance

    l'abrasion et la compression, elle permet par ailleurs d'obtenir un retrait plus faible et

    plus homogne des pice mouilles

    Billes de verre creuses : Sont obtenues par chauffage de billes de verre contenant

    un agent de gonflement, elles amliorent la rsistance la pntration de l'eau et au

    vieillissement

    Microsphres de verre : l'utilisation de microsphres de verre permet de rduire de

    25 35% la masse des pices obtenues (destines l'industrie d'automobiles)

    Le carbone :

    Le carbone est utilis depuis trs longtemps dans l'industrie des plastiques la fois colorant,

    barrire anti-ultraviolet, et antioxydant, il amliore la rsistance la chaleur.

  • Ould El Hacen Zein El Abidine Chapitre 4

    Les matriaux composites - 36 -

    Les additifs

    Les additifs se trouvent en faible quantit, quelques pourcentages de moins, par

    contre les charges peuvent atteindre des dizaines de pourcentage et interviennent comme

    tant :

    Lubrifiants et agents de dmoulage

    Pigments et colorants

    Agents anti-retraits

    Agents anti- ultraviolet

    Lubrifiants

    Ces agents ont pour objet de faciliter le faonnage de la rsine et de rduire la tendance de la

    rsine adhrer aux moules.

    Pigments et colorants

    Les pigments sont des produits insolubles, se prsentent sous forme de poudres ou de paillettes

    gnralement, Ils sont obtenus partir d'oxydes ou de sels mtalliques.

    A partir de ces pigments, il est galement possible d'obtenir des ptes colorants, constitues de

    dispersions de pigment dans une pte de manire avoir une utilisation aise.

    Les colorants sont des composs organiques solubles dans l'eau ou dans un solvant organique,

    leur emploi est gnralement limit, savoir sa mauvaise tenue chimique et thermique.

    Le choix de ces agents est fonction de sa compatibilit avec la rsine du composite et de

    l'utilisation du matriau composite.

    Anti retrait et fluage

    Ces agents peuvent aboutir un mauvais tat de surface, un gauchissement ou des

    microfissurations de la pice moule, bien que l'incorporation des charges la rsine en limite le

    retrait ; il est souvent ncessaire d'ajouter des produits spcifiques anti- retrait qui diminuent ou

    annulent le phnomne de retrait. Ces produits amliorent galement l'coulement de la matire

    dans certains techniques de moulage.

  • Ould El Hacen Zein El Abidine Chapitre 4

    Les matriaux composites - 37 -

    Ces agents anti-retrait sont gnralement des produits base de thermoplastiques ou

    d'lastomres, se prsentent sous forme de poudre ou de solution.

    Anti ultraviolet

    Les agents anti-ultraviolets ont pour fonction de protger les rsines des rayons ultraviolets.

    Le principe de ces agents est d'absorber le rayonnement ultraviolet et viter ainsi la dtrioration

    prmature de la rsine par rupture de liaisons atomiques ou par passage un tat excit qui

    favorise l'oxydation.

    4.3 Les fibres

    Les fibres assurent la rsistance mcanique et la rigidit des matriaux composites, ils sont

    caractriss par :

    La nature de la fibre : minrale ou organique.

    Larchitecture de renfort : unidirectionnelle ou bidirectionnelle.

    Principaux matriaux de renfort.

    Ces renforts sont constitus par plusieurs centaines ou milliers de filaments, de diamtre

    compris entre 5 et 15 micromtres

    Il existe deux types de fibres :

    Fibres courtes : quelque centimtres ou fraction de millimtre, l e s feutres, les mats

    et les fibres courtes impactes utilises en moulage

    Fibres longues : coupes au moment de la fabrication du matriau composite, utilise

    telles quelles ou bien tisss.

    Ces diffrents types de fibres sont classs selon la nature de leurs composants :

    Des renforts base de fibres unidirectionnelles : orients suivant une mme

    direction.

    Des renforts base de fibres bidimensionnelles : surfaces tisses (tissus).

    Des renforts base de fibres tridimensionnelles : volumes prforms ou non,

    constitus par des fibres orientes.

  • Ould El Hacen Zein El Abidine Chapitre 4

    Les matriaux composites - 38 -

    Figure 4.3 : diffrents types de fibres

    4.3.1 Fibres de carbone

    Elaboration

    Les fibres de carbone sont labores partir d'un polymre de base appel "prcurseur",

    se prsentant lui mmes sous forme de fibres orientes.

    Actuellement, les fibres utilises sont des fibres acryliques labores partir du poly-acrylonitrile

    (PAN), La qualit finale des fibres de carbone dpend des qualits du prcurseur. Le principe

    d'laboration est de faire subir aux fibres acryliques une dcomposition thermique, sans fusion

    des fibres, aboutissant une graphitisation dans laquelle on retrouve la structure initiale

    des fibres. Les procds actuels utilisent des mches de filaments acryliques assembls sans

    torsion (de 1000, 6000 jusqu' 10000 filaments), et leur font subir quatre traitements successifs

    : une oxydation, une carbonisation, une graphitisation et un traitement de surface [8].

    Oxydation

    Les fibres acryliques tant fusibles, la phase d'oxydation a pour but de supprimer artificiellement

    le pont de fusion. Cette opration est effectue en chauffant les fibres environ 300C en

    atmosphre d'oxygne. Il se produit alors une oxydation une rticulation des chaines

    molculaires.

  • Ould El Hacen Zein El Abidine Chapitre 4

    Les matriaux composites - 39 -

    Carbonisation

    Cette deuxime phase consiste chauffer progressivement les fibres rticules de 300C

    1100C environ, en atmosphre inerte. Il y a alors une limination de l'eau et de l'acide

    cyanhydrique, seuls les carbones sont conservs dans la chaine.

    Les fibres ainsi obtenues ont de bonnes caractristiques mcaniques et peuvent tre utilises

    aprs traitement de surface. Les fibres sont alors dnommes : fibres haute rsistance (HR) ou

    haute tnacit (HT).

    Graphitisation

    La phase de graphitisation est utilise lorsqu'on souhaite obtenir des fibres module d'Young

    lev. Cette phase consiste effectuer la suite de la carbonisation, une pyrolyse des fibres, en

    atmosphre inerte, jusqu' une temprature de l'ordre de 2600C

    La graphitisation provoque une rorientation des rseaux de carbone suivant l'axe des fibres,

    ce qui aboutit une augmentation du module d'Young. Suivant le taux de graphitisation, on

    obtient des fibres haut module (HM) ou des fibres trs haut module.

    Traitement de surface

    La dernire phase consiste en un traitement de surface, par oxydation mnage en milieu acide

    (nitrique ou sulfurique). Cette phase a pour objet d'accroitre la rugosit des filaments ainsi que

    la nature des liaisons chimiques afin d'amliorer la liaison fibre-rsine.

    Caractristiques

    Les fibres de carbone possdent de trs bonnes caractristiques mcaniques, d'autant plus que

    leur masse volumique est faible. En outre, il faut noter que les fibres de carbone ont une

    excellente tenue haute temprature. En effet leurs caractristiques mcaniques sont

    maintenues jusqu' 1500C environ. Cette proprit a conduit dvelopper des composites

    : fibres de carbone/matrice de carbone, haute tenue thermique, utiliss dans les tuyres de

    fuses, les lments de fours, etc. Ces matriaux revtus d'une couche protectrice anti-oxydante,

    trouvent galement des applications en atmosphre oxydant dans le domaine spatial.

  • Ould El Hacen Zein El Abidine Chapitre 4

    Les matriaux composites - 40 -

    Tableau 4.3 : caractristiques mcaniques des fibres de carbone.

    Caractristique Carbone HM Carbone HR

    Masse volumique (Kg/m2) 1800 1750

    Module dYoung Ef (N/mm2) 390 000 230 000

    Contrainte la rupture (N/mm2) 2 500 3 200

    Allongement la rupture (%0) 0.6 1.3

    4.3.2 Fibres de verre

    Elaboration

    Les fibres de verre sont labores par fibrage du verre fondu travers des filires, sortes de bacs

    raliss en alliage, et percs leurs bases d'orifices calibrs d'environ 2mm de diamtre. Le verre

    fondu est maintenu dans les filires chauffes aux environs de 1250C. A cette temprature,

    la viscosit du verre permet un coulement par gravitation travers les orifices, sous forme

    de fibres de quelques diximes de millimtres. A la sortie de la filire, le verre en phase

    plastique est simultanment tir grande vitesse et refroidi. Les conditions de

    refroidissement et de vitesse d'tirage permettent dobtenir, soit des filaments continus, soit

    des fibres discontinues. Il existe deux procds d'tirage : l'un mcanique et l'autre pneumatique.

    Etirage mcanique

    A la sortie de la filire, les fibres sont tires par un procd mcanique. Les mono filaments sont

    assembls paralllement sans torsion, sous forme de fils de base dnomms silionnes. Ces fils

    de base sont les plus utiliss comme renforts de verre dans les matriaux composites.

    Etirage pneumatique

    Dans ce procd, les fibres de verre sont tires par un systme d'aspiration travers un tambour

    perfor. Les fibres obtenues, discontinues et de longueur allant de 5 80 mm, sont ensuite

    assembles paralllement en un ruban appel "verranne". Les fibres verranne se distinguent

    des fibres silionne par un aspect pelucheux.

  • Ould El Hacen Zein El Abidine Chapitre 4

    Les matriaux composites - 41 -

    Ensimage

    Les filaments de verre issus de la filire ne peuvent pas tre utiliss directement pour diverses

    raisons :

    Labsence de cohsion entre les filaments qui sopposent la constitution de fils

    La sensibilit du verre l'abrasion.

    La sensibilit l'attaque l'eau.

    La cration de charges lectrostatiques conscutive aux divers frottements.

    Pour pallier ces dfauts, on ralise la sortie de la filire, une opration dite "ensimage",

    qui constitue dposer la surface des filaments de verre, un produit d'ensimage de

    composition complexe. A la lumire des dfauts voqus ci-avant, les diverses fonctions

    essentielles de l'ensimage sont :

    Etablir une cohsion certaine entre les filaments.

    Donner une raideur assez grande aux fils.

    Protger les filaments contre l'abrasion.

    Eviter l'apparition de charges lectrostatiques.

    Faciliter l'imprgnation des filaments par la rsine.

    Favoriser la liaison verre-rsine dont dpendent les performances mcaniques du composite,

    mais galement son comportement vis--vis du vieillissement, de la sensibilit l'humidit et

    la corrosion, etc

    Caractristiques

    A la suite du fibrage, les filaments de verre sont soumis divers sollicitations mcaniques

    (abrasion, etc), chimiques (humidit, etc) qui rduisent leurs caractristiques mcaniques

    initiales.

    Le tableau 4-4 donne les valeurs de la contrainte la rupture, mesures sur fils de base ayant subi

    un ensimage. Les valeurs obtenues semblent indiquer une chute des caractristiques lorsque

    le nombre de filaments augmente. Dans les matriaux composites, la liaison verre-rsine par

    l'intermdiaire de l'ensimage assure une rpartition assez homogne de la charge.

    Enfin, il est intressant de noter que les fibres de verre, conservent leurs caractristiques

    mcaniques jusqu' des tempratures assez leves, de l'ordre de 200C pour le verre de type E,

  • Ould El Hacen Zein El Abidine Chapitre 4

    Les matriaux composites - 42 -

    et de 250C pour le verre de type R. Ces fibres sont donc bien adaptes pour le renforcement

    des rsines tenue thermique leve.

    Tableau 4.4 : caractristiques mcaniques des fibres de verre.

    Caractristique Verre type E Verre type R

    Masse volumique (Kg/m2) 2600 2550

    Module dYoung Ef (N/mm2) 74000 86000

    Contrainte la rupture (N/mm2) 2500 3200

    Allongement la rupture

    (%0) 3.5 4

    4.3.3 Fibres daramide

    Les fibres aramides caractristiques mcaniques levs sont gnralement connues sous le nom

    de "Kevlar", nom commercial de la fibre mise au point par Dupont de Nemours.

    Elaboration

    L'laboration des fibres d'aramide est effectue basse temprature (-10fi puis par filage en

    solution. Les fibres sont ensuite tires et traites thermiquement afin d'augmenter leur module

    d'lasticit.

    Caractristiques

    Les caractristiques mcaniques des fibres aramides sont reportes dans le tableau 4-5.

    Nanmoins, leur utilisation est limite par diverses faiblesses des matriaux composites fibres

    d aramides :

    Rsistance faible la compression, la flexion, au flambement.

    Sensibilit au cisaillement.

    Ces faiblesses sont gnralement attribues une mauvaise adhrence fibre-matrice. Compte

    tenu de leur lgret et de leur bonne rsistance au choc, l'impact et l'abrasion, les fibres

    aramides sont utilises pour la fabrication de blindages et de produit de friction et de joints.

  • Ould El Hacen Zein El Abidine Chapitre 4

    Les matriaux composites - 43 -

    Tableau 4.5 : caractristiques mcaniques des fibres daramide.

    Caractristique Kevlar 29 Kevlar 49

    Masse volumique (Kg/m2) 1440 1450

    Module dYoung Ef (N/mm2) 60000 130000

    Contrainte la rupture (N/mm2) 3000 2900

    Allongement la rupture (%0) 36 2.3

    4.3.4 Caractristiques des fibres

    Tableau 4.6 : caractristiques mcaniques des diffrents types de fibres.

    Renforts

    Dia

    mt

    re d

    u

    fila

    men

    t (

    m)

    Mass

    er v

    olu

    miq

    ue

    (kg)

    Mod

    ule

    d'

    last

    icit

    lo

    ngit

    ud

    inal

    (N/m

    m2)

    Mod

    ule

    de

    cisa

    ille

    men

    t (N

    /mm

    2)

    Coef

    fici

    ent

    de

    pois

    son

    Con

    train

    te d

    e ru

    ptu

    re (

    tract

    ion

    )

    (N/m

    m2)

    All

    on

    gem

    ent

    la r

    up

    ture

    (%

    )

    Coef

    fici

    ent

    de

    dil

    ata

    tion

    ther

    miq

    ue

    D Mv E G K G A u

    Verre E 16 2600 74 000 30 000 0.25 2 500 3.5 0.5 10

    Verre R 10 2500 86 000 0.2 3 200 4 0.310

    Carbonne HM 6.5 1800 390 000 20 000 0.35 2 500 0.6 0.0810

    Carbone HR 7 1750 230 000 50 000 0.3 3 200 1.3 0.0210

    Kevlar 49 12 1450 130 000 12 000 0.4 2 900 2.3 0.210

    4.3.5 Architecture des fibres

    Afin damliorer les caractristiques mcaniques des structures en composites, il est

    ncessaire de jouer sur la texture des renforts (leur architecture) pour crer une charpente

  • Ould El Hacen Zein El Abidine Chapitre 4

    Les matriaux composites - 44 -

    rsistante adapte aux contraintes mcaniques. Les renforts se prsentent gnralement sous

    diverses formes : linique, surfacique et hybrides.

    Formes liniques :

    Une fibre (diamtre environ de 10 m) est trop petite pour tre utilise seule. On trouve

    en gnral, des fils ou mches qui sont assembls partir de plusieurs fibres. Lunit de

    masse linique est le tex (1 tex = 1 g/km).

    Formes surfaciques :

    Tissus et rubans

    Ce sont des nappes de fibres cont