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Réf : REFHORM 08NOBATEK090 Version Date : le 18 septembre 2009

Votre interlocuteur : Mr Benjamin LACLAU – Ingénieur Construction 01

Fonds communs de coopération AQUITAINE / EUSKADI 2008

Refhorm Étude des spécificités des bétons de la première moitié du 20ième siècle et leur adaptabilité aux nouvelles technologies de renforts

composites.

RAPPORT FINAL

REFHORM // Fonds Commun Aquitaine-Euskadi 2008 Rapport final

REGISTRE DES VERSIONS

Référence Version Date Changements

08NOBATEK090 01 18/09/09 Document original

Rédacteur 1 Rédacteur 2

Benjamin LACLAU Nicolas SALMON

Projet réalisé dans le cadre du Fonds Commun Aquitaine-Euskadi 2008 soutenu par :

� Le Conseil Régional d’Aquitaine

� Le Gouvernement Basque


SOMMAIRE

1. PHASE 1: ETAT DE L’ART DES TECHNOLOGIES DE RENFORTS DE STRUCTURES BETON..................4

1.1. INTRODUCTION ..............................................................................................................................................4 1.2. SYSTEMES DE RENFORCEMENT TRADITIONNELS ..............................................................................................4

1.2.1. Renforcement de poutres en béton armé ...............................................................................................4 1.2.2. Renfort de poteaux en béton armé .........................................................................................................8 1.2.3. Renfort de planchers et dalles en béton armé......................................................................................10 1.2.4. Renfort de structures en béton dégradées par corrosion des armatures .............................................12

1.3. POLYMERE RENFORCE DE FIBRES (FRP) ......................................................................................................12 1.3.1. Le matériau ...........................................................................................................................................12 1.3.2. Contribution du FRP au renforcement ..................................................................................................15 1.3.3. Application du FRP ...............................................................................................................................20 1.3.4. Systèmes de renforcement avec FRP ..................................................................................................21 1.3.5. Durabilité du FRP..................................................................................................................................24

1.4. TEXTILE-REINFORCED MORTAR (TRM).........................................................................................................27 1.4.1. Le matériau ...........................................................................................................................................28 1.4.2. Application du TRM...............................................................................................................................29 1.4.3. Systèmes de renforcement avec TRM..................................................................................................30

1.5. ACTEURS ET SYSTEMES ...............................................................................................................................32 1.5.1. Acteurs ..................................................................................................................................................32 1.5.2. Systèmes ..............................................................................................................................................33

1.6. BIBLIOGRAPHIE............................................................................................................................................34

2. PHASE 2 & 3: BETONS ANCIENS ET PATHOLOGIES ASSOCIEE S ...........................................................36

2.1. INTRODUCTION ............................................................................................................................................36 2.2. LES REGLEMENTATIONS ANCIENNES (AVANT 1960)........................................................................................36

2.2.1. En France..............................................................................................................................................36 2.2.2. En Espagne...........................................................................................................................................38

2.3. L’ANALYSE DES BETONS ANCIENS ET LEURS PATHOLOGIES.............................................................................39 2.3.1. Recueil des données.............................................................................................................................39 2.3.2. Commentaires / conclusions.................................................................................................................41

2.4. LE RECYCLAGE DES BETONS ANCIENS ...........................................................................................................43

3. PHASE 4 : APPLICABILITE DES RENFORTS COMPOSITES SUR LES STRUCTURES EN BETON.........44

3.1. DESCRIPTION DE LA PROBLEMATIQUE ...........................................................................................................44 3.2. SYSTEME DE RENFORT.................................................................................................................................45 3.3. CAMPAGNE D’ESSAIS ...................................................................................................................................45 3.4. SELECTION DES MATERIAUX .........................................................................................................................45

3.4.1 Béton à renforcer ...............................................................................................................................................45 3.4.2 TRM .....................................................................................................................................................................46

3.5. REALISATION DES RENFORTS .......................................................................................................................47 3.6. DISPOSITIF D’ESSAI......................................................................................................................................49 3.7. RESULTATS .................................................................................................................................................50 3.8. CONCLUSIONS .............................................................................................................................................59


1. PHASE 1: Etat de l’art des technologies de renfo rts de structures béton

1.1. Introduction

De nos jours le béton est l’un des matériaux les plus courants dans la construction et atteint une importance

majeure dans la société actuelle étant donné sa grande utilisation. La production annuelle de béton dépasse les 10

000 millions de mètres cube. A l’heure actuelle, aucun matériau de construction n’est employé dans de telles

quantités. De nombreuses structures de béton sont cependant désuètes suite à l’action du temps, aux erreurs

d'exécution, aux utilisations dans d'autres fonctions que celles prévues initialement, aux attaques chimiques, aux

sollicitations exceptionnelles. Ces contraintes réduisent la capacité de résistance du béton et par conséquent la

capacité résiduelle de la structure peut ne plus être adaptée à son utilisation ou pour tout nouveau usage.

Cette étude traite du renforcement de béton ayant perdu ses propriétés initiales au cours du temps. Les premiers

bétons armés structurels, apparus dans la première moitié du 20ième siècle sont plus particulièrement touchés par

les pathologies en raison de leurs caractéristiques intrinsèques médiocres et de l’action du temps.

L'objectif de cette première phase est d'effectuer un bref descriptif de l'État de l'Art actuel des renforcements des

structures en béton au travers de méthodes traditionnelles et de techniques plus pointues comme le renforcement

par FRP (fiber reinforced plastic) et le renforcement très prometteur par TRM (textile reinforced mortar).

1.2. Systèmes de renforcement traditionnels

Bien qu’il n'existait pas dans le passé de réglementation spécifique pour la conservation des constructions, la

nécessité d'entreprendre des réparations et restaurations a permis de développer de nombreuses techniques de

réparation et renforcement.

Il est intéressant de différentier les deux aspects. La réparation fait référence à la récupération de la capacité

portante originale de la structure, tandis que le renforcement consiste à augmenter les niveaux de sécurité au-delà

de ceux prévus à l’origine.

Pour différencier les nouveaux systèmes qui utilisent des matériaux composites, les techniques plus anciennes

seront appelées systèmes traditionnels.

Dans ce chapitre on différenciera la réparation de structures affectées par la corrosion des armatures de celles

ayant souffert d’un défaut mécanique et/ou qui vont simplement être renforcées.

1.2.1. Renforcement de poutres en béton armé

Le renforcement de poutres en béton armé a pour caractéristique particulière l'existence de points d’importante

concentration de contraintes. Il faudra donc considérer avec attention les mécanismes de transmission d'efforts

entre la structure originale et le renfort utilisé ; cette considération implique une analyse structurelle plus poussée.

Il est important de distinguer les éléments destinés à maintenir ou à augmenter la capacité de résistance en flexion

de ceux améliorant la résistance à l’effort tranchant.


Poutres en flexion Les poutres en flexion sont renforcées au niveau de leur zone de moments positifs (zone tendue).

Les renforts sont généralement des bandes d'acier collées ou enduites avec du béton armé.

Bandes d'acier collées : Ce renfort consiste au collage de bandes d'acier au moyen de résines époxy et en partie inférieure de la poutre.

Étant donné son exécution simple et reproductible, cette technique est largement utilisée. Elle ne nécessite pas de

grandes épaisseurs de bandes et peut être appliquée tant sur des poutres plates que sur des poutres à âme.

De nombreuses expériences ont démontré que ce système permet des accroissements de résistance en flexion

entre 30 et 50%.

Le schéma suivant présente de manière simple les détails du renfort :

Figure 2.1 Renfort de poutre par plaques d’acier.

Il est important de souligner que cette technique augmente le poids propre de l'élément et il est nécessaire de

vérifier que le renfort n'affecte l’élément par apport d’effort tranchant et aplatissement au niveau des appuis. Pour

une élévation significative d’effort tranchant il est recommandé d'ajouter des barres en partie supérieure de la

poutre.

On note également des risques de tensions tangentielles importantes au niveau de l’interface bandes/béton

pouvant décoller les bandes (notamment au niveau des extrémités). Il est recommandé de ne pas dépasser des

épaisseurs de bandes de 6 mm, leur largeur ne doit également pas dépasser 50% de la largeur de la poutre.

Enfin, dans le cas d’un incendie ou de très fortes températures, la résine de collage pourra se dégrader et

provoquer le décollement des bandes de renfort.


Enrobage en béton armé : Cette technique consiste à recréer la partie inférieure de la poutre en béton armé.

Elle est utilisée pour des poutres à âme verticale ; elle permet un enrobage des parties latérales de l’âme et rend

ainsi le renfort plus effectif.

Plusieurs solutions existent pour obtenir l'union entre la poutre originale et le renfort par enrobage, les schémas

suivant montrent les plus caractéristiques :

Figure 2.2 Renfort de poutres par enrobage

Le principal problème est que les dimensions augmentent de manière considérable, ce pourquoi dans quelques

éléments il sera impossible de l'effectuer. En outre ce qui est encombré du béton dans la chemise est complexe

non seulement par la technique mais aussi par la composition de ce dernier, parce qu'il doit garantir un bon

attachement avec le béton de la poutre. Parfois on effectue un certain traitement préalable pour faciliter la création

d'une assemblée optimale. Ce système permet un accroissement de jusqu'à 60% de la capacité de flexion.

Précontrainte : Ce système consiste à ancrer des câbles en acier au niveau des latéraux de la poutre en suivant la ligne de

distribution d'efforts. Les ancrages se font au moyen de fixations métalliques.


Les câbles sont ancrés et tendus. Ils sont ensuite couverts par un mortier spécifique. Cette méthode est

généralement moins coûteuse que les précédentes mais ne permet pas d’obtenir les mêmes niveaux

d’augmentation de résistances mécaniques.

Poutres soumises à efforts tranchants ou flexion et effort tranchant : Il est peu fréquent de renforcer une poutre aux pathologies exclusivement provoquées par des efforts tranchants ;

il est par contre plus commun que ces pathologies soient dues à une combinaison d’effort tranchant et de flexion.

Dans ce cas, le type de renfort est directement conditionné par la forme de la poutre originale. Il est nécessaire

que les faces latérales soient accesibles.

Les schémas suivant présentent des types de renforts pour poutres en flexion et effort tranchant :

Figure 2.3 Renforts pour effort tranchant

La troisième solution est utilisée pour des poutres plates ne permettant pas d’accroche aux renforts. Cette solution

reste délicate dans le sens où il est nécessaire d’éviter de dégrader les armatures de la poutre lors du forage des

goupilles d’ancrage.

Enfin, il faut avoir une bonne connaissance des différentes liaisons entre matériaux et veiller à leur bonne

exécution.


1.2.2. Renfort de poteaux en béton armé

Le renfort de ce type d'éléments se base sur une augmentation de la section du support original avec une section

en acier, en béton armé ou mixte.

Comme pour tout renfort, il est essentiel que le renfort soit lui-même mis en charge. Ceci nécessite la

connaissance de la transmission des efforts entre le support original et la nouvelle section. La transmission des

efforts peut se produire de deux manières : la première à travers les nœuds avec les poutres ou planchers; la

deuxième par les efforts tangentiels le long du support.

Afin d'obtenir une mise en charge efficace du renfort, on procède généralement à la décharge ou étaiement des

zones de la structure supportées par le poteau à renforcer.

Figure 2.4 Transfert des efforts Poutre-support-renfort.

L'effet attendu par ce système est la génération d'une action d’enveloppe évitant la libre dilatation transversale

favorisant ainsi la mise en compression (effet Poisson). La résistance globale et la ductilité du support sont ainsi

accrues.

Une rupture ductile est toujours préférable à une rupture fragile (soudaine).

Il est important de bien définir l’étendue du renfort. On recommande qu'il soit réalisé du niveau touché jusqu'aux

fondations.

Si le renforcement se fait sur plusieurs niveaux consécutifs il est recommandé d’assurer une continuité structurelle.

Renfort de supports par profils acier Le renfort est effectué au moyen de profils acier laminés, généralement angulaires et placés sur les angles du

support.

Ils sont liés au moyen de cages soudées aux profils.


Figure 2.5 Confinement de supports par cages.

L'avantage de cette technique se trouve dans le faible impact dimensionnel provoqué, les profils angulaires ne

requièrent en effet pas une épaisseur importante.

Deux facteurs améliorent l'efficacité du système. Le premier, se produisant naturellement, est le retrait de la

soudure qui augmente l'emprisonnement du support. Le deuxième est la dilatation propre des métaux. Les cages

sont préchauffées avant d’être soudées, un retrait se produisant postérieurement.

Il est également possible d’utiliser des cages réglables par boulonnage. Elles nécessitent cependant plus de mise

en œuvre.

La tête de poteau est composée de profils angulaires soudés aux premières cages et collés au niveau du nœud

supérieur. Il est également recommandé de coller les profils angulaires sur les 40 premiers centimètres supérieurs

du support. C’est en effet à ce niveau que se produisent les plus grandes contraintes tangentielles.

Renfort de support au moyen d’un enrobage en béton armé La limite de ce système est l'épaisseur nécessaire pour obtenir des améliorations de résistance significatives. On

considère qu'une épaisseur minimale sera de l’ordre de 10cm ; l'utilisation d'additifs ou plastifiants permet de

réduire cette épaisseur à 6cm. Une chemise en béton armé correctement exécutée peut permettre d’obtenir

jusqu’à 60% d'augmentation de résistance, valeur plus élevée qu’avec la technique de profils acier.

Le ferraillage additionnel doit être longitudinal et transversal (dense). L'effet de ces cages d’armatures lié avec le

retrait propre du béton crée l'emprisonnement du support.


Figure 2.6 Confinement des ppoteaux par enrobage en béton armé.

En tête de poteau, il est nécessaire d’avoir une continuité physique entre le renfort et le nœud (poutre-poteau) ; il

est donc recommandé de couler séparément la partie supérieure du support (sur 30cm environ). Afin de garantir la

transmission des efforts transversaux il est nécessaire d’apporter une grande vigilance à l'exécution de la liaison

entre le béton de la chemise et celui du support. Les facteurs principaux sont la propreté, l’application des couches

d'adhésif ou la rugosité de surface du béton original. Il est également possible de supprimer le béton de

recouvrement original et lier par soudure les nouvelles armatures à celles du support.

1.2.3. Renfort de planchers et dalles en béton armé

Le renfort de ce type d'éléments constructifs est sensiblement différent de celui des éléments précédents.

Les planchers et dalles nécessitent le renfort de grandes surfaces en plus de devoir déposer les revêtements de

sol et cloisons. Ces aspects entrainent des coûts de renforts importants.

Nous différentierons les renforts pour éléments soumis en flexion simple des renforts pour éléments soumis en

flexion et effort tranchant.


Renfort de planchers et dalles en flexion Ce type de renfort se base sur une armature additionnelle sur une des deux faces du plancher par enrobage ou

par collage de bandes d'acier au moyen de résines époxy.

Renforts par enrobage supérieur

La mise en place d’une armature en partie supérieure du plancher augmente de manière considérable la

résistance aux moments de flexion « négatifs » et partiellement celle des moments de flexion « positifs ». Cette

technique est recommandée pour des planchers continus. Le transfert d'efforts entre le plancher et son renfort est

garanti par leur grande surface de contact et la répartition des efforts tangentiels.

En cas de concentrations de contraintes on favorise l'union entre plancher et renfort avec des résines.

Renforts par enrobage inférieur Le renfort par enrobage inférieur se réalise par projection de béton ou par application de mortier après mise en

place des armatures de renfort.

En comparaison avec le système de renfort précédent, l’enrobage inférieur n’est pas communément employé.

Son exécution ne requiert pas la dépose des revêtements de sol et est sensiblement moins laborieuse que la

précédente solution. Apparaissent cependant des problèmes de transmission d'efforts ; il faut donc garantir la

liaison entre l'élément et son renfort. Le transfert d'efforts entre le plancher et son renfort est garanti par leur

grande surface de contact et la grande répartition des efforts tangentiels.

Renfort par bandes d'acier collées Ce type de renfort requiert des adhésifs de grande qualité ; les plus utilisées sont les résines époxy. Cette méthode

est principalement utilisée pour des planchers isostatiques à nervures ou possédant des éléments d’allégement.

Le renfort par bandes collées présente le problème de la concentration de contraintes, puisque la surface de

contact est relativement faible. La qualité de l'adhésif est ainsi essentielle.

Renfort de planchers à l’effort tranchant et/ou lon gitudinal. Le renfort à l’effort tranchant est généralement nécessaire pour les planchers à nervures et allégés.

La technique la plus habituelle est l’augmentation de section du plancher dans les zones requises et l’élimination

des éléments légers. Afin d’obtenir un plus grand effet de renfort, des goupilles sont généralement utilisées et

agissent comme armatures transversales.

Une autre technique est la disposition de plaques métalliques sur les deux faces du plancher. Ces plaques sont

fixées par des goupilles vissées.


1.2.4. Renfort de structures en béton dégradées par corrosion des armatures

La perte de résistance d’une structure suite à la corrosion des armatures est une problématique différente des

dommages de nature mécanique (exemple un séisme). Une fissure provoquée par la corrosion d’armatures ne doit

pas être comblée par de la résine, comme c’est le cas pour des fissures d’origine mécaniques ; cela peut être en

effet être fortement préjudiciable générant des élévations de contraintes internes par le blocage de l’expansion des

éléments corrodés. Avant d’effectuer une réparation, il est ainsi conseillé de suivre pas à pas une méthodologie

rigoureuse, dont les étapes sont :

1. Identification des zones corrodées

2. Assainissement de la structure :

a) Nettoyage et extraction du béton endommagé

b) Nettoyage des oxydes de fer (rouille) et autres substances générées par les armatures

c) Remplacement ou ajout d'armatures

3. Passivation des armatures

4. Application de l’interface adhérente

5. Régénération du béton

6. Application éventuelle d'un revêtement pour une protection superficielle

Les techniques utilisées dans chacune de ces phases peuvent varier selon l’état de la structure. Une bonne

inspection des zones corrodées et de la structure est donc nécessaire pour déterminer les méthodes adéquates :

accessibilité, détermination de l'agent agressif, distribution des efforts et des déformations appliquées à l’élément,

etc. L'expérience acquise au cours des années est aussi un atout majeur au moment de planifier la réhabilitation.

Des techniques électrochimiques de protection anticorrosion ont été récemment développées : protection

cathodique, réalcalinisation ou extraction des chlorures. Ces méthodes peuvent s’appliquer dans le cas de

structures en environnement particulièrement agressif ou dont la restauration est délicate.

1.3. Polymère renforcé de fibres (FRP) Le développement de la science des matériaux a permit l'apparition du concept de « composite ». Le monde de la

construction, non étranger à cette évolution, a employé très tôt ces matériaux composites au travers de ses

technologies et techniques. Dans le domaine du renforcement et de la réhabilitation, le FRP (Fibres Reinforced

Polymer) est le matériau dont l’irruption a été la plus marquée. L'association de fibres et d’une matrice mère

permet d’obtenir de bons résultats en renforcement sans accroissement de poids ni de modifications excessives

des éléments originaux.

1.3.1. Le matériau

Le FRP étant un composite, une bonne compatibilité entre les divers matériaux qui le composent est exigée mais

aussi avec l’élément à renforcer : en effet, une matrice compatible avec les fibres peut être incompatible avec la

structure support. Un autre aspect fondamental dans le choix des matériaux constitutifs du FRP est l'état de


tension dans lequel il va être introduit et le comportement attendu de ce renforcement en usage : travail en

compression, charges latérales, etc. Pour cela, des expérimentations sur le béton et autres structures de pose ont

permit d’établir, pour des applications données, les meilleures combinaisons en terme de composition.

Ce paragraphe traite brièvement des trois différents éléments constitutifs : les fibres, la matrice et l’adhésif.

Les fibres

Les fibres constituent le principal élément résistant du FRP. Leur diamètre varie entre 5 et 25 µm. Elles présentent

une bonne résistance à la traction en même temps qu'un comportement élastique linéaire jusqu'à leur rupture. Au

niveau de leur nature chimique, elles peuvent être de carbone (CFRP), de verre (GFRP), d’acier, de graphite ou

encore d’aramide (AFRP) ou de basalte.

Différentes type de fibres (longueur, composition) sont disponibles pour chaque nature chimique différente.

Figure 3.1 Courbes contrainte-déformation de différentes fibres.

Les fibres de carbone peuvent être obtenues à partir de brut de pétrole ou de charbon, ou bien de manière

synthétique au moyen de polyacrylonitrile. Ces dernières possèdent de meilleures caractéristiques mécaniques

que les précédentes.

Les fibres de verre présentent une plus faible résistance mécanique mais une plus grande déformabilité, ce qui les

rend attrayantes pour certaines utilisations. Le plus grand inconvénient des fibres de verre reste leur dégradation

par des phases alcalines si elles ne sont pas correctement protégées.

Les fibres d’aramide ont une structure anisotropique : leurs caractéristiques mécaniques se trouvent à un niveau

intermédiaire entre les deux matériaux précédents (voir tableau 3.1).


Matériau Module élastique (kN.mm -2)

Résistance à la rupture (N.mm -2)

Déformation à la rupture (%)

Carbone Haute résistance 215 – 235 3500 – 4800 1,4 – 2,0 Ultra haute résistance 215 – 235 3500 – 6000 1,5 – 2,3 Haut module 350 – 500 2500 – 3100 0,5 – 0,9 Ultra haut module 500 – 700 2100 – 2400 0,2 – 0,4

Verre E 70 – 75 1900 – 3000 3,0 – 4,5 AS 70 – 75 1900 – 3000 3,0 – 4,5 R 85 – 90 3500 – 4800 4,5 – 5,5

Aramide Faible module 70 – 80 3500 - 4100 4,3 – 5,0 Haut module 115 - 130 3500 - 4100 2,5 – 3,5

Tableau 3.1 Caractéristiques mécaniques de différentes fibres en fonction de leur type. Les fibres de basalte n'étaient pas très répandues lors des premières recherches de développement des FRP,

essentiellement car ce matériau présentait des difficultés d'élaboration. De nos jours, ce sont les principales fibres

utilisées dans les renforcements de type TRM (voir § 4).

La nature des fibres est importante car elle conditionne le comportement mécanique du composite et influence sa

durabilité.

Leur module d’élasticité et leur capacité à se déformer vont conférer au béton renforcé sa ductilité et par cela

augmenter sa résistance à l’application à des charges extérieures.

Figure 3.2 Influence du module d’élasticité des fibres sur le comportement contrainte/déformation du béton

renforcé [Li et al., 2003a].

La matrice

La matrice d'un FRP est un polymère, thermostable (le plus fréquent) ou thermoplastique. Les fonctions premières

de la matrice sont d'assembler les fibres, de les protéger des attaques externes et de redistribuer les charges

subies par le renforcement entre elles. La nature du matériau matriciel est déterminante car elle contribue à la

résistance transversale et à l’effort tranchant.

Le processus d’application du renfort dépend essentiellement de la matrice et de ses propriétés comme sa

température de traitement, sa viscosité ou sa réactivité. Les résines époxys, vinyles, polyesters et phénoliques


sont les plus utilisées en tant que polymère thermostable du fait de leur bonne résistance à l'attaque chimique.

L’utilisation du renforcement conditionne aussi le produit à employer. Par exemple, les époxys possèdent de

meilleures propriétés mécaniques que les autres résines, mais sont aussi plus chères. D'autre part, les résines à

base phénoliques résistent mieux à des températures importantes.

L’adhésif

La principale fonction des adhésifs est de transmettre les efforts depuis l'élément à renforcer au FRP de la manière

la plus effective possible. Le type de colle le plus employé reste l'époxy, mélange d’une résine époxy et d’un

durcisseur. Pour l’application, il faut tenir compte de deux contraires temporaires : le temps de mélange et le temps

de pose. Le premier est déterminé par la durée entre le moment où les composants sont mis en contact et le

moment ou le mélange est durcit. Le second est la durée depuis l’application de l'adhésif sur le substrat jusqu'à ce

le matériel de renforcement soit mit en place. Il est capital de connaître la température de transition vitreuse de

l'adhésif (Tg). A partir de ce point de température, son comportement varie significativement : plus élastique, plus

malléable et beaucoup moins résistant. Il est donc nécessaire de contrôler cette valeur pour vérifier que la

température du point d'application est supérieure à la température Tg.

Une étude compare trois natures différentes de résines pour FRP : époxy traditionnelle, résine thermoactivée et

résine photocatalytique (durcissant sous UV) [Li et al., 2003b]. Des recommandations d’utilisation sont formulées

au regard des analyses coût/performances de ces matériaux : mise en œuvre, effet sur la résistance de l’élément

renforcé, durabilité. Il apparaît que la résine thermoactivée renforce mieux du fait de sa pénétration plus aisée dans

les microfissures du fait de sa température d’application, mais elle s’avère être la plus chère et nécessite pour son

application du matériel bien spécifique. Le meilleur compromis est donc celui du choix de la résine

photocatalytique.

Le composite

Les propriétés du composite peuvent être décrites par la loi des mélanges, bien que d'une manière quelque peu

précaire. Le fournisseur indique les caractéristiques du FRP, des conseils d’application et parfois des données sur

les fibres auxquelles il faudra appliquer un coefficient de réduction.

1.3.2. Contribution du FRP au renforcement Ce paragraphe expose succinctement de quelle manière l’enchemisement par un polymère renforcé de fibres

d’une colonne de béton contribue à améliorer ses propriétés mécaniques. Ceci facilitera la compréhension de

l’influence des différents paramètres caractéristiques du FRP sur les propriétés de confinement d’un élément de

structure en béton exposée ci-après.

La littérature est riche d’analyse pour différentes structures et différentes contraintes mais nous nous limitons

volontairement à l’exemple d’éléments de structure type colonne ou poteaux en béton (armé ou non) soumis à une

charge uniaxiale de compression. En effet, c’est cette configuration qui sera testée dans la phase expérimentale de

ce programme.


Le renforcement par FRP est une solution performante utilisée lors de réparation suite à des tremblements de terre

([Promis et al., 2009], [Tastani et al., 2008]). De nombreuses études sont donc menées sur l’effet du renforcement

sur la résistance à des contraintes excentriques comme celles rencontrées lors de tels événements mais non ne

considérerons pas ici cette thématique puisque la problématique sismique n’est pas une contrainte majeure dans

nos régions.

Une éprouvette en béton soumise à une charge uniaxiale de compression se dilate latéralement sous la contrainte.

Figure 3.3 Contrainte et déformation d’une éprouvette cylindrique soumise à une charge uniaxiale de compression.

L’enchemisement par un FRP permet donc de retarder la dilatation latérale de l’éprouvette de béton en la

confinant, limitant la propagation de fissures internes ce qui repousse la charge nécessaire à la rupture du béton.

(I) : Application d’une charge en surface d’une colonne. (II) : Initialisation de fissures depuis le haut et le bas du renfort. (III) : Propagation des fissures vers le milieu de la colonne enveloppée. Figure 3.4 Mécanisme de rupture d’un béton enveloppé d’un FRP soumis à une charge de compression.

Le mécanisme de rupture suggère que le dimensionnement du renfort ne devrait pas être basé uniquement sur la

résistance à la rupture ou sur la déformabilité de l’enveloppe de renfort et que les gains de résistance devraient

être réduits selon l’augmentation de la friabilité et de l’excentricité du béton [Parvin et al., 2005].

D’autres paramètres sont à prendre en compte comme nous le détaillerons ci-dessous.


Figure 3.5 Modes de rupture d’un béton renforcé par un FRP à base de fibres de verre et de résine époxy soumis

à une charge de compression [Lau et al., 2001]. Les courbes de déformation en fonction de la contrainte de compression d’éprouvettes de béton renforcées

présentent trois régions distinctes [Li et al., 2003a] :

• une première zone similaire à celle d’un béton non renforcé, elle représente donc la réponse du béton à la

sollicitation,

• une zone intermédiaire de transition plus ou moins importante selon la présence d’armatures,

• une troisième zone pseudo-plastique caractéristique du FRP : une fois seulement le béton endommagé le

renforcement prend le contrôle des déformations de l’éprouvette et sa participation à la résistance peut

être mesurée. La forme et la pente de cette droite dépendent de la rigidité du renforcement.

L’effet du renforcement sur la résistance limite à la rupture est d’autant plus important que le béton initialement est

résistant [Parvin et al., 2006].

Figure 3.6 Influence de la résistance initiale du béton sain sur la résistance axiale du béton renforcé pour différents

confinements [Berthet et al., 2005].

Epaisseur du renforcement

L’épaisseur du renforcement conditionne le confinement de l’éprouvette et donc améliore sa résistance à la

contrainte axiale. Il a été prouvé que, et ce quelque soit la nature du FRP, plus l’épaisseur du renforcement

augmente, plus la résistance à la compression du béton enchemisé s’améliore [Parvin et al., 2005].


Figure 3.7 Influence de l’épaisseur du FRP sur le comportement contrainte/déformation [Li et al., 2003a].

Cependant, les résultats d’une étude canadienne montrent que les gains en résistance ne sont pas linéairement

reliés à l’épaisseur de l’enveloppe de renfort : aucune proportionnalité entre ces deux paramètres n’a donc pu être

établie [Shrive et al., 2003].

L’épaisseur du renfort est pourtant limitée car au-delà d’un certain nombre de couches la ductilité du renfort se

trouve affectée et donc il sera moins performant car moins apte à se déformer pour confiner le béton [Rochette et

al., 2000].

Orientation des fibres

L’orientation des fibres joue sur leur module élastique (voir figure 3.8).

Figure 3.8 Influence de l'angle d'orientation des fibres sur la valeur du module élastique.

La direction d’orientation des fibres par rapport aux efforts appliqués à la structure est capitale car elle conditionne

les performances du renforcement.

Certains FRP ont des fibres dans une seule direction, d'autres intègrent un tissu qui reprend autant d’efforts

longitudinaux que transversaux. Il existe même des FRP dont les fibres sont orientées à 45º (l’orientation est

définie par rapport au plan horizontal de coupe de l’élément à renforcer), mais leur utilisation est réservée à des

structures hautement techniques et donc moins répandue.


Figure 3.9 Influence de l’orientation des fibres du FRP sur le comportement contrainte/déformation [Li et al.,

2003a].

Diverses études scientifiques ont été menées sur ce sujet de l’orientation des fibres. Afin de confiner au mieux une

colonne de manière latérale, les fibres du renfort sont traditionnellement orientées selon la circonférence de celle-

ci.

Il a été observé que les fissures internes générées par l’application de la charge et menant à la rupture du renfort

se développaient à 45° par rapport à leur orientati on. Des études ont donc prouvé que le renfort pouvait être

optimisé par l’application de différentes couches d’orientation différentes [Parvin et al., 2005]. Pour une même

épaisseur de renfort, la configuration 0°/45°/0° s’ avère meilleure que 45°/0°/45° et celle de référenc e 0°. Ces

résultats sont complétés par une étude pour une configuration 0°/15°/0° qui améliore les performances comparée à

une simple orientation circulaire, mais moins que pour des configurations utilisant l’orientation à 45° [Parvin et al.,

2006].

Longueur du FRP

Une étude relate que, bien qu’une augmentation de l’épaisseur du renfort soit bénéfique pour améliorer la

résistance, il n’en n’est pas toujours de même pour la longueur [Lau et al., 2001]. En effet, pour les FRP à fort

module et à faible nombre de couches au-delà d’une certaine longueur, dont les auteurs proposent une méthode

de détermination, des contraintes négatives apparaissent dans la circonférence de la colonne, détériorant les

propriétés de résistance et menant à une rupture rapide. Ces contraintes sont dues à l’apparition de microfissures

en haut et en bas du renfort là où le renforcement subi les contraintes radiales maximales.

Figure 3.10 Effet de l’état de la longueur de liaison et du module élastique sur les contraintes circulaires [Lau et al.,

2001].


Adhésion entre le béton et le FRP

L’état de l’interface entre le béton et le FRP et plus particulièrement la liaison entre les deux éléments est

évidemment un des principaux paramètres gouvernant l’efficacité du renforcement [Li et al., 2003a].

Figure 3.11 Effet de l’état de liaison sur le comportement contrainte/déformation [Li et al., 2003a].

D’autre part, Li et al. montrent que plus la liaison est parfaite, plus les fibres orientées de façon axiale sont

efficaces que celles orientées circulairement. Au contraire, si l’adhésion du renfort sur le béton est mauvaise alors

l’orientation des fibres importe peu sur les performances du renfort.

1.3.3. Application du FRP Le choix du système de renforcement dépend fondamentalement du type de sollicitations auxquelles est soumis

l’élément à renforcer ainsi que ses caractéristiques géométriques et physiques.

Dans ce paragraphe seront différenciés les systèmes in-situ et des systèmes préfabriqués.

Les systèmes in-situ consistent à appliquer une « feuille » ou un tissu de fibres, unidirectionnel ou orientable, sur le

substrat déjà imprégné de résine. Si besoin est, on ajoutera ultérieurement davantage de résine pour obtenir un

meilleur recouvrement du tissu et ainsi augmenter son comportement mécanique.

Dans un FRP préfabriqué les fibres sont déjà absorbées dans la matrice de résine, il ne reste plus qu’à assurer

son adhésion avec l'élément à renforcer. Ces éléments peuvent se présenter sous forme de bandes, plaques,

chemises ou barres.

Il est aussi important de différencier les techniques courantes (de base) et particulières. Les premières consistent à

appliquer le FRP, in-situ ou préfabriqué, de manière manuelle. Dans cette technique on place les fibres les plus

parallèlement possibles à la direction principale des tensions.


Figure 3.12 FRP appliqué in-situ (gauche) et technique sur précontrainte (droite).

Les techniques particulières (cas limités) sont fonction de la géométrie de l'élément à renforcer. Parmi ces

techniques d’application on peut mentionner celles liées à l’application d’une enveloppe automatique, de FRP

précontraint, de FRP chauffé, de FRP préfabriqués de manière complexe, des « near-surface-mounted barres » ou

encore l’enchemisement par mortier.

Dans le paragraphe suivant seront exposés différents exemples.

1.3.4. Systèmes de renforcement avec FRP

Le choix de la technique dépend de la géométrie de l'élément original ou du type de sollicitation à laquelle on veut

faire face. Ce paragraphe aborde ce dernier aspect.

Éléments en flexion

L'élément de flexion le plus couramment renforcé par FRP est la poutre. Le système est simple : on colle le

renforcement à l'élément de sorte que les fibres soient orientées de la même manière que les efforts. La technique

la plus commune consiste à positionner le FRP dans la zone de sollicitations de moments positifs. Son application

est facile bien qu'il faille prendre soin de coller correctement le renforcement sur toute sa longueur car dans cette

zone des concentrations de tensions apparaissent de manière privilégiée et facilitent le décollage du FRP,

notamment à ses extrémités. Un système performant permettant d'éviter cet effet négatif est les « near-surface-

bonded » barres, récemment mise au point. Dans cette technique, le FRP est une barre préfabriquée qui est

introduite dans une cavité de même forme (préalablement réalisée) et totalement liée au reste de la poutre.

L’adhésion entre la poutre et le renfort est améliorée du fait qu'on augmente la surface de contact entre les deux

éléments sans employer une bande de FRP de plus grande section. Le principal inconvénient de ce système est le

besoin de devoir perforer la poutre, les armatures et les étriers pouvant être endommagés à cette occasion.


Figure 3.13 Near-surface-mounted bars.

L’utilisation de FRP précontraint ou traité par chauffage est également courante.

Les planchers peuvent également être renforcés avec ce type de composite. Dans ce cas la technique employée

est celle de la fixation de bandes de FRP dans des poutrelles si nous traitons de planchers à éléments légers ou

suivant les nervures dans le cas de planchers réticulaires. Pour des dalles en béton, il est possible d’utiliser des

lames à fibres multidirectionnelles.

Le renfort d’un support à la flexion est plus difficile à obtenir dû à la difficulté de liaison des FRP avec les nœuds.

Figure 3.14 Renfort face aux efforts de flexion au niveau du nœud poutre-poteau

Éléments soumis à effort tranchant ou flexion et ef fort tranchant

Le renfort à l’effort tranchant avec FRP est simple d’exécution en comparaison avec les méthodes traditionnelles et

est assez courant dans le monde de la réhabilitation.

Le schéma suivant présente plusieurs types de solutions pour le renfort de poutres en T à l’effort tranchant :


Figure 3.15 Différents types de renforts d’une poutre à l’effort tranchant

Les différents types répondent à des sollicitations particulières. Le renfort A est destiné à l’effort tranchant, le B

contribue également au renfort à la flexion. Pour cette technique, l'utilisation de FRP préfabriqué est très commune

étant donné sa simplicité d’exécution.

Figure 3.16 FRPs préfabriqués.

Il apparait parfois nécessaire de confiner les supports (poteaux) pour les renforcer à l’effort tranchant. Cette

technique sera traitée dans le point suivant puisque elle contribue aussi à l’augmentation de la résistance en

compression.

Figure 3.17 Entre les zones marquées en rouge, l’application d’un FRP orientable est nécessaire.


Il est recommandé que les fibres soient bidirectionnelles au niveau du nœud, orientées tant dans le sens de la

poutre que du support.

Confinement du support

Le confinement avec FRP est principalement utilisé pour des éléments en compression afin d'augmenter leur

résistance face à ce type de contrainte et leur comportement ductile. L'utilisation de FRP pour confiner les supports

présente de nombreux avantages comparée à l'emploi d'acier. Tandis que l'acier maintient une tension de

confinement constante, le FRP présente un comportement élastique qui provoque un accroissement de l'action de

confinement sous dilatation. En contrepartie, le FRP présente une rupture moins ductile que l'acier. Il contribue de

plus à éviter le glissement de barres dans des points où la longueur de joint n'a pas été bien conçue et retarde

l'apparition de flambement. Le confinement peut être réalisé par tronçons, en spirale ou peut couvrir toute la

surface du support selon les résultats attendus. L'utilisation de FRP préfabriqués est relativement répandue dans

cette technique.

Figure 3.18 Enchemisement avec FRP préfabriqué (gauche) et in-situ (droite).

1.3.5. Durabilité du FRP

La durabilité d’un matériau désigne sa capacité à maintenir au cours du temps ses propriétés caractéristiques pour

lequel il est employé.

Les FRP sont des matériaux composites donc hétérogènes. Ils sont susceptibles de s’endommager de différentes

façons, au niveau de chacun de ses constituants (fissuration interne de la résine de polymère, rupture des fibres,

etc.) et à l’interface entre ses constituants (délamination). Ces détériorations peuvent êtres dues à des

modifications physiques et/ou chimiques des constituants. Elles résultent essentiellement en une perte

d’adhérence avec le béton support, une diminution de la liaison entre les fibres et la matrice, une réduction de la

résistance et du module d’élasticité.

Aussi, les effets de l’environnement externe sur la capacité de confinement du béton par le FRP sont étudiés.

Cette technique de réhabilitation étant relativement récente, il n’existe pas de retours d’expérience in situ : des

études expérimentales en conditions environnementales accélérées sont donc menées.


Durabilité sous climat froid

La durabilité sous climat froid est éprouvée par une exposition prolongée à des températures extrêmes (- 18°C ou

– 40°C) ou par des cycles (environ 300) de gel/dége l (de -18°C à 15°C).

Lors d’une exposition de longue durée au froid, la résistance mécanique du béton réparé n’est pas affectée par la

température et peut même être améliorée par rapport à celle du béton de référence (béton réparé conservé à

température ambiante) : cet accroissement est dû au durcissement de la matrice du FRP à basse température qui

augmente la rigidité du renforcement dans la région plastique. Cependant, le mode de rupture des bétons

renforcés devient fragile à basse température : la rupture est soudaine et brutale et ceci peut devenir

problématique car aucun signe avant coureur n’apparait et une simple inspection visuelle de la structure ne suffit

pas à prévenir la rupture. Lors de la diminution de la température la rigidité des fibres augmente. Le transfert des

contraintes de la matrice aux fibres n’est plus continu et peut devenir préjudiciable [Green et al., 2006].

Par contre, l’alternance de gel et dégel diminue la capacité mécanique du béton enrobé par des FRP, notamment

car les liaisons à l’interface entre le béton et le renforcement sont rompues suite à l’expansion puis la rétraction

des matériaux avec la température qui ne se fait pas de la même manière pour le béton et le composite étant

donné leurs différents coefficients de dilatation thermique. Cet effet est plus marqué pour les polymères à fibres de

verre que pour ceux à fibres de carbone car plus rigides et plus sensibles à l’humidité [Belarbi et al., 2007].

Durabilité en milieu corrosif

La corrosion du béton est due à la pénétration de chlorures (provenant du milieu marin, de sels de déverglaçage,

etc.) ou la carbonatation du béton. Ces deux phénomènes sont gouvernés par la porosité du béton. La question est

de savoir si le renforcement d’éléments fragilisés par la corrosion va stopper ou non leur corrosion.

Green et al. soumettent différentes éprouvettes (enveloppées de FRP, non enveloppées ou enrobées en cours

d’expérience) à une ambiance corrosive (solution saline à 40°C). Ils mesurent au cours du temps le cou rant de

corrosion résultant [Green et al., 2006].

Figure 3.19 Effet de la corrosion sur différents éléments réparés par FRP [Green et al., 2006].

L’application de FRP, et ici même si elle survient après 200 jours de corrosion, permet de diminuer le courant de

corrosion à une zone de valeurs pour lesquelles la vitesse de corrosion est très faible et non menaçante. L’action


anticorrosive de l’enveloppe réside essentiellement en la barrière physico-chimique que constitue sa compacte

couche de résine.

Dans le cas de renforcement d’éléments corrodés, deux techniques d’enrobage sont utilisées :

• Enveloppement après déchloruration par des méthodes électrochimiques de l’élément,

• Enveloppement immédiat.

La première est bien sûre conseillée si le milieu environnant est particulièrement agressif et induit une corrosion

rapide. La deuxième, recommandée dans des cas moins préjudiciables, nécessite néanmoins une surveillance par

inspection ou monitoring des éléments réparés. Bien que l’enchemisement par FRP isole le béton du milieu

extérieur et le protège ainsi de la pénétration d’agents extérieurs, la corrosion dans les éléments enveloppés

perdure si le nécessaire n’est pas fait car l’humidité emmagasinée et avec tous les éléments corrosifs dissouts

dans cette phase aqueuse sont désormais confinés par le renfort et prolongent leur attaque.

Durabilité dans le milieu environnant

Le milieu environnant peut aussi être plus ou moins agressif selon si ce milieu, aqueux ou gazeux, contient des

agents agressifs tels que les acides, les sulfates, le dioxyde de carbone, etc.

Des études comparant la durabilité de renforcements GFRP et CFRP ont montrées que les fibres de verre étaient

sensibles à l’humidité et se dégradaient dans des solutions salines [Belarbi et al., 2007].

Une autre étude souligne que la durabilité des fibres n’est pas l’unique paramètre déterminant [Toutanji, 1999] :

deux types de fibres (carbone et verre) sont testés dans deux résines différentes (époxy et polypropylène diamine).

Les bétons renforcés subissent des cycles de séchage/humidification (300) dans de l’eau de mer à 35°C. Le

comportement des bétons renforcés est similaire à celui de référence avant de subir des cycles. Pour les bétons

renforcés ayant subi un vieillissement, on observe que pour les fibres de carbone les résultats sont identiques

quelque soit le type de résine alors que pour les fibres de verre la nature de la matrice importe (le renforcement est

meilleur pour le couple fibre de verre/ polypropylène diamine).

Résistance au feu

La résistance au feu est une problématique importante car les éléments à renforcer ; qu’ils se trouvent à l’intérieur

de parkings, d’habitations ou qu’ils soient des éléments de tunnels ou de ponts ; doivent garantir un maintien

structurel pendant une certaine durée en cas d’incendie. D’autre part, les matériaux de construction doivent limiter

au maximum la propagation des flammes et leur combustion ne doit pas générer ni de fumées toxiques ni

d’émanations dangereuses. Ces points sont critiques pour des matériaux chimiques tels que les polymères

renforcés de fibres.

Les FRP sont très sensibles à l’élévation de température : dès que la température approche celle de transition

vitreuse des fibres, de la matrice ou encore de l’adhésif (Tg, généralement entre 65 et 100°C pour les matériaux ici

traités), le composite se détériore : la rupture des liaisons chimiques rend le renforcement totalement inutile.

En l’absence de données, les FRP sont déclarés inefficaces vis-à-vis de la résistance au feu.


Des produits spécifiques d’isolation des FRP on été développés par des industriels pour leur conférer une tenue au

feu. Ils ont été testés lors de simulation d’un incendie sur différentes colonnes en isolation d’une ou deux couches

de renforts CFRP ou GFRP (respectivement numérotée 1, 2, 3 et 5 sur la figure suivante) et comparée à une

colonne renforcée non isolée (colonne 4) [Green et al., 2006]. L’isolant est un mortier contenant des fillers et des

hydrofuges spécifiques.

Figure 3.20 Tenue au feu pour différents éléments renforcés et isolés par FRP [Green et al., 2006].

Les résultats présentés sur la figure précédente démontrent que sans isolant la résistance au feu d’une colonne

renforcée est pratiquement nulle alors qu’avec un isolant la tenue au feu de la colonne renforcée permet

d’atteindre les niveaux règlementaires d’endurance.

Il faut donc adapter le type de fibres, de polymère et d’adhésif en fonction de l’environnement extérieur auquel sera

exposé le renforcement et des contraintes mécaniques subies par l’élément en béton.

L’inspection et la maintenance sont des aspects clef pour assurer la pérennité des structures renforcées afin de

prévenir tout désordre. Une inspection uniquement visuelle n’est pas envisageable car les renforcements

masquent les signes de dommages (fissuration, délamination, …) qui surviennent le plus souvent dans le béton ou

à l’interface entre le béton et le renfort. Un suivi par thermographie ou radar est conseillé [Arya et al., 2002].

1.4. Textile-Reinforced Mortar (TRM) L’utilisation des FRP dans les domaines du renfort et de la réhabilitation a constitué une grande avancée. Pourtant,

peu d’améliorations ont été amenées pour palier leurs limites : bien que l’emploi des FRP soit rapide et permette

un accroissement de la résistance mécanique sans augmenter le poids de la structure, certains inconvénients

majeurs subsistent. Les plus importants sont :

• le comportement limité des résines époxy à hautes températures, surtout si la température de transition

vitreuse est dépassée,


• la destruction du renforcement par le feu : en cas d'incendie les températures importantes dégradent la

matrice polymérique annihilant l’action du renforcement,

• le coût important de l'époxy comparativement à d'autres matériaux.

• la mauvaise applicabilité des résines époxy sur des surfaces humides ou à basses températures,

• la faible perméabilité à la vapeur du renforcement,

• l’incompatibilité des résines époxy avec certains supports,

• la perte d’esthétisme de la structure ou du bâtiment suite au renforcement.

Des points précédents, trois apparaissent comme particulièrement préjudiciables. Tout d’'abord le problème du

feu : la dégradation du FRP réduira la capacité portante du bâtiment, ce qui peut provoquer l'effondrement de ce

dernier. Ensuite, l'incompatibilité entre l'époxy et certains substrats : ainsi, le FRP ne peut s’appliquer sur la pierre

naturelle. À tout ceci il faut ajouter le désagrément visuel que peut provoquer un traitement par FRP sur un

bâtiment enrichissant le patrimoine culturel.

La somme de ces inconvénients démontre la nécessité de chercher une matrice inorganique qui remplacerait le

polymère sans susciter de problèmes similaires. Dans ce but, un nouveau système de renforcement structurel est

en cours de développement dans lequel du mortier est employé comme matrice pour les fibres. Ce produit est

appelé Textile Reinforced Mortar (TRM). Actuellement beaucoup de recherches sont menées sur ce matériau car

dès ses premières utilisations il a montré des résultats pleinement satisfaisants.

1.4.1. Le matériau Le concept de base du TRM est le même que celui du FRP : un réseau de fibres est incorporés dans une matrice

qui se charge de distribuer les efforts entre elles. C’est à ce titre un matériau composite.

Les fibres

Le TRM étant une amélioration basée sur le concept du FRP, il est logique que les matériaux employés pour ce

dernier type de renforcement soient aussi utilisés dans le TRM à l’exception des fibres de basalte dont l’emploi a

déjà été commenté. L'amélioration de la technique de synthèse de ces fibres et la fin de plusieurs brevets limitant

jusqu’alors leur développement ont catapulté l’utilisation ce matériau. En outre, un autre point à considérer est son

faible coût comparativement aux autres fibres.

Figure 4.1 Maillage de fibres de basalte dans deux directions.


Les fibres utilisées se présentent généralement sous forme de maillage ou de tissu afin de faciliter leur mise en

œuvre. Quelques fabricants de tissu de basalte sont arrivés à enrober de polymère le maillage, conférant ainsi une

plus grande cohésion au réseau de fibres, ce qui facilite son application tout en garantissant l’adhérence des

couches de mortier au travers des cavités de la maille.

La matrice

Le concept de TRM est apparu par la nécessité d'utiliser un matériau inorganique comme matrice. Il a été prouvé

que le mortier à base de ciment, matériau très conventionnel, était capable d'agir comme matrice de renforcement.

L'apparition sur le marché de mortiers modifiés avec des polymères a aussi décuplé le développement du TRM, en

obtenant des caractéristiques bien meilleures que celles d'un mortier conventionnel.

L’adhésif

Le TRM n'a pas besoin, en principe, d'adhésif puisque le mortier lui-même se charge d’assurer l’adhésion du

renfort sur le substrat. Généralement, on emploie uniquement une série de mortiers d'amorçage compatibles avec

la surface à renforcer. Un des points qui ont motivé la mise au point du TRM est le manque d’adhérence entre les

résines époxy et certains substrats. Ce nouveau produit à base de mortier peut être collé à ces substrats.

Cependant les niveaux d’adhérence des époxys ne sont pas atteints.

Le composite

Tout comme dans le FRP l'orientation des fibres va conditionner le comportement global du renforcement. Le

niveau de développement technique du TRM n’a pas encore atteint celui du FRP, la focalisation actuelle des

recherches sur ce nouveau matériau laisse supposer qu'à court terme sa caractérisation et sa maîtrise seront bien

meilleures que pour le FRP.

1.4.2. Application du TRM On pourrait penser qu’appliquer un mortier sur un béton ne nécessiterait pas autant de préparation que pour

l’application de l’adhésif du renforcement par FRP ; ce n’est cependant pas le cas car un très bon état de surface

est obligatoire.

Bien qu’une certaine rugosité soit nécessaire pour assurer l’accroche entre le mortier et la surface, il faut veiller à

éviter au niveau de la surface toute présence de poussière ou d’élément particulaires susceptibles de se détacher.

Suivant le type de substrat, un certain niveau de propreté est requis. Souvent le nettoyage est réalisé par la

projection de sable sous pression (sablage).

Pour l'application de la première couche de mortier, que ce soit le mortier d'amorçage ou le mortier matriciel, il est

nécessaire d’humidifier la surface du substrat pour éviter que celui-ci absorbe l'eau du mortier, ce qui modifierait

son dosage et par là même ses propriétés.


Figure 4.2 Tissu de fibre de basalte en attente d’être recouvert.

Une fois la première couche de mortier appliquée sous le maillage ou le tissu, en veillant à ce que les fibres soient

orientées en accord avec les contraintes du renforcement, les fibres sont recouvertes d’une autre couche de

mortier. Il est possible d'appliquer plusieurs couches de (tissu + mortier) pour augmenter les capacités du

renforcement.

1.4.3. Systèmes de renforcement avec TRM En comparaison avec les renforcements à base de résine (FRP), les résultats expérimentaux obtenus avec le TRM

montrent une plus faible augmentation de la charge maximale supportée, environ 65-70% en moyenne. De plus, le

renfort est plus ductile, ce qui est très avantageux dans le cas de renforcement dans des zones d'activité

séismique.

Éléments de flexion

La faible adhérence du mortier avec le béton limite l’utilisation du TRM comme renforcement en zone de flexion : il

n’est pratiquement pas employé sur des poutres car se détache de l'élément structurel dès que les efforts

appliqués deviennent importants.

En ce qui concerne les murs (principalement de maçonnés), cette technique a su trouver sa place. Elle est entre

autres un bon système d'alerte étant donné l'augmentation de la ductilité du mur et évitant sont écroulement

instantané.

Les parois subissent généralement des charges de compression verticales, souvent excentrées, et des charges

horizontales, induisant des efforts de flexion.


Confinement de support

L'idée de base de ce système est la même que pour le FRP : on cherche à obtenir une augmentation de la

résistance en compression et un comportement plus ductile face à la rupture. On n'obtient pas les mêmes niveaux

de résistance que pour les FRP, mais une augmentation considérable de la déformabilité. Dans ce cas, le support

est entièrement recouvert de TRM, en mettant autant de couches de tissu que nécessaire. Cette solution est très

intéressante en zone d'activité sismique importante, où un accroissement du comportement ductile est préférable à

une augmentation de la résistance.

Renforcement d’éléments de maçonnerie

Dans le domaine des structures du patrimoine historique, le TRM est particulièrement intéressant pour le renfort de

voutes et arcs.

Figure 4.3 Renforcement d'une chambre forte par TRM.

L'efficacité de ces techniques de renforcement repose sur des recherches expérimentales. Le TRM est un

matériau qui ouvre de nombreuses possibilités d’emploi et c’est pour cette raison que plusieurs équipes de

recherche, aussi bien institutionnelles que professionnelles, concentrent leurs efforts sur ce sujet. Il est à espérer

que durant les prochaines années, les problèmes et questions soulevées par l’utilisation des TRM soient résolues.


1.5. Acteurs et systèmes

1.5.1. Acteurs

Les nouvelles technologies de renfort FRP et TRM ont fait l’objet de nombreuses études scientifiques menées par

les centres techniques en collaboration avec des entreprises spécialisées.

Les différentes recherches menées par l’ensemble de ces acteurs ont conduit à une meilleure connaissance du

comportement de ces « nouveaux » systèmes et à leur fort développement sur le marché.

Acteurs de la recherche :

Le tableau suivant présente quelques acteurs de l’étude des FRP et TRM ainsi que des exemples de leurs

recherches :

Organisme Recherches SETRA LCPC (Laboratoire Central des Ponts et Chaussées)

Thèmes de recherche principaux : Réparation et renforcement des structures de génie civil par l’emploi de matériaux composites Renforcement des ouvrages en béton par collage de composites ERLPCOA54 Durabilité des renforts par composites collés (2008) 11N053 Essais de durabilité de renforts composite pour béton (essais sur béton, colle, renforts fibrés…) Béton entre 30 et 40 MPa

Université de Cergy Pontoise Essais sur éléments en béton renforcé Le LaMI (Ecole des Ponts et Chaussées)

Génie civil (structures béton) : o Modèle d'interaction substrat/colle/renfort composite o Mécanisme de pontage des fissures o Effets rhéologiques dans les éléments renforcés o Longueur de transfert - ancrage d'un renfort composite collé o Critère de rupture par "Peeling-off" o Méthode de dimensionnement de la zone d'ancrage

Laboratoire Mécanique, Matériaux et Structures

Etude du comportement à l’arrachement des renforts fibrés dans des matrices cimentaires.

IFTH Centre spécialisé dans les textiles. Etudie les textiles techniques et notamment les fibres carbone pour FRP et TRM (méthodes de tissage)

URGC Structures Tests de renforcements de dalles béton Université d’Artois Thèse David Emmanuelle - Comportement mécanique

de poutres en béton armé renforcées ou réparées par collage de matériaux composites - Etude expérimentale et modélisation

LABEIN - TECNALIA


Entreprises spécialisées :

Devant l’intérêt grandissant de l’utilisation des nouvelles technologies de renfort, un certain nombre d’entreprises

se sont spécialisées dans le développement de leurs propres produits et/ou dans la mise en œuvre des renforts.

Ces technologies demandant un niveau d’expertise certain, les entreprises spécialisées restent cependant peu

nombreuses. Par exemple :

- FORA (mise en œuvre) Sud Est. Renforcement de structures béton + démolition

- SCITECH Bâtiments (mise en œuvre) Aquitaine. Renforts carbone.

- Solétanche-Bachy (international)

- FREYSSINET (international)

- ETANDEX (national) www.etandex.fr

- FORTIUS (Belgique)

- SIKA (International)

1.5.2. Systèmes

Les différents systèmes ont pour la majorité été développé par les industriels de la chimie, des fibres, et de génie

civil.

Ci-dessous quelques exemples de produits :

Industriel Produit Type SIKA SIKA CARBODUR® Lamelles

SIKAWRAP tissus FRP FRP

BASF MBrace TRM FREYSSINET Gamme FOREVA:

Renfort armé d'un tissu de fibres de carbone (Foreva® TFC®) La lamelle pultrudée de fibres de carbone (Foreva® LFC ) Les joncs pultrudés de fibres de carbone (Foreva® RFC ) Renfort armé d'un tissu de fibres de Kevlar (Foreva® TFK)

FRP FRP FRP

SAINT GOBAIN SAINT GOBAIN Textiles solutions. FRP , TRM VETROTEX (Saint Gobain) ARCOTEX : fibres de verre - MAPEY tissus en fibres de carbone haute résistance (Mapewrap

C) gamme de plats en fibres de carbone préimprégnées de résine époxy (Carboplate)

FRP FRP

SPPM COMPODEX : Système constitué de plats pultrudés et d’équerres moulées en fibres de carbones imprégnés de résine époxy permettant le renforcement ou la réparation de structures en béton armé ou précontraint.

FRP

FORTIUS C-Sheet : Les laminés CFRP sont constitués de fibres de carbone unidirectionnelles noyées dans un réseau mince de fibres de verre assurant la cohésion

FRP


1.6. Bibliographie Arya C., Clarke J.L., Kay E.A., O’Regan P.D. (2002) – TR 55: Design guidance for strengthening concrete structures using fibre composite materials; a review- Engineering Structures, Vol. 24, p. 889-900. Baris Yalim, Ahmet Serhat Kalayci and Amir Mirmiran.- Performance of FRP-strengthened RC beams with different concrete surfaces. - Journal of Composites for Construction. Belarbi A., Bae S-W. (2007) – An experimental study on the effect of environmental exposures and corrosion on RC columns with FRP composite jakets – Composites - Part B: Engineering, Vol. 38, p. 674 – 684. Berthet J.F., Ferrier E., Hamelin P. (2005) – Compressive behaviour of concrete externally confined by composite jackets. Part A: experimental study– Construction and Building Materials, Vol. 19, p. 223 – 232. Green M.F., Bisby L.A., Fam A.Z., Kodur V.K.R. (2006) – FRP confined concrete columns: Behaviour under extreme conditions - Cement and Concrete Research, Vol. 28, p. 928-937. Karlos K., Papathanasiou M., Papanicolaou C.G. and Triantafillou T.C. (2007) - Textile Reinforced Mortar (TRM) versus FRP as strengthening and seismic retrofitting material of masonry structures. - FRPRCS-8. University of Patras, Greece. Lau K-T., L-M. Zhou (2001) – The mechanical behaviour of composite-wrapped concrete cylinders subjected to uniaxial compression load – Composite Structures, Vol.52, p. 189 – 198. Li G., Kidane S., Pang S-S., Helms J.E., Stubblefield M.A. (2003a) – Investigation into repaired RC columns – Composite Structures, Vol. 62, p. 83-89. Li G., Hedung S., Pang S-S., Alaywan W., Eggers J., Abadie C. (2003b) – Repaired of damaged RC columns using fast curing FRP composites – Composite. Part B: Engineering, Vol. 34, p. 261-271. Lorenzis, L. and Teng, J.G. (2007) - Near-surface mounted FRP reinforcement: an emerging tech for strengthening structures. - Composites: Part B, Engineering. Reparación y Refuerzo de Estructuras. Soluciones de Intervención. Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja Parvin A., Jamwal A.S. (2005) - Effects of wrap thickness and ply configuration on composite-confined concrete cylinders. – Composite Structure, Vol.67, p. 437 – 442. Parvin A., Jamwal A.S. (2006) – Performance of externally FRP reinforced columns for changes in angle and thickness of the wrap and concrete strength – Composite Structures, Vol. 73, p. 451 – 457. Promis G., Ferrier E., Hamelin P. (2009) – Effect of external FRP retrofitting on reinforced concrete short columns for seismic strengthening – Composite Structures, Vol.88, p. 367 – 379. Rochette P, Labossiere P. (2000) - Axial testing of rectangular column models confined with composites – Journal of Composite Construction, ASCE, Vol. 4, Issue 3, p.129–136. Shrive P.L., Azarnedjad A., Tardos G., McWhinnie C. and Shrive N.G. (2003) - Strengthening of concrete columns with carbon fibre reinforced polymer wrap. – Canadian Journal of Civil Engineering, Vol. 30, p.543-553. Tastani S.P., Pantazopoulou S.J. (2008) – Detailing procedures for seismic rehabilitation of reinforced concrete members with fiber reinforced polymers – Engineering Structure, Vol. 30, p. 450 – 461. Toutanji H.A. (1999) – Durability characteristics of concrete columns confined with advanced composite materials – Composite Structures, Vol. 44, p. 155-161. Triantafillou, T.C. (2006) – Strengthening and seismic retrofitting of concrete and masonry structures. – Civil Engineering Department, University of Patras, Greece.


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Picher, François. "Confinement de cylindres en béton par des composites carbone-époxy unidirectionnels", Maîtrise ès sciences appliquées, Université de Sherbrooke, Sherbrooke, Québec, septembre 1995.


2. PHASE 2 & 3: Bétons anciens et pathologies assoc iées

2.1. Introduction

Dans la première moitié du XXième siècle, le manque de moyens de recherche et de contrôle, le manque

d’expérience, de réglementation précise et un contexte économique difficile n’ont permis la production de béton

que de faible à moyenne qualité (utilisation de matières premières inadéquates, mauvaises formulations et mise en

œuvre). Les structures en béton armé construites à cette époque soufrent donc le plus souvent de pathologies

importantes entrainant la ruine du bâtiment et la nécessité de projets lourds de restauration.

Ces phases du projet avaient pour but :

- recueillir l’informations existante sur les bétons anciens

- mieux comprendre les pathologies liées à ces structures en béton armé

- évaluer l’adaptabilité des nouveaux renforts composites, les précautions à prendre pour leur utilisation sur

les structures anciennes.

- Faire le point sur les réglementations ayant existé en France et Espagne sur le béton et béton armé

L’étude s’est basée sur un ensemble de 29 constructions réelles construite avant 1970, ayant fait l’objet de projets

d’inspection et/ou réhabilitation par la fondation LABEIN-TECNALIA. Une fiche de renseignements a été ouverte

pour chaque projet.

2.2. Les réglementations anciennes (avant 1960)

2.2.1. En France En France, la réglementation autour du béton armé a vu le jour dès le début du XXième siècle. Les exigences de

cette réglementation n’étaient cependant pas élevées ni précises.

Ci-dessous les principaux textes réglementaires d’avant 1960 :

- Circulaire du 20 octobre 1906 (modifiée 1927) : Instructions relatives à l’emploi du béton armé

Cette circulaire définit les surcharges à prendre en compte dans les projets. Elle définit également, les

limites de travail et de fatigue du béton, les calculs de résistance du béton et structures, quelques données

constructives pour la mise en œuvre des armatures dans les éléments en BA

- Circulaire du 19 juillet 1934 : Nouveau règlement de béton armé de 1934, pour les ouvrages dépendant

du Ministère des Travaux Publics

Cette circulaire vient modifier la circulaire de 1906. Elle introduit notamment des exigences relatives à

l’enrobage des armatures, 35 mm en zone côtière et 20 mm ailleurs


- Règles BA 45 (1945) : Règles d’utilisation du béton armé applicables aux travaux dépendant du ministère

de la reconstruction et de l’urbanisme et aux travaux privés

Règles permettant le calcul du comportement du béton et le dimensionnement des structures en béton

armé

- Règles BA 60 (1960) : Règles pour le calcul et l’exécution des constructions en béton armé.

Actualisation des règles BA45

Les règles BA seront actualisées régulièrement jusqu’à l’adoption de l’Eurocode 2 en 2005. Les dernières

en date étaient les règles BAEL 1991 révisées 1999.

Les premières réglementations étaient donc toutes dédiées au béton armé, son calcul, son contrôle et sa mise en

œuvre laissant ouverte la fabrication du béton. L’utilisation de granulats inadéquats (ex sable de plage) est un des

exemples des conséquences de cette non réglementation.

Avant la norme européenne EN 206-1 « Béton - Partie 1 : spécification, performances, production et conformité »

de 2004, seule la norme NF P18-401 « Contenance des brouettes de dosage » de 1941 traitait du matériau béton.

Durant cette période, le béton et le béton armé ont fait l’objet de nombreux documents techniques non

réglementaires issus des premières recherches et/ou destinés à l’enseignement. Ci-dessous, quelques documents

significatifs ;

Documentaires / techniques Recherches sur la théorie des ciments armés / PLANAT PAUL. -Paris : Aulanier, 1895. - VI-226 p. Guide des constructeurs, traité complet des connaissances relatives aux constructions / CORDEAU A.L. ; MIGNARD R.. -Paris : E. Lévy;Librairie Centrale des Beaux-Arts, [1901-1904] Cours de béton armé / MESNAGER AUGUSTIN. -Paris : Dunod, 1921. - 534 p. Traité pratique des constructions en béton armé : ouvrage établissant des formules simples pour le calcul des organes et donnant des renseignements utiles à la rédaction des notes de calculs et à l'élaboration des projets / COSYN LÉON. -Paris : Béranger, 1925. - 280 p.

Résumé de béton armé : vérification rapide des ouvrages / LEFOL GASTON. -Paris : Eyrolles, 1930. - 132 p.-2 tabl. dépl. Etat actuel de la technique du béton armé / BRICE LOUIS-PIERRE. -Colombes : J. Bronfma, 1932. - 181 p. Nouveaux exemples pratiques de dispositions d'armatures dans les ouvrages en béton armé / KOUZNETZOFF V.L.. -Paris : Dunod, 1933. - 32 pl.-3 pl. dépl. Cours supérieur de béton armé / ESPITALLIER G. ; RÉGIMBAL M.. -Paris : Ecole spéciale des travaux publics, 1934. - 2 Vol. Précis pour le calcul du béton armé conforme aux instructions officielles françaises du 19 juillet 1934 / MASSON HENRI. -Paris : Eyrolles, 1947. - 151 p. Cours de béton armé professé à l’école d’ingénieurs de l’université de Lausanne/ 1950 Béton précontraint : étude théorique et expérimentale / Guyon G / 1958 Structures. Beauté des formes : le béton / CHAMBRE SYNDICALE DES CONSTRUCTEURS EN CIMENT ARMÉ DE FRANCE ; CHAMBRE SYNDICALE DES ENTREPRENEURS DE CONSTRUCTIONS METALLIQUES DE FRANCE. -Paris, Paris : R.L. Dupuy;Lahure, 1960. - non pag.-[28] pl.-[46]p.


2.2.2. En Espagne

A la différence de la réglementation française, la réglementation espagnole est plus tardive mais traite également

de la qualité des formulations des bétons.

Ci-dessous les principaux textes réglementaires espagnols liés au béton dans la construction :

- Orden du 03 février 1939 : Instruccion de proyectos y obras de hormigon

La nécessité de garantir la sécurité des personnes et des biens sur les constructions en béton fût sans

doute la motivation principale à l’approbation de la première Instruccion de Hormigon en 1939. Cette

instruction était un règlement technique provisoire mais d’application obligatoire.

- Orden du 23 mars 1944: instrucción definitiva para el proyecto de ejecución de obras de hormigón

L’instruction de 1939 fut modifiée et complétée par plusieurs dispositions (notamment sur l’emploi de

l’acier, sur les planchers…) pour être approuvée définitivement en 1944.

- Decreto 2987 / 1968: instrucción para el proyecto de ejecución de obras de hormigón en masa y armado

Ce décret succéda à l’instruction de 1944 et fût complétée par la EH PRE-72 relative au béton préfabriqué.

L’instruction suivante de 1973, marque une évolution dans la réglementation technique spécifique au béton. A

partir de cette date commencent à être pris en compte également la qualité de mise en œuvre et de maintenance

des structures.

Dans la EH-73 un chapitre sur le contrôle de qualité est ajouté ; il concerne le projet, les matériaux et leur mise en

œuvre.

Les réglementations successives de béton coulé en place et armé (EH-80, EH-82, EH-88, EH-91 et EHE-98)

suivent cette ligne complétant leur précédente, par exemple par des instructions spécifiques pour le béton

précontraint EP-77, EP-80 et EP-93, pour les planchers unidirectionnels en béton armé et précontraint EF-88 et

EF-96.

La EHE-2008 est entrée en vigueur en décembre 2008 et ajoute les points suivants :

- un progrès conceptuel dans le sens où elle traite séparément le béton armé, le béton précontraint, le béton

postcontraint, etc…

- interdit l’utilisation de bétons armé d’une résistance inférieure à 25 MPa

- adopte le système International des unités, abandonnant l’obsolète MKS

- introduit des changements de nomenclature et de traitement statistique des résistances

La EHE tente de réguler les tendances d’analyse structurelle, états limites, durabilité, exécution et contrôle mais

aussi introduire des nouvelles technologies telles que le béton à haute résistance.


2.3. L’analyse des bétons anciens et leurs pathologies

2.3.1. Recueil des données

L’ensemble des données sur les bétons anciens et les pathologies observées ont donc été extraites de projets

d’inspection et/ou de réhabilitation réalisés par les services spécialisés de la fondation LABEIN-TECNALIA.

Les 29 projets étudiés concernent des constructions de 1905 à 1971. Chaque projet a fait l’objet d’une fiche de

renseignements à savoir :

- les données générales : localisation, année de construction, type de construction…

- la typologie de la structure

- les pathologies observées : fissuration, décrochements, corrosion, ruptures…

- les données du béton : résistance, type de granulats, contenu en ciment, porosité

- Autres : profondeur de carbonatation, recouvrement des armatures, type de corrosion

Tous les rapports de projets n’ont pu fournir l’ensemble des informations.

Résumé des informations disponibles :

Année de construction :

Année Nombre

1900 – 1920 4

1920 - 1940 4

1940 - 1960 10

1960 - 1970 3

Inconnue 9

Type :

Type Nombre

Industriel 11

Habitat 7

Tertiaire 3

Monument 2

Génie Civil 1

Inconnue 5

Localisation :

Localisation Nombre

Côte 23

Intérieur 5

Inconnue 1


Résistances mécaniques :

Résistance Nombre

4,9 à 10 MPa 7

10 à 15 MPa 6

15 à 20 MPa 3

> 20 MPa 5

Inconnue 8

Porosité :

Porosité Nombre

< 13 % 2

13 < P < 17 % 2

> 17 % 2

Inconnue 23

Contenu en ciment :

Dosage en ciment :

Dosage ciment Nombre

69,5 à 100 kg/m3 2

100 à 150 3

150 à 200 3

200 à 250 2

> 250 1

Inconnue 11

Chlorures (% ciment) :

Chlorures Nombre

0 à 0,4 % 3

0,4 à 1 % 4

1 à 2 % 1

2 à 5 % 3

5 à 10 % 3

> 10 % 2

Inconnue 13

Cont en ciment Nombre

0 à 5 % 3

5 à 10 % 5

10 à 15 % 1

Inconnue 20


Niveau de carbonatation :

Carbonatation Nombre

Avant armatures 1

Aux armatures 16

Inconnue 12

Pathologies principalement observées :

Pathologies Nombre

Fissuration 22

2 inconnus

5 sans fissuration

Corrosion 23

3 inconnus

3 sans corrosion

Décrochements 25

3 inconnus

3 sans décrochements

Rupture des encastrements 14

2 inconnus

15 sans rupture

Le tableau complet regroupant les principales valeurs par projet est donné en annexe 1.

2.3.2. Commentaires / conclusions

2.3.2.1 Bétons anciens

• Les bétons anciens ont une forte porosité parfois proche des bétons poreux.

Cette porosité élevée peut être due à l’usage de granulats non adéquats et à des quantités en eau trop

importantes lors de la fabrication du béton.

La porosité est l’un des facteurs les plus influençant pour la durabilité du béton armé. Une porosité

importante du béton favorise la pénétration des agents agressifs extérieurs et par là la corrosion des

armatures (pour le béton armé).

• Sur les projets étudiés et où les dosages en ciment des bétons ont été mesurés, à part quelques

exceptions, les dosages en ciment sont faibles ou en fourchette basse des préconisations des

réglementations espagnoles et françaises. < 200 kg/m3.

Les faibles dosages en ciment de la période 1900 à 1960 sont principalement dus au manque d’expérience

puis aux contextes économiques entrainant des recherches d’économies de matières premières.


Les dosages faibles en ciment ont pour conséquences des résistances mécaniques peu élevées, des

pertes de cohésion de la matrice, des porosités importantes ; ces facteurs étant tous liés à la diminution de

la durabilité des structures.

• Quasiment la totalité des projets étudiés montrent l’utilisation de sables de plage. Ce constat est à mettre

en rapport avec la situation géographique côtière de l’Aquitaine et l’Euskadi. Le sable de plage était une

ressource locale facilement accessible.

Le manque de retour d’expérience (sur les effets des sables de plage dans le béton armé) et aucune

interdiction dans les réglementations en vigueur à l’époque a permis l’utilisation de cette matière première.

L’utilisation de sable de plage a eu une influence significative sur la diminution de la durabilité des

structures en béton armé. Le sable de plage apporte en effet d’importantes quantités de chlorures, agents

agressifs pour les armatures.

• On n’observe pas d’évolution flagrante des résistances mécaniques des bétons au cours de la première

moitié du XXième siècle. En revanche, les bétons d’après 1960 ont des résistances mécaniques rarement

inférieures à 10 MPa. Ce constat s’explique par l’apparition de méthodes de production et de contrôles

plus généralisées.

Les très faibles résistances mécaniques observées (< 10 MPa) sur quelques structures, peuvent

s’expliquer par des moyens de production encore peu automatisés et maîtrisés. Les bétons se faisaient

régulièrement sur chantier, source d’erreurs comme le mauvais dosage des constituants et des ajouts

excessifs d’eau de gâchage.

• Les relations dosage en ciment / résistances mécaniques ne sont pas proportionnelles entre les différents

projets. Cela montre l’influence des conditions de mise en œuvre du béton sur chantier.

• On n’observe aucune différence significative de qualité de béton ou qualité de mise en œuvre suivant les

types de construction : habitat, tertiaire, industriel…

2.3.2.2 Pathologies

• La grande majorité des projets où la concentration en chlorures a été mesurée montre des concentrations

largement supérieures à la réglementation (< 0,4 % ciment). Ces concentrations élevées s’expliquent par

des porosités importantes des bétons et l’utilisation de sable de plage.

Les conséquences principales de la présence de chlorures sont la corrosion des armatures et des

éclatements de surface. Tous les projets ayant des niveaux de chlorures importants montrent en effet des

pathologies liées à la corrosion et à l’éclatement de béton.

• Pratiquement l’ensemble des projets montre des pathologies liées à la corrosion. Cette corrosion est due à

l’utilisation de sable de plage, à des niveaux de porosité et une carbonatation importants.


• La majorité des projets ont une carbonatation atteignant les armatures. Cela a pour conséquence leur

corrosion et est principalement due à une porosité importante des bétons.

• L’atmosphère saline des zones côtières de l’Aquitaine et de l’Euskadi est un des facteurs les plus

influençant dans l’apparition de corrosion sur les structures béton armé. Les caractéristiques des bétons

anciens (porosité importante, résistances mécaniques faibles, utilisation de sables de plage (chlorures)…)

observées sont autant de facteurs aggravants.

2.4. Le recyclage des bétons anciens

Les déchets inertes issus de la démolition de bâtiments représentent des sources de matériaux valorisables très

importantes et encore sous utilisées.

Les granulats de recyclage sont une alternative intéressante et environnementale aux granulats minéraux naturels.

Ils proviennent principalement des bétons, briques et tuiles… et sont généralement utilisés en construction

routière, remblais et béton de propreté. Quelques recherches ont été lancées pour étudier leur utilisation dans des

matériaux plus nobles tels que les bétons et bétons armés de structures.

Les granulats utilisés dans les bétons et bétons armés de structures sont liés à des exigences particulières

pouvant limiter la provenance des granulats de recyclage en béton.

Les concentrations en chlorures et carbonatation observées sur les bétons anciens limitent l’usage des granulats

recyclés à la construction routière et à certains gros bétons non armés. En effet, les chlorures contenus dans les

granulats et leur carbonatation favoriseront la corrosion prématurée des ferraillages des bétons armés.

De plus, la porosité élevée des granulats issus de bétons anciens peut entrainer des absorptions d’eau lors du

gâchage du béton puis la diminution de ses résistances mécaniques.


3. PHASE 4 : Applicabilité des renforts composites sur les structures en béton

3.1. Description de la problématique

Les bâtiments en béton armé construits dans les années 60 souffrent dans la majorité des cas d’importantes

pathologies structurelles. Le manque de technologies de renforcement appropriées met en danger la sécurité des

personnes qui les occupent et entraine la nécessité de démolition d'un grand nombre de bâtiments historiques.

Tant en Aquitaine qu’en Euskadi, parmi les premières constructions en béton armé beaucoup présentent une

importante valeur historique et leur démolition entraînerait de lourdes pertes pour notre patrimoine architectural. La

réhabilitation de ces structures au moyen de techniques de renforcement adaptées, légères et compatibles avec le

béton ancien, permettrait la conservation de nombreux bâtiments encore exploitables.

L'objectif de ce travail consiste en l'évaluation de nouvelles technologies de renforcements légers au moyen de

composites fibro-plastiques sur les structures en béton armé de la première moitié du XXième siècle. Ces structures

se caractérisent, dans la majorité des cas, par de faibles capacités résistantes. Dans le cadre du projet, une série

d'essais mécaniques a été réalisée dans des laboratoires d’Euskadi et Aquitaine sur les éprouvettes de béton dit

« faible ».

La découverte du ciment Portland et de la combinaison du béton et de l'acier ont permis le développement du

béton armé (BA) à grande échelle et de manière industrielle. Au début de l’utilisation du béton armé, on parlait d'un

matériau aussi impérissable que la pierre naturelle. Toutefois, le temps et l’expérience ont démontré que la

durabilité du BA était fortement liée à sa composition et sa mise en œuvre.

En effet, les matières premières choisies pour la fabrication du béton sont directement déterminantes pour sa

résistance future et son comportement dans le temps. L’ignorance de ce constat a dans l’histoire du béton armé

aboutit à des erreurs importantes. L’un des meilleurs exemples, caractéristique des zones côtières telles que

l’Euskadi et l’Aquitaine, est l'utilisation de sable de plage comme matériau dans le mélange du béton. On observe

aujourd'hui que la haute teneur de ces sables en chlorures d’origine marine a provoqué la corrosion d'armatures de

nombreuses structures en béton armé, menant parfois jusqu’à leur ruine.

Le contexte historique a également affecté la qualité du béton. Les périodes de conflits (1ière et 2nde guerres

mondiales) se sont caractérisées par une pénurie généralisée de matière premières ayant également touché le

secteur du bâtiment. Beaucoup de bâtiments et structures exécutés pendant ces années se caractérisent par

l’utilisation de matériaux inadéquats.


3.2. Système de renfort

Cette partie de l’étude est destinée à étudier expérimentalement l'effet d’un chemisage de mortier renforcé avec

des tissus (Textile Reinforced Mortar, TRM) sur une série d'éprouvettes cylindriques en béton « faible », de basse

résistance. Cette technique de renfort est de plus en plus utilisée pour augmenter la capacité portante d’éléments

structurels verticaux (type colonnes).

Les spécificités de cette technique ont été détaillées dans la phase 1. Le renforcement par TRM est une

technologie en phase expérimentale avancée donnant des résultats prometteurs.

3.3. Campagne d’essais

Les tests réalisés ont permis d’évaluer l'effet du chemisage TRM sur la résistance en compression (et la

déformation) d’éprouvettes cylindriques en béton. La campagne d’essais a également permis d’analyser l'influence

du nombre de couches de tissu et du type de mortier utilisés dans le TRM.

Les éprouvettes ont été sollicitées en compression simple jusqu'à rupture à une vitesse d'essai de 0,5 MPa/s et en

accord avec la norme EN 12390-3. Les éprouvettes renforcées par le mortier pouzzolanique renforcé de

polymères, ont été testées au laboratoire de Labein-Tecnalia, tandis que celles renforcées au mortier de ciment ont

été testées à Nobatek. Chaque centre a disposé de 6 éprouvettes de béton sans renfort comme éléments de

références. Trois d'entre elles ont été cassées à 28 jours et 3 autres au moment de la réalisation des tests sur

éprouvettes renforcées.

3.4. Sélection des matériaux Le projet REFHORM a nécessité une sélection rigoureuse des matériaux de renfort mais également de la

composition du béton.

3.4.1 Béton à renforcer Le budget du projet a obligé à recourir à des éprouvettes test de taille réduite mais suffisamment grandes pour être

représentatives et évaluer le comportement des renforts TRM.

Les éprouvettes sont donc des cylindres de 15 cm de diamètre et de 30 cm de hauteur. L’option de test de

carottages effectués sur des structures existantes a été écartée en raison des dommages qu’ils causeraient.

D'autre part, il est possible de doser un béton ancien en laboratoire afin d’en déterminer la composition exacte et

d’employer des matériaux et techniques semblables à ceux de l’époque étudiée ; mais les coûts importants

n’auraient pas été en adéquation avec le budget du projet REFHORM.


Le compromis trouvé a été l'emploi d’un béton de faible résistance, communément appelé « béton de propreté ».

Ce béton, généralement employé comme couche d’assise de fondations possède des caractéristiques mécaniques

similaires aux anciens bétons armés structurels. Des techniciens de Labein-Tecnalia ont fabriqué 40 éprouvettes

échantillons d'un béton de propreté H-20. La fabrication et la conservation des éprouvettes ont été effectuées selon

les normes UNIT 83.300:84, UNIT 83.301:91 et la EN-12390-2 : 01.

Figure 1 : Fabrication des éprouvettes sur chantier.

3.4.2 TRM

Le mortier renforcé avec tissu (TRM) est un matériau composé d'un tissu de fibres sous forme de maille dans une

matrice inorganique de mortier. Le tissu doit avoir une grande résistance en traction pour absorber les efforts que

la matrice de mortier lui transmettra depuis l'élément en béton à renforcer. Dans le cadre du projet REFHORM, les

TRM employés sont à base de fibres de basalte de troisième génération. Celles-ci sont imprégnées d’une résine

polymérique qui confère de meilleures propriétés mécaniques en raison d’une meilleure homogénéité du renfort.

Tableau 1. Propriétés du tissu du TRM

Matériau Basalte

Masse superficielle 237 g/m2

Type de maille Bidrectionnelle 0°/90°

Taille d’ouverture 25 mm

Charge à la rupture 415 mN/Tex (49,5 kN/ml)

Allongement maximal 0,03 %

La raison principale de l’emploi de ce tissu a été sa disponibilité et l’expérience préalable de Labein-Tecnalia de ce

matériau. En ce qui concerne la matrice inorganique, deux mortiers ont été utilisés : un mortier hydraulique

pouzzolanique et modifié avec des polymères, de la marque MAPEI et un mortier de ciment avec du sable siliceux

(diamètre < 2 mm) élaboré in situ par Labein-Tecnalia. Ci-dessous les caractéristiques de chaque mortier.


Tableau 2. Mortiers employés pour le TRM :

Mortier Composition Résistance

en compression

Résistance en flexion

MAPEI Struturale

A Commerciale 42 MPa 31,5 MPa

Mortier ciment

1 ciment, 3 sable, 0,7

eau 48 MPa 22,5 MPa

Tableau 3. Programme d’essais

Nombre de couche du TRM

Mortier du TRM 1 couche de tissu 2 couches de tissus

Mortier hydraulique 6 éprouvettes

M1-x

6 éprouvettes

M2-x

Mortier de ciment 6 éprouvettes

C1-x

6 éprouvettes

C2-x

� Labein

� Nobatek

Sans renfort (référence) 6 éprouvettes

A-x , B-x

Le x indique le numéro de l’éprouvette de la série. A et B indiquent les éprouvettes de référence à 28 jours et à la date de compression des éprouvettes renforcées.

3.5. Réalisation des renforts

Le chemisage des éprouvettes a été réalisé au sein des installations de LABEIN-TECNALIA par les techniciens du

centre et à deux dates différentes pour des raisons de logistique.

Toutes les éprouvettes ont été renforcées selon la même procédure :

1. Préparation du tissu nécessaire pour chaque éprouvette (Fig 2, a).

2. Malaxage du mortier.

3. Humidification des éprouvettes avec une brosse pour éviter que le béton n’absorbe l'eau du mortier,

altérant ainsi les propriétés de la matrice de renfort.

4. Application d’une première couche de mortier de 5 mm d'épaisseur la plus uniforme possible (Fig 2, b).

5. Positionnement du tissu le plus tendu possible. Des plis retarderaient l’action du renfort (Fig 2, c).

6. Application de la seconde couche de mortier en vérifiant que le tissu est totalement couvert (Fig 2, d).


a

b

c

d

Figure 2 : réalisation du renfort.


3.6. Dispositif d’essai

Essais réalisés à LABEIN-TECNALIA :

La presse employée est de marque Ibertest. Afin d'obtenir une distribution homogène de l'effort exercé par la

presse, les éprouvettes ont été surfacée au mortier sans retrait Conbextra de la marque Fosroc.

PROBETACILÍNDRICA

EXTENSÓMETROÓHMICO

EXTENSÓMETROÓHMICO BASE INFERIOR

PRENSA

Figure 3 : Dispositif de l’essai en compression.

Lors des essais en compression le déplacement vertical (écrasement) a été mesuré. Afin d'obtenir des résultats

optimaux, 4 extensomètres ohmiques ont été utilisés (soit deux par axe tel qu’illustré sur le schéma précédent).

Essais réalisés à Nobatek :

La presse employée pour les essais à Nobatek est une presse hydraulique de marque 3R. Afin d’appliquer la

charge sur une surface plane, les éprouvettes de test ont été surfacées mécaniquement par rectification :

applications successives d’un disque diamanté en rotation au contact de la surface permettant d’obtenir des faces

planes et parallèles sur l’éprouvette.


Dans un souci de représentativité et de comparaison des résultats, les essais de compression ont été réalisés

selon les mêmes paramètres que ceux utilisés à Labein et préconisés dans la norme européenne.

En revanche, le dispositif ne permettait pas le placement d’extensomètres sur l’éprouvette de test.

3.7. Résultats Chaque essai se déroule selon 3 phases :

• Pré charge jusqu'à 10% de la charge de rupture attendue.

• Charge jusqu'à rupture détectée par la machine d'essai.

• Charge de l'éprouvette endommagée avec arrêt manuel.

L'objectif de la post-charge est de vérifier le comportement du renfort après la rupture du béton.

Essais réalisés à LABEIN-TECNALIA :

Les résultats de la première charge peuvent être simplifiés dans le tableau suivant.

Tableau 4. Résultats des essais à Labein-Tecnalia.

Eprouvette Charge à la

rupture [kN] Contrainte de rupture [MPa]

Moyenne de la série [MPa]

Déformation unitaire [‰]

A-1 449,02 25,40 ------ A-2 438,61 24,82 ------ A-3 386,34 21,86

24,02

------ B-1 491,7 27,82 6,75 B-2 399,84 22,61 8,81 B-3 362,32 20,50

23,64

7,52 M1-1 451,89 25,57 7,18 M1-2 458,94 25,97 7,73 M1-3 487,48 27,58 7,03 M1-4 479,71 27,15 7,09 M1-5 434,15 24,56 7,44 M1-6 474,52 26,85

26,28

7,39 M2-1 519,24 29,38 ------ M2-2 493,53 27,92 7,61 M2-3 465,99 26,36 8,48 M2-4 437,99 24,78 6,95 M2-5 481,84 27,26 7,20 M2-6 489,11 27,67

27,22

7,85 Les graphiques Contrainte-Déformation suivants regroupent les résultats de toutes les éprouvettes pour chaque série.


Compression test

0

5

10

15

20

25

30

0.5 1 1.5 2 2.5 3Vertical Displacement [mm]

Str

ess

[MP

a]

Série B, sans renfort

Compression test

0

5

10

15

20

25

30

0.5 1 1.5 2 2.5 3Vertical Displacement [mm]

Str

ess

[MP

a]

Série M1, une seule couche de tissu basalte

Compression test

0

5

10

15

20

25

30

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5Vertical Displacement [mm]

Str

ess

[MP

a]

Série M2, deux couches de tissu basalte


Exemple comparatif des courbes de deux éprouvettes représentatives de chaque série

Compression test

0

5

10

15

20

25

30

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5Vertical Displacement [mm]

Str

ess

[MP

a]

Ci-dessous les graphiques du comportement des éprouvettes en post-charge (2 éprouvettes par série) :

Post-Failure Compression Test

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0 1 2 3 4 5 6 7

Vertical Displacement [mm]

Str

ess

[MP

a]

Le comportement de pratiquement toutes les éprouvettes est similaire. L'éprouvette absorbe la charge de manière

constante jusqu'à un point auquel se produit une réduction de la pente contrainte/déplacement. Au niveau de la

contrainte maximale se produit une perte de charge lente et progressive. Cette décharge atteint 50 % de la valeur

de la contrainte maximale atteinte en première partie de l'essai.

La rupture du renfort TRM varie selon la série.

- Série M1 : glissement du tissu dans la zone de recouvrement et fibres non cassés ;

- Série M2 : rupture des fibres sur le côté opposé au recouvrement.


Les images suivantes montrent différents modes de rupture obtenus :

Rupture des éprouvettes M1-2 et M1-6

Figure 4 : Rupture de la série M2 où l’on aperçoit clairement la rupture du renfort.


Essais réalisés à Nobatek :

Les résultats obtenus à Nobatek sont consignés dans le tableau suivant.

Tableau 5. Résultats des essais à Nobatek.

Eprouvette Charge à la rupture [kN ] Contrainte à la rupture [MPa ] Moyenne

1 418,8 20,9

2 449,2 22,3

3 454,0 22,6

4 453,2 22,5

Référence 5 504,3 25,1

6 551,8 27,4

25,3 ± 2

C1-1 587,8 29,2

C1-2 556,1 27,7

C1-3 604,1 30

C1-4 573,5 28,5

C1-5 584 29

Couche simple de fibre de basalte dans TRM

C1-6 556 27,7

28,7 ± 1

C2-1 571,6 28,4

C2-2 551,5 27,4

C2-3 544 27,1

C2-4 603,2 30

C2-5 564 28,8

Double couche de fibre de basalte dans TRM

C2-6 619,2 30,8

28,7 ± 1

Les moyennes sont présentées avec l’écart type calculé d’après les différentes valeurs obtenues : tenant compte

de ces intervalles de variation, les résistances moyennes à la compression des différentes éprouvettes sont

quasiment identiques. Pourtant le comportement en rupture est radicalement différent et peut être appréhendé par

l’analyse des courbes contrainte/déformation des éprouvettes lors du test en compression. L’analyse qui suit met

alors en évidence le bénéfice du renfort qui n’est pas immédiatement visible par le seul examen des moyennes de

résistance à la compression.

Les graphiques Contrainte-Déformation suivants regroupent les courbes des résultats de toutes les éprouvettes de

chaque série :


Série référence, sans renfort

Série C1*, une seule couche

* Les trois premières courbes ne montrent pas de palier de décharge les essais ont été stoppés après rupture du béton. Les deux courbes longues correspondent aux éprouvettes C1-5 et C1-6. La courbe C1-4 n’a pu être enregistrée.


Série C2, deux couches

Résultats superposés de deux éprouvettes par série. Noir : éprouvettes de béton de référence, rouge : simple couche de renfort, vert : double

couche de renfort.

Les dispersions observées dans les résultats sont dues au matériau béton qui est un matériau non homogène.


Interprétation des résultats des deux essais :

Les résultats obtenus à LABEIN et à NOBATEK étant similaires du point de vue de leur comportement, une

analyse commune est proposée ci-dessous.

Conformément à la littérature, les courbes de déformation en fonction de la contrainte de compression

d’éprouvettes de béton renforcées, qu’elles soient obtenues à Labein ou Nobatek, présentent trois régions

distinctes :

• une première zone similaire à celle d’un béton non renforcé qui représente donc la réponse du béton à la

sollicitation (constituant la courbe entière pour les éprouvettes de référence). Cette zone se termine quand

la contrainte atteint la valeur maximale de résistance du béton à la compression,

• une zone intermédiaire de transition plus ou moins importante ou les fibres supportent la charge par

déformation latérale de l’éprouvette à une valeur qui est calculée en fonction de la résistance maximale en

compression. Cette dilatation latérale permet de retarder la rupture en propageant l’énergie de fissuration

et de rupture au travers des fibres, repoussant ainsi la charge nécessaire à la rupture. Cette zone

correspond à une zone pseudo-plastique caractéristique du TRM : une fois seulement le béton

endommagé le renforcement prend le contrôle des déformations de l’éprouvette et sa participation à la

résistance peut être mesurée. La forme et la pente de cette droite dépendent de la rigidité du

renforcement.

• Une dernière zone au-delà du précédent plateau où les fibres se rompent ne pouvant plus dissiper

l’énergie ; les fissures internes se développent dans le béton. Cette zone est allongée car la rupture des

fibres et le décollement des couches se produisent petit à petit.

En ce qui concerne la déformation sous contrainte, le comportement de toutes les éprouvettes est pratiquement

similaire qu’elle que soit leur nature (type de renforcement). Les différences se situent au niveau de la charge

maximale de maintien (zone intermédiaire) et la longueur de la courbe de décharge avant rupture totale.

• Série référence : pas de déformation après atteinte de la contrainte maximale en résistance.

• Série C1 : perte de charge par paliers : on remarque le maintien d’une charge à 60% de la résistance

initiale de l’éprouvette, puis une nouvelle perte de charge jusqu’à la fin de l’essai.

• Série C2 : de même, avec le maintien d’une charge à 80% de la résistance initiale de l’éprouvette.


C1-3

C2-3 C2-1

C1-1


3.8. Conclusions La première conclusion évidente est que les renforts TRM permettent un accroissement de la contrainte que peut

supporter un élément sollicité par une charge uniaxiale. Ceci est dû à l’augmentation de la ductilité des éprouvettes

au moment de la rupture par l’action du renfort TRM.

En effet, les éprouvettes sans renfort sont rapidement déformées au-delà de la charge de maximale de rupture.

Les éprouvettes renforcées supportent elles une charge considérable et une déformation importante après la

charge de rupture.

Il a été observé que la nature de la matrice influence les propriétés du renfort : dans le cas d’un mortier

hydraulique, cette charge atteint jusqu'à 50 % de la résistance maximale en compression de l’éprouvette et dans le

cas du mortier de sable, elle peut atteindre jusqu’à 80 %. Selon l’application, la nature du mortier est donc à

adapter puisque le mortier de sable semble plus performant en termes de maintien de support de charge. Ceci

pourrait s’expliquer par une meilleure adhérence des fibres et de la matrice et/ou un meilleur transfert des efforts

subis par la matrice aux fibres qui les dissipent du fait de la présence des granulats siliceux.

D’autre part, on a observé que la charge maximale que peut supporter le béton renforcé augmente avec le nombre

de couches de renfort. Ceci est en accord avec les données collectées lors de l’état de l’art préalable à cette étude.

L’épaisseur du renforcement conditionne le confinement de l’éprouvette et donc améliore sa résistance à la

contrainte axiale : plus l’épaisseur du renforcement augmente, plus la résistance à la compression du béton

enchemisé s’améliore. Une double couche sera préconisée dans le cas de renforcement des structures les plus

sollicitées car même si cette double application nécessite plus de temps de pose et de soin, elle se justifie par le

gain en ductilité qu’elle apporte. Un pré diagnostique des éléments à renforcer dans la structure est donc

nécessaire avant réhabilitation afin de déterminer ceux qui sont le plus soumis aux efforts.

Il serait intéressant de tester différentes orientations des couches de renfort entre elles, ici seule l’orientation 0° a

été prise en compte car les deux couches étaient parallèles entre elles, car selon certaines études, différentes

orientations permettraient de reprendre l’anisotropie du système et d’encore améliorer les capacités du renfort.

Ainsi, le renfort TRM a montré des résultats prometteurs ; il est toutefois nécessaire de continuer les recherches en

vue d’optimisations. Par exemple, tester d'autres matériaux (on a vu l’influence de leur nature sur les résultats

finaux). L’état de l’interface et la compatibilité des matériaux sont des aspects primordiaux qu’il convient

d’approfondir.

Des essais à grande échelle (sur structure) pourraient apporter des résultats complémentaires à ceux du projet

REFHORM.

Les résultats de ce projet REFHORM montrent au final l’intérêt de l’emploi des renforts TRM pour les éléments

structurels verticaux en béton (ex poteaux). Ils permettent en effet une augmentation des charges portantes et une

plus grande ductilité. Le maintien de l’élément après rupture du béton armé permet la requalification de structures

et apporte un degré de sécurité supplémentaire pour les usagers.

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