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18 Novembre 2009 JST AMAC - Matériaux composites dans le génie civil

1

DurabilitDurabilit éé des des renforcements renforcements par collage de par collage de matmat éériaux riaux

compositescomposites

WWW.developpement-durable.gouv.fr

Ministère de l'Écologie, de l'Énergie,du Développement durable et de l'Aménagement du territoire

Équipe ressource Équipe ressource

« Collage et Matériaux Composites »« Collage et Matériaux Composites »

LR AutunLR Autun

S. S. ChataignerChataigner

Journées Chimie, LyonJournées Chimie, Lyon

2 et 3 Décembre 20092 et 3 Décembre 2009

S. Chataigner LRPC Autun

K. Benzarti LCPC Paris

M. Rabasse LRPC Autun

M. Quiertant LCPC Paris

C. Aubagnac LRPC Autun

2JST AMAC - Matériaux composites dans le génie civil

18 Novembre 2009

Sommaire

� Introduction:

�Les matériaux composites

�Leurs atouts et l’équipe ressource

�Relation avec les objectifs du grenelle de l’environnement

�Quelques prestations classiques de l’équipe ressource

� Description de l’étude de durabilité menée au LRPC d’Autun avec le LCPC

�Contexte

�Évolution des matériaux

�Évolution des assemblages


18 Novembre 2009

IntroductionIntroduction


18 Novembre 2009

Les matériaux composites

Plat pultrudé

Tissu sec

Des procédés déjà utilisés dans le domaine Des procédés déjà utilisés dans le domaine du génie civildu génie civil

Un composite

Un mélange Un mélange matrice + fibrematrice + fibre


18 Novembre 2009

Leurs atouts et l’équipe ressource du RST

Avantages de ce type de matériau:Relative facilité de mise

en oeuvre

Caractéristiques mécaniques très élevées

Faible densité

Pas de corrosion

AMO: contrôle d’opérations de renforcement par collage de

matériaux composites

Expertise sur structures renforcées

Méthodologie (RST, AFGC)

Recherche (LCPC, UR Navier)

Création d’une équipe ressource au LRPC d’Autun « Collage et matériaux composites » pour le domaine Ouvrages d’Art du Réseau Scientifique et Technique (2008)


18 Novembre 2009

Leur positionnement vis-à-vis du grenelle dans la gestion du patrimoine

Renforcement des structures pour modification des charges ou pour cause

de sous-dimensionnement (élargissement, renforcement par

précontrainte additionnelle)

=> Adaptation des structures aux besoins

Réparation des structures endommagées / mise en sécurité

(fissuration, etc…)

=> Augmentation de la durée de vie

Renforcement des structures pour modification du besoin en ductilité

(nouveau zonage sismique)

=> Meilleure sécurité structurelle


18 Novembre 2009

Prestations classiques de l’équipe ressource du RST

REPARATION DE SURFACE

PREPARATION DE SURFACE

PREPARATION DE L’ADHESIF

APPLICATIONAUSCULTATION

ESSAIS DESTRUCTIFS DE

COHESION

+

DETERMINATION de Tg

INSTRUMENTATION

CHARGEMENT

EXPLOITATION


18 Novembre 2009

Description de l’étude de Description de l’étude de durabilité menée au LRPC durabilité menée au LRPC

d’Autun avec le LCPCd’Autun avec le LCPC


18 Novembre 2009

Contexte et principe de l’étude

• Opération de recherche du LCPC (M. Quiertant, K. Benzarti) − 11N053 « Durabilité des renforcements par composites collés» (2005 –2008)

− 11N091 « Renforcements par matériaux composites et assemblages collés en génie civil » (2009-2012)

• Vieillissement accéléré des éprouvettes− Stockage de l’ensemble des éprouvettes en ambiance chaude et humide (40°C et 95 % HR)

− Corrélation ultérieure avec des suivis de renforcement sur chantier

• Suivi de l’évolution des propriétés des matériaux en présence− Matériau composite (Essais de traction, et éventuellement Tg)

− Adhésif (Essais de traction, Tg, Visco-analyse, Dureté Shore D, Prise de masse)

− Béton (Essais de compression et de pastillage)

• Suivi de l’évolution des propriétés des assemblages collés − Sollicitation en traction (Mode de rupture, capacité)

− Sollicitation en cisaillement (Mode de rupture, raideur, capacité, transfert)

Et ce pour trois procédés utilisés dans le domaine du génie civil (Un de type « tissu sec» et deux de type « plats pultrudés »)


18 Novembre 2009

REALISATION DE LOTS D’EPROUVETTES EN LIAISON AVEC DES ENTREPRISES

STOCKAGE A 40°C et 95 % HR

(accélération du vieillissement des résines)

ESSAIS SUR MATERIAUX ET ASSEMBLAGES A ECHEANCES

REGULIERES


18 Novembre 2009

Le procédé dont les résultats sont présentés

• Plat pultrudé carbone− Module d’Young dans l’axe des fibres: 163 000 MPa

− Largeur de 100 mm et épaisseur de 1.4 mm

− Tg de la matrice d’environ 100°C

• Résine époxy bi-composant− Module d’Young en traction: 4950 MPa

− Tg de 54°C +/- 2°C d’après la fiche technique (ISO 11357-2)

− Épaisseur de colle de 0.6 à 1 mm

• Préparation de surface− Grenaillage de la surface et dépoussiérage


18 Novembre 2009

ÉÉvolution volution des des

matmatéériauxriaux


18 Novembre 2009

Le béton et le renfort composite:Pas ou peu d’évolution

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 100 200 300 400

Nbre de jours

Rés

ista

nce

en c

ompr

essi

on, e

n M

Pa

161690Mars 2008

162660Janvier 2008

Module d’Young dans l’axe des fibres, en

MPa

Echéance

Évolution du module d’Young dans l’axe des fibres du pultrudé carbone

Évolution de la capacité en compression du béton


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L’adhésif: Un vieillissement conséquent (1)

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55Centaines

Racine du temps , en s0.5

pris

e de

mas

se (

%)

20

30

40

50

60

70

80

0 100 200 300

Temps, en jours

Tem

péra

ture

de

tran

sitio

n vi

treu

se,

en °C

Évolution de la température de transition vitreuse (DSC)

(LCPC)

Évolution de la prise de masse de l’adhésif (LCPC)


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40

45

50

55

60

65

70

75

80

85

90

0 50 100Durée de vieillissement (jours)

Tem

péra

ture

de

rela

xatio

n, T

a (°C

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0 50 100Durée de vieillissement (jours)

Mod

ule

E' à

40°

C (

MP

a)

Évolution de la partie réelle du module

(Visco-analyse, LCPC)

Évolution de la température de relaxation de l’adhésif

(Visco-analyse, LCPC)


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0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 100 200 300 400

Nbre de jours

Dur

eté

Sho

re D

0

5

10

15

20

25

0 0,01 0,02Déformation

Con

trai

nte,

en

MP

a

janv-08mars-08juil-08Data sheet (4950 Mpa)

Évolution du comportement en traction de l’adhésif

Donnée de la fiche technique (4950 MPa)

Évolution de la dureté Shore D de l’adhésif


18 Novembre 2009

ÉÉvolution volution des des

assemblages assemblages collcollééss


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L’essai de traction

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

T0 T2 T4 T6 T8

T10

Echéance

Mod

e de

rup

ture

Rupture colleRupture béton

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

0 100 200 300 400

Nombre de jours

Rés

ista

nce

en tr

actio

n de

l'as

sem

blag

e co

llé, e

n M

Pa

Évolution de la capacité en traction de l’assemblage collé

Évolution du mode de rupture de l’assemblage en traction


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L’essai de cisaillement (1)

0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%

100%

T0 T2 T4 T6 T8

T10

Echéance

Mod

e de

rup

ture

Rupture interfaceRupture colleRupture béton

0

10

20

30

40

50

60

70

0 100 200 300 400

Temps, en jours

Cap

acité

moy

enne

en

cisa

illem

ent d

e l'a

ssem

blag

e co

llé, e

n kN

Évolution du mode de rupture de l’assemblage en cisaillement

Évolution de la capacité en cisaillement de l’assemblage collé


18 Novembre 2009

L’essai de cisaillement (2)

0

500

1000

1500

2000

2500

0 50 100 150 200

Abscisse, en mm

Déf

orm

atio

n ax

iale

0

500

1000

1500

2000

2500

0 50 100 150 200

Abscisse, en mm

Déf

orm

atio

n ax

iale

Profils de déformation pour l’essai référence le long du renfort composite à différents

niveaux de chargement

Profils de déformation pour un essai après un vieillissement de 9 mois le long du renfort

composite à différents niveaux de chargement

135

200

15

50

90


18 Novembre 2009

CorrCorr éélation entre lation entre vieillissement des matvieillissement des matéériaux riaux

et et vieillissement de lvieillissement de l’’ assemblage collassemblage colléé


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Modélisation de l’essai de cisaillement

0

5

10

15

20

25

0 0,005 0,01 0,015 0,02

Deformation axiale

Con

trai

nte

axia

le, e

n M

Pa

Comportement mécanique en traction de l’adhésif référence

Comportement mécanique en traction de l’adhésif après 6 mois de vieillissement

Comportement élastique

Comportement élasto-plastique

CESAR

ABAQUS

Modélisation de l’assemblage collé àl’aide d’un code aux

éléments finis

Hypothèses:

-les autres matériaux ont un comportement élastique

-les interfaces sont parfaites

-Tous les matériaux sont isotropes

-On néglige l’endommagement intervenant dans le béton

-Le critère de plasticité adopté est le critère de Von Mises

0

5

10

15

20

25

0 0,01 0,02Déformation axiale

Con

trai

nte

axia

le, e

n M

Pa


18 Novembre 2009

Cas d’un chargement monotone Contrainte de cisaillement au milieu du joint de colle (cas non vieilli)

0

5

10

15

20

25

0 100 200

Abscisse le long du joint collé, en mm

Con

trai

nte

de c

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llem

ent,

en M

Pa

0

500

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2000

2500

0 50 100 150 200

Abscisse , e n m m

Déf

orm

atio

n ax

iale

Profil de cisaillement le long du joint de colle pour différents niveaux de charge

obtenu par calcul aux éléments finis

Profils expérimentaux de déformation le long du renfort composite

• On met en relief l’existence de la longueur d’ancrage

• En réalité, le béton s’endommage au-delà d’une certaine contrainte de cisaillement (5-6 MPa, en général) [7]

• Les résultats du calcul reflètent bien les mesures expérimentales des jauges de déformation

)(xcstedx

d τσ ⋅=


18 Novembre 2009

Cas d’un chargement monotone Contrainte de cisaillement au milieu du joint de colle (cas vieilli)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 50 100 150 200Abscisse le long du joint, en mm

Con

trai

nte

de c

isai

llem

ent,

en M

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0

5 0 0

1 0 0 0

1 5 0 0

2 0 0 0

2 5 0 0

0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0

A b sc i sse , e n m m

Déf

orm

atio

n ax

iale

Profils expérimentaux de déformation le long du renfort composite

Profil de cisaillement le long du joint de colle pour différents niveaux de charge

obtenu par calcul aux éléments finis

• On met en relief l’existence de la longueur d’ancrage composée cette fois de la longueur caractéristique élastique et de la longueur plastifiée (d’où, une augmentation de celle-ci)

• La contrainte limite de plasticité de l’adhésif est inférieure à la résistance avant endommagement du béton

• De nouveau, les résultats du calcul reflètent bien les mesures expérimentales des jauges de déformation

)(xcstedx

d τσ ⋅=


18 Novembre 2009

Conclusion

• Dans ce cas, le vieillissement de l’assemblage peut être appréhendé par un suivi de l’évolution des matériaux (le cas du tissu est plus complexe)

–plastification de l’adhésif au cours du vieillissement avec une diminution progressive de la limite de plasticité

–augmentation de la longueur d’ancrage (meilleure répartition des efforts), puis modification du mode de rupture: l’élément « faible » du joint collépasse du béton à l’adhésif.

• Corrélation entre Tg, Ta et propriétés mécaniques

=> Attention, des observations très différentes pour d’autres systèmes (tissus)

• Investigation des phénomènes de vieillissement sous sollicitation mécanique (Thèse au LCPC)

• Suivi du vieillissement d’ouvrages renforcés en cours (peu d’évolution)

Meilleure diffusion des efforts après vieillissement

(représentation du champ de cisaillement avant et après

vieillissement)