Durabilité des renforcements par collage de matériaux composites

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1 Équipe ressource «Collage et Matériaux Composites» LR Autun S. Chataigner Durabilité des renforcements par collage de matériaux composites S. Chataigner LRPC Autun K. Benzarti LCPC Paris M. Rabasse LRPC Autun M. Quiertant LCPC Paris C. Aubagnac LRPC Autun Journées Chimie, Lyon 2 et 3 Décembre 29 JST AMAC - Matériaux composites dans le génie civil Ministère de l'écologie, de l'énergie, du Développement durable et de l'aménagement du territoire 1

2 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 2

3 Introduction 3

4 Les matériaux composites Un mélange matrice + fibre Un composite Des procédés déjà utilisés dans le domaine du génie civil Tissu sec Plat pultrudé 4

5 Leurs atouts et l équipe ressource du RST Avantages de ce type de matériau: Faible densité Relative facilité de mise en oeuvre Caractéristiques mécaniques très élevées Pas de corrosion Création d une équipe ressource au LRPC d Autun «Collage et matériaux composites» pour le domaine Ouvrages d Art du Réseau Scientifique et Technique (28) AMO: contrôle d opérations de renforcement par collage de matériaux composites Méthodologie (RST, AFGC) Expertise sur structures renforcées Recherche (LCPC, UR Navier) 5

6 Leur positionnement vis-à-vis du grenelle dans la gestion du patrimoine Réparation des structures endommagées / mise en sécurité (fissuration, etc ) => Augmentation de la durée de vie Renforcement des structures pour modification des charges ou pour cause de sous-dimensionnement (élargissement, renforcement par précontrainte additionnelle) => Adaptation des structures aux besoins Renforcement des structures pour modification du besoin en ductilité (nouveau zonage sismique) => Meilleure sécurité structurelle 6

7 Prestations classiques de l équipe ressource du RST REPARATION DE SURFACE INSTRUMENTATION PREPARATION DE SURFACE CHARGEMENT PREPARATION DE L ADHESIF ESSAIS DESTRUCTIFS DE COHESION + APPLICATION AUSCULTATION DETERMINATION de Tg EXPLOITATION 7

8 Description de l étude de durabilité menée au LRPC d Autun avec le LCPC 8

9 Contexte et principe de l étude Opération de recherche du LCPC (M. Quiertant, K. Benzarti) 11N53 «Durabilité des renforcements par composites collés» (25 28) 11N91 «Renforcements par matériaux composites et assemblages collés en génie civil» (29-212) Vieillissement accéléré des éprouvettes Stockage de l ensemble des éprouvettes en ambiance chaude et humide (4 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») 9

10 REALISATION DE LOTS D EPROUVETTES EN LIAISON AVEC DES ENTREPRISES STOCKAGE A 4 C et 95 % HR (accélération du vieillissement des résines) ESSAIS SUR MATERIAUX ET ASSEMBLAGES A ECHEANCES REGULIERES 1

11 Le procédé dont les résultats sont présentés Plat pultrudé carbone Module d Young dans l axe des fibres: 163 MPa Largeur de 1 mm et épaisseur de 1.4 mm Tg de la matrice d environ 1 C Résine époxy bi-composant Module d Young en traction: 495 MPa Tg de 54 C +/- 2 C d après la fiche technique (ISO ) Épaisseur de colle de.6 à 1 mm Préparation de surface Grenaillage de la surface et dépoussiérage 11

12 Évolution des matériaux 12

13 Le béton et le renfort composite: Pas ou peu d évolution Résistance en compression, en MPa Echéance Janvier 28 Mars 28 Module d Young dans l axe des fibres, en MPa Nbre de jours Évolution de la capacité en compression du béton Évolution du module d Young dans l axe des fibres du pultrudé carbone 13

14 L adhésif: Un vieillissement conséquent (1) prise de masse (%) 3 2,5 2 1,5 1, Centaines Racine du temps, en s.5 Température de transition vitreuse, en C Temps, en jours Évolution de la prise de masse de l adhésif (LCPC) Évolution de la température de transition vitreuse (DSC) (LCPC) 14

15 L adhésif: Un vieillissement conséquent (2) Température de relaxation, Ta ( C) Durée de vieillissement (jours) Module E' à 4 C (MPa) Durée de vieillissement (jours) Évolution de la température de relaxation de l adhésif (Visco-analyse, LCPC) Évolution de la partie réelle du module (Visco-analyse, LCPC) 15

16 L adhésif: Un vieillissement conséquent (3) Dureté Shore D Contrainte, en MPa Donnée de la fiche technique (495 MPa) janv-8 mars-8 juil-8 Data sheet (495 Mpa) Nbre de jours,1,2 Déformation Évolution de la dureté Shore D de l adhésif Évolution du comportement en traction de l adhésif 16

17 Évolution des assemblages collés 17

18 L essai de traction Mode de rupture 1% 9% 8% 7% 6% 5% 4% 3% 2% 1% % T Rupture colle Rupture béton T2 T4 T6 T8 Echéance T1 Résistance en traction de l'assemblage collé, en MPa 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1, Nom bre de jours Évolution du mode de rupture de l assemblage en traction Évolution de la capacité en traction de l assemblage collé 18

19 L essai de cisaillement (1) Mode de rupture 1% 9% 8% 7% 6% 5% 4% 3% 2% 1% % T T2 Rupture interface Rupture colle Rupture béton T4 T6 T8 Echéance T1 Capacité moyenne en cisaillement de l'assemblage collé, en kn Temps, en jours Évolution du mode de rupture de l assemblage en cisaillement Évolution de la capacité en cisaillement de l assemblage collé 19

20 2 L essai de cisaillement (2) Déformation axiale Déformation axiale Abscisse, en mm Abscisse, en mm 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 2

21 Corrélation entre vieillissement des matériaux et vieillissement de l assemblage l collé 21

22 Modélisation de l essai de cisaillement Contrainte axiale, en MPa Contrainte axiale, en MPa ,1,2 Déformation axiale Comportement mécanique en traction de l adhésif référence,5,1,15,2 Deformation axiale Comportement mécanique en traction de l adhésif après 6 mois de vieillissement Comportement élastique Comportement élasto-plastique Modélisation de l assemblage collé à l aide d un code aux éléments finis Hypothèses: CESAR ABAQUS -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 22

23 Cas d un chargement monotone Contrainte de cisaillement au milieu du joint de colle (cas non vieilli) Contrainte de cisaillement, en MPa Abscisse le long du joint collé, en mm dσ = cste τ (x) dx Déformation axiale Ab scisse, e n m m 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 23

24 Cas d un chargement monotone Contrainte de cisaillement au milieu du joint de colle (cas vieilli) Contrainte de cisaillement, en MPa Abscisse le long du joint, en mm dσ = cste τ (x) dx Déformation axiale A b sc i sse, e n m m 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 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 24

25 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 collé passe 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) 25