Formulation de microbétons de résine polyester et étude du comportement mécanique en flexion et en compression

Transcription

1 Formulation de microbétons de résine polyester et étude du comportement mécanique en flexion et en compression Mirouzi G. Laboratoire de Génie Civil, Université Badji Mokhtar Annaba, 23000, Annaba, Algérie. Redjel B.* Laboratoire de Génie Civil, Université Badji Mokhtar Annaba, 23000, Annaba, Algérie. Résumé Des micros-bétons composés de résine polyester comme liant et de deux types de sables, l un fin et l autre moyen ont été formulés et étudiés. Une méthode empirique se basant sur le principe du point de saturation des sables avec la résine a été adoptée. Il en ressort pour cette étude qu une fraction massique de résine de 27% constitue un optimum pour obtenir un nouveau béton de résine. Des essais de flexion sur des éprouvettes de 4x4x16 cm et de compression sur les demi éprouvettes récupérés après la rupture ont par la suite été utilisés pour caractériser les propriétés mécaniques de ces matériaux. Un rapport optimal de G/S égal à 1 a été mis en évidence ce qui a permis de formuler des bétons avec un mélange optimal de 60% de sable fin et 40 % de sable moyen. L étude de la morphologie de la rupture et les observations des faciès de rupture montrent que les mécanismes de déformation et de rupture en flexion et en compression de ces bétons de résine polyester diffèrent de ceux des bétons traditionnels. Les essais de conservation ont montré que le béton de résine polyester est un matériau composite imperméable et résiste bien à la chaleur. Mots clés : béton de résine, saturation, résine polyester, * Auteur correspondant : bredjel@yahoo.fr 1. INTODUCTION Le béton de résine est un matériau composite dont le liant est constitué entièrement d un polymère organique synthétique. On l appelle aussi béton de résine synthétique ou béton de résine plastique [1]. Comparativement au béton de ciment Portland, le béton de résine possède une plus grande résistance mécanique, résiste mieux aux produits chimiques et aux agents corrosifs, absorbe moins d eau et présente une plus grande stabilité aux cycles gel-dégel. Comme le remplacement du ciment Portland par un polymère entraîne une augmentation sensible du coût du béton, il ne faudrait le faire que si l on recherche des caractéristiques supérieures, si le coût de la main-d œuvre est moins élevé ou si les besoins en énergie lors de la fabrication et de la mise en œuvre sont moindres [1-2]. Différents produits peuvent être ajoutés à la résine pour améliorer ses caractéristiques mécaniques et physiques, faciliter sa mise en œuvre ou simplement pour en diminuer le coût. On parlera de charge quand la quantité ajoutée est de quelques dizaines de %, et d additifs lorsque cette quantité ne dépasse pas quelques % [3-4-5]. En raison de leur faible coût, les liants de résine les plus utilisés sont ceux à base de polymère de polyester insaturé. Dans la plupart des applications, le liant de polyester est une formulation de prépolymère de polyester insaturé d'usage général [6-7]. Le béton de polyester possède une bonne résistance mécanique, adhère assez bien aux autres matériaux et résiste bien aux produits chimiques et aux cycles gel-dégel. Cependant, il rétrécit beaucoup pendant et après la prise (jusqu'à dix fois plus que le béton de ciment Portland), ce qui constitue un grave inconvénient pour certaines utilisations. Ce type de béton est employé, coulé sur place ou en éléments préfabriqués, dans les travaux de construction notamment d'édifices

2 publics ou commerciaux ainsi que pour la fabrication de carreaux de plancher, de tuyaux d'égout et d'escaliers. Dans certaines applications, pour rendre les bétons de résine encore plus performants, on les renforce à l'aide de divers types de fibres : fibre de verre, voile à base de fibre de verre, tissus et fibres métalliques. Pour certaines applications spéciales, ils concurrencent le béton conventionnel. Son comportement en déformation varie beaucoup selon la formulation [8-9-10]. Le module d'élasticité peut varier entre 20 et environ 50 GPa, la déformation à la rupture sous traction étant habituellement de 1 pour cent. Le taux de déformation du béton de résine suite au retrait varie selon le type de polymère utilisé et doit être pris en considération lors de son utilisation. La déformation est ainsi importante dans le cas du liant polyester et faible dans le cas de celui de l époxy [11]. Ce travail vise à formuler des micro bétons à base de résine polyester utilisant 2 types l un fin et l autre moyen et un gravier 3/8 mm. L étude s est surtout penchée sur l optimisation de la formulation. 2. PROCEDURES EXPERIMENTALES 2.1. Matériaux de l étude Les matériaux utilisés sont un sable de dune fin de module de finesse 0.8, un sable de dune moyen de module de finesse 1.83, un gravier de fraction 3/8 et un liant qui est une résine polyester sous formes liquide, de masse volumique 1.11g/cm 3, de couleur rouge foncé, inflammable, de viscosité 20 dpa.s et de résistance à la traction de 45 MPa et à la compression entre 50 et 150 MPa. Les additifs qui sont un accélérateur et un durcisseur ont été fournis sous forme de liquide. Un film PVA servant d isolant de résine a été utilisé pour éviter le collage entre la résine et le moule. Les caractéristiques physiques mesurées des composants ainsi utilisées sont rassemblées dans le tableau 1. Tableau 1 : Caractéristiques physiques des sables et du gravier de l étude Caractéristiques Sable moyen Sable fin Gravier 3/8 Module de finesse Masse vol. apparente g/cm 3 Masse vol. absolue g/cm 3 Porosité (%) Propreté (ES en %) Dispositifs et essais expérimentaux Eprouvettes Des éprouvettes prismatiques de dimensions cm ont été utilisés pour l essai de flexion 3 points et les demi- éprouvettes obtenues après rupture ont été testées en compression. Après 24 heures de conservation dans l eau, les éprouvettes sont ensuite placées dans l étuve à une température de 110 C. Les résultats de mesure des masses dans les 2 situations sont présentés dans le tableau 2 : Tableau 2 : Conservation des bétons de résine Masse (g) en Conservation sous l eau Conservation en étuve

3 Masse avant (g) Masse après (g) Essai de flexion L essai a été mené sur une machine de flexion avec un montage de flexion 3 points à chargement manuelle à une vitesse de chargement constante jusqu à rupture de l échantillon. Les appuis sont constitués par des rouleaux en acier. Le calcul de la résistance à la traction par flexion est donné par la formule suivante : R tf = (3PL)/2bh 2 où P représente l effort de rupture, L la distance entre les appuis et b et h les dimensions de l éprouvette (respectivement la largeur et la hauteur) Essai de compression Les essais ont été menés sur une presse de compression de capacité 50 t. Il s agit de déterminer la contrainte de compression conduisant à l écrasement d une demie- éprouvette de micro béton de résine. La résistance à la compression est calculée par la formule suivante : σ = P/S, où P et S sont respectivement l effort de rupture et la section de l éprouvette. 3. FORMULATION Dans cette étude expérimentale une méthode empirique se basant sur le principe du point de saturation des sables avec la résine a été utilisée pour optimiser la formulation du béton de résine. La démarche a consistée à déterminer une formule en utilisant deux types de sable, le premier est fin et le second est moyen en partie égale (50% sable fin, 50% sable moyen). Le but de l utilisation de deux types de sable est surtout d améliorer le squelette granulaire. Pour obtenir la saturation du béton, il a été procédé à la variation du taux de résine par pas. Le pourcentage de résine est choisi par rapport au poids du sable. Selon une étude antérieure, le taux de résine suffisant pour saturer le béton est estimé à 13% (% massique). Dans notre cas, le taux de 13% de résine expérimentée s est avéré insuffisant car une non saturation du sable dont une grande partie n a pas été mouillée a été observée. Il a alors été procédé à une élévation du taux de résine jusqu'à 25%. La composition ainsi obtenue a encore montré un non saturation totale mais s est révélée être un bon indicateur de référence pour arriver à l optimisation. Nous avons alors procédé par la suite avec un pas de 5%. A 30% de taux de résine, une pâte très liquide indiquant une sursaturation a été obtenue. Nous avons alors opté de façon empirique pour une valeur moyenne se situant entre 25% et 30%. Un taux moyen de 27 % entre ces deux expérimentations a été adopté. Les différentes formulations du mortier de résine obtenues avec les différents pourcentages de sables expérimentés sont présentées dans le tableau 3. Tableau 3 : Formulation des mortiers de résine, (%) : pourcentage massique Constituant I II III en % Sable fin Sable moyen Résine Durcisseur Avant d entamer la préparation du béton, nous avons d abord déduit dans le mortier le rapport du sable fin sur le sable moyen qui donne les meilleurs résultats de résistances en traction par flexion et en compression. Le mélange 3 (60% Sable fin, 40% Sable moyen) est apparu comme étant le mélange

4 optimal à prendre comme référence dans la formulation des bétons de résine. L utilisation de deux fractions des sables améliore le squelette granulaire. Les différentes formulations des bétons de résine sont présentées dans le tableau 4. Il est à signaler que le taux des sables, de résine et du durcisseur étant fixés, c est le rapport G/S qui a été varié. Après 24 heures de conservation des éprouvettes dans l eau, il en résulte que le béton de résine est un matériau imperméable et résiste bien au feu. Tableau 4 : formulation des bétons de résine Constituants (%) Béton I G/S=0.5 Béton II G/S=1 Béton III G/S=1.5 Béton IV G/S=2 Sable fin Sable moyen Résine polyester Durcisseur RESULTATS ET DISCUSSIONS 4.1. Influence du pourcentage des sables sur la résistance des mortiers Le tableau 5 résume les valeurs mesurées des résistances mécaniques obtenues en flexion et en compression pour les 3 mélanges de mortiers fabriqués. Les chiffres entre parenthèses indiquent les écarts types calculés. Comme il apparaît, les valeurs mesurées montrent une dispersion caractéristique des matériaux granulaires hétérogènes. Celle-ci est toutefois inférieure à celle généralement observée sur les bétons ordinaires ou sur les mortiers. Tableau 5 : Résistances mécaniques des mortiers de résine. Résistance MPa Mélange I Mélange Mélange III II Flexion 20 ± (1) 21,3 ± (0.2) 23 ± (1.4) Compression 51± (3.72) 58 ± (2.7) 70 ± (2.3) Le pourcentage des sables influe sur la nature du mortier de l étude. Ceci est déjà observé de façon qualitative lors de l écrasement des éprouvettes en flexion et des demi- éprouvettes en compression. Cette influence est illustrée sur les courbes des figues 1 et 2 respectivement pour la sollicitation de flexion et celle de compression. Les résistances augmentent en fonction de l augmentation du taux de sable fin. Cette augmentation est beaucoup plus marquée dans le cas de la compression que dans celui de la flexion. Figure 1 : Influence du pourcentage des sables sur la résistance en flexion des mortiers de résine.

5 la résistance en Mpa la résistance à la compression du mortier de résine avec la variation de taux du sable melange I (40% sable fin) (60% sable moyen) melange II (50% sable fin) (50% sable moyen) les mélanges melange III (60% sable fin) (40% sable moyen) Figure 2 : Influence du pourcentage des sables sur la résistance à la compression des mortiers de résine. Le mélange III présente la meilleure résistance à la traction et à la compression (Il est composé du 60% de sable fin et de 40% sable moyen) à cause probablement de la bonne granulométrie de l étendue granulaire du sable de dune fin et moyen Influence de G/S sur le béton de résine polyester Les résultats obtenus de la résistance à la compression et à la traction par flexion des bétons de résine pour les différents rapports G/S expérimentés sont regroupés dans le tableau 6. Les chiffres entre parenthèses représentent les écarts-types. Résistance MPa Tableau 6 : Résistances mécaniques des bétons de résine. Béton I Béton II Béton III G/S=0.5 G/S=1 G/S=1.5 Béton IV G/S=2 Flexion 20.5 ± (1.82) 27.5 ± (1.68) 18.8 ± (0.9) 19.5 ± (1.6) Compression 64 ± (0.96) 118 ± (1.40) 79 ± (3.42) 66.5 ± (1.76) Ces résultats sont illustrés par les figures 3 et 4 respectivement pour la sollicitation de flexion et pour celle de compression. Comme on peut le constater les résistances à la flexion et la compression augmentent avec le rapport G/S jusqu à la valeur du rapport 1 puis diminuent progressivement au-delà de cette valeur. Il apparaît ainsi que la résistance à la traction par flexion est plus faible lorsque le rapport G/S =2 squelette granulaire du béton de résine. Lorsque le rapport G/S est élevé l adhérence entre la résine et les granulats devient mauvaise ce qui confère au béton de résine une mauvaise qualité. Les meilleures résistances à la traction par flexion et à la compression sont obtenues pour le rapport G/S =1.

6 la résistance en Mpa l'influence de rapport G/S sur la résistance à la trction par flexion du béton de résine 0,5 1 1,5 2 le rapport G/S Figure 3 : Influence du rapport G/S sur la résistance en flexion du béton de résine l'influence de rapport G/S sur la résistance à la compréssion du béton de résine 150 la résistance en Mpa ,5 1 1,5 2 le rapport G/S Figure 4 : Influence du rapport G/S sur la résistance à la compression du béton de résine 4.3.Faciès de rupture Les faciès de rupture des demi éprouvettes obtenues lors des essais flexion sur le béton de résine sont montrés sur la figure 5. Les différents squelettes illustrent les différentes morphologies obtenues en fonction du rapport G/S. G/S =0.5 G/S = 1 G/S = 1.5 G/S = 2 Figure 5 : Morphologie de rupture des bétons de résine pour les différents rapports de G/S

7 5. CONCLUSION La recherche de la formulation du béton de résine s est articulée sur une méthode empirique se basant sur le principe du point de saturation des sables avec la résine. Dans notre cas nous avons opté pour un taux de 27% comme point de saturation avec un taux de 2.4% de durcisseur. Le mélange de 60% de sable fin et de 40% de sable moyen et un rapport G/S égal à 1 est apparu comme étant le mélange optimal à prendre comme référence dans la formulation des bétons de résine et donne la meilleure résistance à la flexion et à la compression. Références [1] Blaga, A et Beaudoin J.J., 1986, Digest de la construction au canada 241 F, Ottawa. [2] Blaga A et Beaudoin J.J., 1986, Digest de la construction, Publication de l IRC-CNRC. [3] Gorninski J.P., Molin D.C. and Kazmierczak, 2004, Cement and Concrete Research. [4] Gorninski J.P., Molin D.C. and Kazmierczak, 2007, Construction and Building Materials. [5] Novoa P.J.R.O, Ribeiro M.C., Ferreira A.J.M. and Marques A.T., 2004, Composite Science and Technologie. 6] Blaga A., 1975, Digest de la Construction au Canada 159F, Ottawa. [7] Seymour R.B., 1979, American Chemical Society, Washington, D.C. [8] Blaga A., 1975, Digest de la Construction au Canada, 157F, Ottawa. [9] Haidar M. and El Gorbel I., 2008, 26emes Rencontres Universitaires de Génie Civil, 4-6 Juin 2008, France. [10] Czarnecki L. and Broniewski., 1981, 3rd International Congress on Polymer in Concrete, Koriyama, Japon. [11] Mirouzi G., 2010, Mémoire de Master II, Génie Civil, option Matériaux, Université Annaba, Algérie.