composites textile-mortier : application à la réparation et/ou renforcement de poutres en béton armé vis-à-vis

Ces travaux de recherche concernent la réparation et le renforcement des structures en béton armé avec des matériaux composites. Le comportement global en flexion de la structure peut être modifié de manière significative (augmentation de la résistance au cisaillement et à la compression des poteaux). un B). XWLOLVation des matériaux composites à matrice cimentaire dans le secteur de la construction est donc très traditionnelle.

De plus, les fibres de renfort limitent le retrait de la matrice lors de la phase de durcissement. Cependant, la compréhension des mécanismes des composites fibres-ciment combinée aux méthodes O¶pODERUDWLRQGHQRXYHOOH GHPLVHHQ°XYUHGHFHFRPSRVLWHRQt a conduit à la conclusion que les fibres synthétiques et naturelles pourraient ajouter de la résistance au béton [NAAMAN_82], [KRENCHEL_85]. XYUHSDUPRXODJHDX contact in situ dans le cadre de réparation et/ou renforcement de poutres en béton armé par rapport à la coupe.

ÉTUDE BIBLIOGRAPHIQUE : MATÉRIAUX COMPOSITES TEXTILE-

I NTRODUCTION

Une revue approfondie des études liées aux matériaux composites textile-mortier est présentée dans ce chapitre. La première se concentre sur les matériaux composants tels que les renforts textiles, les matrices ainsi que leurs procédés de placement °XYUH. Ce chapitre visera essentiellement à identifier les obstacles scientifiques et technologiques, tant en termes de méthodologie expérimentale, qu'indiVSHQVDEOHjXQHFDUDFWpULVDWLRQILQHHWSHUWLQHQWHGHV75&TX¶HQWHUPHV à différentes échelles matérielles.

L ES MATRICES CIMENTAIRES ( MINÉRALES )

• Mortier de clinker Portland
• Mortiers G¶DOXPLQDWHGHFDOFLXP
• Mortiers phosphatiques
• Mortiers chargés de polymère
• a Imprégnation du mortier par polymère (PIC)
• b Modification du ciment par polymère (PMC)

Cependant, afin de conserver la consistance fluide du mortier, Brameshuber a dû limiter la quantité de fumée de silice à moins de 10 % du poids total du liant (mortier PZ-0899-01), tandis que pour pOLPLQHUFRPSOqWHPHQWO¶DONDOLUpDFWLRQ le poids de la fumée. plus de 25 % de la masse du liant est nécessaire [SELLEVOLD_82], [ZHANG_91]. La vubonite est une matrice phosphatée issue de la réaction entre une poudre composée de wollastonite et une solution aqueuse. Avant la solidification, l'acide phosphorique (pH = 1) acidifie le matériau, mais lorsqu'il commence à se solidifier, la vubonite devient neutre.

Il faut cependant noter le retrait de la Vubonite (1 mm/m en 28 jours), qui est tout de même 80 % supérieur à celui du mortier de clinker Portland (FA-1200-01) à haute durabilité. La matrice formulée (PZ-PM-20) est similaire à la matrice PZ-0899-01 (identifiée précédemment), mais la masse de liant de la matrice de référence a été réduite et remplacée par la masse de copolymère (méthacrylate de méthylbutyle), qui correspond à 20 % de la masse du nouveau liant. XVVL G¶DSUqV [WALK-LAUFFER_03@ O¶DMRXW GH Le polymère de pétacrylate de méthyle améliore considérablement la résistance chimique de la matrice.

L ES TEXTILES

• Nature de filaments
• Verre-E et verre-AR
• Basalte
• Aramide
• Carbone
• Acier inoxydable
• Technologies textiles
• Tricotage à maille jetée
• a Canevas
• b Tricot à maille jetée
• c Grille à maille jetée à 3 dimensions
• Tissage
• Tressage
• Collage

Les différentes couches de fil UHSULVHG¶HIIRUWV sont maintenues ensemble par un point de chaînette dont les mailles sont probablement LQGpSHQGDQWHVGHHFHOHVGHVILOVGHUHSULVHG¶HIIRUWV/HVILOVGHFKDvQHWWHVRQWDLQVL HIIRUWVQ OHUVVOLWVQV HIIRUWV GHU SOXVLWVQU SOXHV LVQJ ¶HIIRUWVGH les différentes directions ne sont pas nécessairement reliées par les fils de la chaîne. Le tricot chaîne est assez proche de la toile, cependant les fils à repriser sont les mêmes. Par conséquent, contrairement au canevas, le schéma de treillis métallique dans FKDvQHWWH HVW GpSHQGDQW GH FHOXL GHV ILOV GH UHSULVH G¶HIIRUW /HV WULFRWV j PDLOOH offre donc moins de liberté de conception que les canevas.

Cependant, leur surfpgpghplvhhq ° xyuholplpljqlilfdwlyhphqwo jeuqgrppdjhphphvg fils de uhsulvhg jeuiluw/dvwddelolwpjpjprppwultxhgxwulfrwjpdloohwphgpst Chéma, la taille et la tension des boucles de la chaîne. Ces grilles sont reliées par des fils de faible section mais présentant une raideur en flexion importante, permettant les grilles G¶DVVXUHUO¶HVSDFHVRXKDLWpHQWUH. Les fils sont ainsi reliés par tissage, c'est-à-dire en faisant passer les fils de trame au-dessus et en dessous des fils de chaîne dans un ordre prédéterminé.

L ES DIFFÉRENTS PROCÉDÉS DE PRODUCTION DES TRC

• Moulage au contact in situ
• Projection in situ
• Préfabrication (production de masse)
• Pultrusion
• Pultrusion et compactage
• Imprégnation mécanique
• Pompage et injection
• Conclusions

Ce procédé semble donc très pertinent pour réparer ou renforcer des structures utilisant le composite TRC. Ce procédé permet uniquement la préfabrication de coques TRC, mais présente l'avantage, par rapport au procédé précédent, de prendre moins de place. Semblable à la pultrusion, un composite TRC est pultrudé puis compacté.

Immédiatement après son passage dans un bain de Vubonite, le renfort passe entre 2 cylindres horizontaux rotatifs qui forcent l'imprégnation de la matrice, comme illustré sur la figure 25. Ce procédé permet la préfabrication de Pièces composites TRC aux formes complexes. Cependant, l’évaluation de la réparation à l’aide du composite TRC est conforme aux LQpOXFWDEOHPHQWSDUXQHPLVH°XYUHVXUFKDQWLHU$XVVLOHUHFXOUHODWLIjO¶HPSORL de ces matériaux et tend à être prudente.

M ÉCANIQUE DES TRC

• Introduction
• Échelle nanoscopique (adhérence filament-mortier)
• Échelle microscopique
• Adhérence filament-mortier
• Adhérence fil-mortier
• a (VVDLVG¶DUUDFKHPHQWILO-mortier
• b Comportement mécanique
• b.i « Adhérence interne » inférieure à « O¶DGKpUHQFHH[WHUQH »
• b.ii « Adhérence interne » supérieure à « O¶DGKpUHQFHH[WHUQH »
• Échelle mésoscopique et macroscopique (Adhérence structurelle)
• Les produits de préimprégnation des textiles
• Influence de la préimprégnation des fils sur leur adhérence avec la matrice

Selon la configuration du textile et O¶HQVLPDJHFHVILODPHQWVVRQWSOXVRX moins étroitement ensemble. Ce modèle montre que dans la zone autour d'une fissure la déformation maximale des filaments internes est inférieure à celle des filaments externes du fait des filaments non imprégnés (figure 35), [OHNO_94]. Des conclusions similaires ont été tirées pour un modèle légèrement plus complexe [BANHOLZER_04]FRQVLGpUDQWXQHGLPLQXWLRQGHO¶HQUREDJHGHVILODPHQWVHQVH approchant du centre du fil, ce qui entraîne un RQGHO¶DGKpUHQFHHQWUH OHVILODPHQWV &HWWH UpGXFWLRQ GH O¶DG KpU HQF H HQJHQGUH j O¶LQWHUVHFWLRQ G¶XQH fissure , une diminution de la tension dans les filaments se rapprochant de la non-linéarité pré-crête dans le fil TXLHVWjO¶RULJLQHGHOD non-linéarité pré-crête, mise en évidence sur la Figure 34.

HWDX[G¶LPSUpJQDWLRQGHVILOVYDULE selon la nature de la matrice, la configuration du textile et le mode de sertissage. Dans ce cas, la non-linéarité pré-pic mise en évidence sur la figure 34 peut être attribuée à la rupture de la matrice externe, accompagnée de la rupture possible de certains filaments externes. Les essais réalisés sur le mortier PeOHGHWDOPRQWUHQWDLQVLTXHO¶DGKpUHQFHILO (fil simple et linéaire noyé dans une matrice cimentaire) sont nettement différents de D GH SOXV pWp PRQWUp TXH O¶DGKpUHQFH WH[WLOH la technologie textile variait selon la géométrie WULFRWpWLVVp«HWFRQILJXUDWLRQGHPDLOOH\SHHW ODUJHXUGHPPDLOOH.

C ARACTÉRISATION MÉCANIQUE DU COMPOSITE TRC EN TRACTION

• Limites de validité des essais de flexion
• Description des essais de traction existants
• Comportement mécanique en traction
• Influence des paramètres du TRC sur le comportement mécanique en traction du
• Nature de la matrice
• La nature des filaments

DORUVSDVDQRGLQGHV¶LQWHUURJHUVXUO¶LQIOXHQFHGHODYDULDWLRQGHODFRQILJXUDWLRQ renforcement du TRC sur les paramètres de Weibull de la matrice. Puis, lors de la propagation de la première fissure (VXUODIDFHGHO¶pSURXYHWWH la plus faiblement renforcée), que l'on peut observer comme un joint, se produit un déplacement hors plan important (Fig. 109-c). Le gain théorique maximum en raideur de la zone 1 (+2,6 GPa) est très inférieur à l'étalement de ce paramètre (Figure 115).

Les courbes d'évolution de la raideur finale (E3HWGHODUpVLVWDQFHıcar3) des TRC en fonction du taux de renforcement volumique, pour une configuration de fils identique sont linéaires (figures 119 et 120). E(10)/AAI(17)", la tension "ıcar1" devient beaucoup plus grande (45%) que la résistance de la matrice (à noter que cette structuration présente le taux d'amplification maximum G¶DUPDWXUHV© AAI. Il semble également que la nature de la matrice a une influence sur "E1" (bien que la nature du mortier concerné, "P1" et "FªQ¶RQWIDLWO¶REMHWTXHG¶XQHVVDL ces résultats soient donc à prendre avec prudence).

VR Résistance caractéristique à la fissuration de la matrice composite dans le modèle de Weibull. Il convient de rester prudent (seulement 2 ou 3 échantillons testés en structure), mais la « dispersion » observée expérimentalement entre ces échantillons de même structure (figures 169, 170 et 171) va dans le sens de la note précédente. Le rapport de la distance entre O¶DSSXLHWOHSRLQWG¶DSSOLFDWLRQGHODFKDUJH (a) et la « hauteur effective » de la poutre (d) (rapport a/d) [BOUSSELHAM _06].

6.4.3 /¶DXJPHQWDWLRQGXQRPEUHGHILODPHQWVpar fil

• Espacement entre les boucles de chainettes
• Précontrainte des fils
• Préimprégnation du textile
• Direction du textile tricoté (Utilisation direction de chaine ou trame)

6.4.8 /¶RULHQWDWLRQGHVILOV

• Taux de renforcement
• La cure du composite
• Modes de rupture du TRC
• Renfort non préimprégné
• Renfort préimprégné
• C ONCLUSION

DÉVELOPPEMENT D'UNE PROCÉDURE D'ESSAI EN TRACTION

M ATÉRIAUX EMPLOYÉS

• Matrice
• Mortier de référence
• Formulation évolutive : YDULDWLRQSDUDPpWULTXHGHODIRUPXODWLRQG¶XQPRUWLHU -IS
• Renfort
• Grilles tricotées
• Armatures de répartition
• Produits de préimprégnation

3.1 &RQFHSWLRQGHO¶HVVDL

3.1.1 0LVHHQ°XYUHGHVpSURXYHWWHV

• a Plats de composite TRC
• b Éprouvettes
• Description des mors
• Instrumentation et chargement
• Référencement des TRC

3.3 &RPSRUWHPHQWGHV75&HQWUDFWLRQGLUHFWHHWPpWKRGRORJLHG¶H[SORLWDWLRQ

• Lois de comportement contrainte-déformation
• Taux de travail du renfort

3.3.3 3UpYLVLRQGHO¶HVSDFHPHQWGes fissures

3.4 9DOLGDWLRQGHO¶HVVDLGHWUDFWLRQGLUHFWHHWDQQDO\VHGXFRPSRUWHPHQWGX75&

• Mesure de champ VSDUFRUUpODWLRQG¶LPDJH

3.4.2 $QDO\VHGHVPHVXUHVGHFKDPSVGDQVOHFDGUHGHO¶HVVDLGHWUDFWLRQGLUHFWH

3.4.3 « Pureté » du champ de traction

• Homogénéité du champ de traction
• Représentativité de la zone de mesure et comportement à proximité des talons

Similaire au cas précédent, lors de la première phase de chargement (zone 1), le renfort sur le plan latéral (figure 186-a) semble être le plus économique en termes de matériaux, mais il suffit souvent d'en changer la composition (notamment dans le cas d'une poutre en "T"), ce qui réduit sa contribution à O ¶HIIRUW WUDQFKDQW(Vf), et conduit à une augmentation de la section de renfort nécessaire.

3.4.6 5HSUpVHQWDWLYLWp GH O¶HIIRUW PHVXUp HQ YXH GX FDOFXO GH OD FRQWUDLQWH PR\HQQH HW PRGH GH

3.4.7 5HSURGXFWLELOLWpGHO¶HVVDLGHWUDFWLRQ

• a Zone 1 de la courbe contrainte-déformation
• b Zone 2 et 3 de la courbe contrainte-déformation
• Conclusions
• Influence des défauts des plats TRC sur leur comportement en traction directe
• a Comportement global
• b Comportement local
• b.i 9RLOHPHQWGHO¶pSURXYHWWHV\PpWULHPDvWULVpH
• b.ii 'LVV\PpWULHGHO¶pSURXYHWWHYRLOHPHQWPDvWULVp
• A MÉLIORATION DES PERFORMANCES EN TRACTION DES COMPOSITES TRC-ISRS EN FONCTION
• Taux de renfort et fils
• Nombre de filaments par fil
• Influence des armatures de répartition
• Nature du mortier
• Produit de préimprégnation

4.6 3URFpGpGHPLVHHQ°XYUH

• Loi de comportement
• Étude des zones 1 et 2
• Étude de la zone 3
• TRC-ISRS amélioré

4.7.1 3URSULpWpVjO¶pWDWIUDLVGHODPDWULFH© MIS »

• Lois de comportement et taux de travail de la matrice « MIS »
• Détermination du schéma de fissuration en fonction du chargement appliqué au TRC-ISRS
• Description sommaire des modèles de Ahn et Cuypers
• Recalage du modèle de Ahn
• Validation du modèle
• Influence de la configuration du renfort textile sur les paramètres de Weibull
• Dé WHUPLQDWLRQGHO¶RXYHUWXUHPR\HQQHGHVILVVXUHV
• C ONCLUSIONS

APPLICATION DE TRC À LA RÉPARATION ET/OU

I NTRODUCTION

DUpSDUDWLRQHWRXOHUHQIRUFPHHQWG¶pOpPHQWVVGHVWUXFWXUHHQEpWRQDUPp est un marché en plein essor qui a vu apparaître des matériaux composites du type ..amp;)53V¶LPSRVHUGHSXQQHVLHFHF RPEHDX[WUqV SHUIRUPDQFHV TXH F HV PDWULDX[ VRQW VXVFHSWLEOHV G¶RIIULU notamment en termes de résistance spécifique et de rigidité. Cependant, SURFpGp GH UHQIRUFHPHQW SDU &)53 V¶DFFRPSDJQH GH OLPLWHV SDUIRLV WUqV KDQGLFDSDQWHVQRWDPPHQWGXIDLWG¶XQHWHQXHDXIHPLXQWFRUHVqV DYHFOHVFULWq UHVGHGpYHORSSHPHQWGXUDEOHOLpHjO ¶HPSORL fibre de carbone, et enfin en raison du coût de la fibre de carbone, qui peut être UpY pOHUUpGKLELWRLUH&HFRQVWDWMXVWLILHGqVORULUVHUXe La procédure compense les inconvénients susmentionnés en garantissant les performances conformément aux exigences de réparation. Le premier est la vérification de la faisabilité technologique de la réparation HQ°XYUHGLUHFWHPHQWVXUODSRXWUHSDUPRXODJHDXFRQWDFWLL/HGHX[LqPH L'objectif vise à positionner les performances mécaniques des TRC (in situ et préfabriqués comme THE) plus traditionnelles.

B RÈVE REVUE BIBLIOGRAPHIQUE

O¶HIIRUW GDQV OHV DUPDWXUHV ORQgitudinales inférieures de la même manière que la partie supérieure comprimée de la poutre est égale à "N. Ce sont les fissures dues au moment déviéLVVDQWTXLV¶LQLWLHQWOHVSUHPLqUHVi la partie centrale inférieure de la poutre. Ce mode de rupture est considéré si la quasi-majorité des fissures sont quasiment verticales et situées dans le tiers central de la longueur libre entre les appuis.

Le mécanisme de rupture au moment fléchissant est dit « ductile ª HQ UDLVRQ GH OD SODVWLILFDWLRQ GH O¶DUPDWXUH PpWDOOLTXH TXL HVW soumis à la traction (figure 177). De plus, si l'endommagement provoque une rupture instantanée de la poutre pour une flèche potentiellement très faible. La rupture de la poutre se produit lorsque la fissure atteint la zone supérieure de la poutre où le béton est proche de sa contrainte de rupture en compression (figure 182).

Ce type de G¶HQGRPPDJHPHQWHVWSURFKHGe qui par compression du béton dans les barres de liaison FDUFRPPHGDQVFHGHUQLHUO¶HQGRPPDJHPHQWGjO¶DGKpUHQFHSDUFLVDLOOHPHQW permet une redistribution des efforts internes de la poutre. La séparation entre le composite et la poutre en béton armé peut théoriquement se produire dans 6 parties différentes de la poutre (figure 188jO¶LQWHUIDFH armature de traction-EpWRQGDQVO¶HQUREDJHHQEpWRQjO¶LQWHUIDFHEpWRQ colle, jcomposiq FÖLQ, (5) et (6) dans le composite (délaminage ) Les modèles répertoriés dans la bibliographie proposent donc le calcul de OD FRQWULEXWLRQ GX UHQIRUW FRPSRVLWH j O¶HIIRUW WUDQFKDQW « Vf » indépendant de celui de la poutre en béton armé.

La principale différence entre ces modèles réside dans la détermination de la contrainte moyenne maximale (ou déformation moyenne maximale) atteinte dans le composite de renfort lors de la rupture de la poutre (contrainte ou déformation effective, généralement bien inférieure à la résistance ou déformation ultime de la poutre). composite en tension pure). En revanche, le confinement de la poutre entraîne une augmentation maximale de la charge ultime de 109%, associée à un mode de rupture lié au moment fléchissant [TRIANTAFILLOU_06], (figure 193). se brise d'un côté du faisceau, soulageant ainsi son instrumentation (figure 195).

Une configuration en « U » continu est alors logiquement adoptée pour réparer la poutre « R30 » (Fig. 200-a).

2.1 &203257(0(0(17'¶81(32875((1%e721$50e

• Analogie du treillis

2.1.2 )DFWHXUVLQIOXHQoDQWOHFRPSRUWHPHQWG¶XQHSRXWUHHQEpWRQDUPp

2.1.3 0pFDQLVPHGHUXSWXUHG¶XQHSRXWUHHQ%pWRQ$UPp

• a Mécanisme de rupture vis-à-vis du moment fléchissant
• b 0pFDQLVPHGHUXSWXUHjO¶HIIRUWWUDQFKDQW

2.2 &RPSRUWHPHQW G¶XQH SRXWUH HQ EpWRQ DUPp UHQIRUFpH RX UpSDUpH SDU FRPSRVLWH

• Introduction

2.2.2 5HQIRUFHPHQWGHSRXWUHVHQEpWRQDUPpjO¶HIIRUWWUDQFKDQW

• a &RQILJXUDWLRQVFRXUDQWHVGHUHQIRUFHPHQWjO¶HIIRUWWUanchant
• b 0pFDQLVPHVGHUXSWXUHGHVSRXWUHVUHQIRUFpHVRXUpSDUpHVjO¶HIIRUWWUDQFKDQW
• b.i Rupture du composite
• b.ii Rupture par désolidarisation
• c Description des modèles de calcul prévisionnel (ELU) de poutres béton armé renforcées à

2.3 &RPSRUWHPHQW G¶XQH SRXWUH HQ EpWRQ DUPp UHQIRUFpH RX UpSDUpH SDU FRPSRVLWH

• Introduction

2.3.2 0LVHHQ°XYUHHWFRQILJXUDWLRQGHUHQIRUFHPHQW

• Résultats
• Conclusions
• P ROCÉDURE EXPÉRIMENTALE VISANT L ¶ ÉTUDE DE LA RÉPARATION DES POUTRES BÉTON ARMÉ
• Méthodologie

3.2 0DWpULDX[HWPLVHHQ°XYUH

• Poutres béton armé
• a Béton
• b Acier
• Composites de réparation
• a Composite carbone époxy (CFRP)
• b Composites textile-mortier (TRC)
• Plan de ferraillage
• ConILJXUDWLRQGHUpSDUDWLRQGHVSRXWUHVHQGRPPDJpHVHWPRGDOLWpVGHPLVHHQ°XYUH
• Endommagement et réparation des poutres
• Dimensionnement
• Référencement des poutres
• Poutres saines (référence)
• Réparation par CFRP
• Collage de plats préfabriqués
• Moulage au contact in situ

3.3.8 3URFpGXUHGHPLVHHQ°XYUHGHVFRPSRVLWHVGHUpSDUDWLRQ

• a Composite carbone époxy (CFRP)
• b Composite textile-mortier (TRC)
• b.i Collage de plats préfabriqués
• b.ii Moulage au contact in situ
• Instrumentation et principe de chargement
• P ERFORMANCES GLOBALES
• Description et confrontation du comportement des poutres saines et réparées

4.1.2 ,QIOXHQFHGHO¶DXJPHQWDWLRQGHO¶pSDLVVHXUGX75&VXUOHVSRXWUHV « R30 »

• Influence du procédé de réparation des poutres
• Confrontation du comportement des poutres « R30 » et « R40 »
• Mode de rupture des poutres
• C OMPORTEMENT À L ¶ ÉCHELLE LOCALE
• Comportement local des poutre réparées
• Comportement local du TRC de réparation

5.2.1 0LVHHQ°XYUHSDUFROODJHGHS lats préfabriqués de « TRC(5) »

5.2.2 0LVHHQ°XYUHSDUPRXODJHDXFRQDFW in situ de « TRC(5) »

• a Comportement local du TRC de réparation par bandes en « U »
• a.i Description
• a.ii Influence de la configuration en « U »
• a.iii Justifications
• b Comportement local du TRC de réparation continu en « U »
• P ERTINENCE DU MODÈLE DU TREILLIS DANS LE CAS DE RÉPARATION DE POUTRES BÉTON ARMÉ
• Qualitatif
• Quantitatif
• Estimation du taux de travail
• C ONCLUSIONS

Matériel utilisé

Symboles et abréviations

• Symboles (alphabet latin)
• Symboles (alphabet grec et latin)

Modèle Aveston-Cooper-Kelly (A.C.K.)

• Hypothèses du modèle ACK
• Zone pré-fissuration (Zone 1)
• Zone de multi-fissuration (Zone 2)
• Zone post-fissuration

Modèle de Ahn et curtin

• Hypothèses
• Description du modèle
• a Calcul de la déformation du composite en fonction de la contrainte qui lui est appliquée
• b Calcul de la population de défauts dans la matrice du composite
• Analyse du modèle
• Obtention de la contrainte de cisaillement (W o jSDUWLUG¶HVVDLVH[SpULPHQWDX[

I NFLUENCE DU RENFORT TRC SUR LES DÉFORMATIONS EN FLEXION