Materiaux Composites [PDF]

Zitiervorschau

Les Matériaux Composites LES ARMATURES COMPOSITE

Yacine

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Table des Matières Résumé

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Introduction I. II.

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Phénomène problématique de la corrosion des structures  5 Généralité sur les matériaux composites Définition

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Structure et constituant des matériaux composites Fabrication des pièces composites  III.

Armatures composites 11 1- Les fibres des armatures composites 

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2- Propriétés des armatures composites :

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3- Avantages et inconvénients des armatures composites

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4- Domaine recommandé d’application en Génie Civile 

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Normes

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V.

Perspective

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VI.

Conclusion

22

VII.

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5- Exemples d’utilisation des armatures composites  20 IV.

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Références Bibliographiques

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Tables des Figures Figure 1 – Armature en acier corrodé –

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Figure 2 –Armure et Matrice d’un composite – Figure 3 – Fibre de verre –

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Figure 4 – Fibre de carbone –

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Figure 5 – Fibre d’Aramide – 7 Figure 6 – Structure d’Armure composite – 8 Figure 7 – CMO –

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Figure 8 – CMC –

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Figure 9 – CMM –

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Figure 10 – Méthode de fabrication des armatures composites – 9 Figure 11 – Para-aramide – 15 Figure 12 – Méta-aramide – 15 Figure 13 – Illustration Armatures a fibres –16 Figure 14 – Composition fibreuse des Armatures composite / vue microscopique –

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Figure 15 – Contrainte de quelque type d’armatures composites commercialisées –

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Figure 16 –Traitements des armatures composites sur chantier – 19 Figure 17 – Equivalence d’armatures de résistance par diamètre – Figure 18 – Illustration d’application d’armature composite –

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Résumé La principale pathologie des ouvrages en béton armé est due à la corrosion des armatures en acier et beaucoup de recherches se sont intéressées à l’utilisation d’armatures insensibles à la corrosion, comme les aciers inoxydables ou plus récemment des armatures composites à fibres longues et à matrice organique. Cet article traite les armatures composites d’un point de vue technique, environnemental. Au plan technique, les principaux codes de dimensionnement existants sont décrits et utilisés pour déterminer la quantité d’armatures nécessaire pour chacune des solutions. L’influence de certains paramètres clés pour le dimensionnement de structures en béton renforcées par armatures composites est discutée. Pour la comparaison environnementale, trois modèles de poutres en béton, armées avec les trois types d’armatures, ont été analysés en se limitant à la partie fabrication des matériaux et transports des matériaux sur site. Les phases de mise en œuvre sur site, de vie en œuvre et de fin de vie de l’ouvrage ne sont pas prises en compte dans les frontières de l’étude. Ce travail préliminaire ouvre de nombreuses perspectives pour proposer aux maîtres d’ouvrage des outils de prise de décision lors de la réalisation de nouvelles structures.

Introduction Au Canada le quai municipal Marina de New Richmond, qui n’est plus accessible depuis quelque mois est bel et bien dans un très mauvais état, l’inspection sous-marine dans son rapport déclara que : « 25  des 132  pieux sont manquants et ont été observés au fond marin et les poutres de béton armé du tablier du quai présentent de nombreuses zones d’éclatement avec armatures apparentes. Les barres d’armature visibles sont très corrodées et certaines sont sectionnées.  » L’acier, traditionnellement utilisé pour le renforcement du béton en structure BA, il présente un inconvénient très dangereux ; il est facilement corrodé et la corrosion entraîne une défaillance structurelle très dangereuse, par conséquent un effondrement peu avoir lieux à n’importe quel moment. Nombreuses recherches menaient ont aboutis à adopter les matériaux composites comme recourir adéquat a de nombreux phénomes tel que la corrosion, la durabilité, les changements thermiques et notamment l’augmentations des charges non prédéfinies ; les charges routières à titre d’exemple toute en permettant un renforcement considérable des structure et ouvrages.

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I.

Phénomène problématique de la corrosion des structures : Dans des conditions normales, les armatures enrobées d’un béton compact et non fissuré sont protégées naturellement des risques de corrosion par un phénomène de passivation qui résulte de la création, à la surface de l’acier, d’une pellicule protectrice Fe2O3CaO, dite de passivation. Deux principaux phénomènes peuvent, dans certaines conditions, détruire cette protection et initier la corrosion des armatures en acier :  

La carbonatation du béton d’enrobage par l’adsorption du gaz carbonique contenu dans l’atmosphère. La pénétration des ions chlorures jusqu’au niveau des armatures. 

Figure 1 – Armature en acier corrodé –

II.

Généralité sur les matériaux composites 5

Définition : Un matériau composite est un assemblage ou un mélange hétérogène d'au moins deux composants, non miscibles mais ayant une forte capacitée d'interpénétration et d'adhésion, dont les propriétés mécaniques se complètent pour former un matériau au performances globales améliorées que ceux du même matériau sous forme massive. Parmi les premiers composites fabriqués par l'homme on trouve aussi les arcs Mongols (2000 ans av. J-C.) ; Leur âme en bois était contrecollée de tendon au dos et de corne sur sa face interne, l’introduction des matériaux composites dans l’industrie moderne commença au début du 19 -ème siècle ; à titre d’exemples :  

1823 : Charles Macintosh créé l'imperméable avec du caoutchouc sur des tissus comme le coton. 1892 : François Hennebique dépose le brevet du béton armé.

Leur assemblage permettant d'améliorer la qualité de la matière paramétrer à des fins de légèreté, de rigidité mécanique, de résistance et de durabilité considérable explique l'utilisation croissante des matériaux composites dans de nombreux secteurs industriels tel que : l’aéronautique, nautisme, construction de structures et d’ouvrages. Au cours du 20 -ème siècle, le développement de l'informatique a permis le calcul précis des propriétés mécaniques et le champ d'utilisation de ces matériaux artificiels a explosé, néanmoins, la description fine des composites reste complexe du point de vue mécanique de par la non-homogénéité du matériau. Les matériaux composites procures des performances non négligeables et surtout dans le secteur de construction matériaux d’enveloppes (second œuvre) compris et ossatures, notamment une résistance remarquable au phénomène de corrosion et avantageuses contre l’attaque des agents chimiques avec une isolation électrique et thermique. Les études et recherches dans les dernières décennies ont permis au développement des facteurs clés des matériaux composites comme l’ajustements propriétés mécaniques et des facteurs de sécurité, des facteurs de rigidité et de la résistance chimique.

Structure et constituant des matériaux composites : Un matériau composite structural est généralement constitué d'un renfort et d'une matrice, dans ce secteur c’est les polymères renforcés par des fibres PRF qui font leur preuves. Le renfort, ou appeler également armure le plus souvent sous forme fibreuse ou filamentaire, assure l'essentiel des propriétés mécaniques, quant à la matrice elle joue le rôle de liant afin de protéger le renfort de l'environnement, de le maintenir dans sa position initiale et d'assurer la transmission des efforts.

6 Figure 2 –Armure et Matrice d’un composite –

a- Le renfort (Armure) : Le renfort constitue l'ossature de la pièce et assure l’essentiel des propriétés mécaniques tel que la résistance aux sollicitations, la rigidité, l’absorption et l’amorçage des chocs, la durabilité et la résistance mécaniques … etc.

En général, les renforts sont des fibres comme la fibre de verre qui est la plus répandue ou peut également prendre la forme de particules, le renfort classé selon ça matière dans 3 catégories principales existante :   

Organique : Fibres de verre, d’aramide, de lin, de dyneema, fibre végétale renouvelable... etc. Minéral : Fibre de carbone, de céramiques, … etc. Métallique : Fibre de bore, d'alumine ... etc.

Figure 3 – Fibre de verre –

Figure 4 – Fibre de carbone –

Figure 5 – Fibre d’Aramide –

D'un point de vue de disponibilité géométrique et structural et selon leurs assemblages on peut distinguer :      

Les fibres longues : longueur comparable aux dimensions de la pièce. Les fibres courtes : longueur faible devant les dimensions de la pièce. Les particules : charges renforcées. Tissage multiaxial Tressage Assemblage tridimensionnel.

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Figure 6 – Structure d’Armure composite –

b- La Matrice : Dans un matériau composite, une matrice est une matière servant de liant qui maintient le renfort et lui transférant les efforts mécaniques La matrice est un matériau qui serve de liant permettant d’assurer la tenue chimique et la cohésion du matériau tout en donnant la forme souhaitée au produit final, elle entoure et protège le matériau de manière générale, lui procurant son isolation thermique et électrique propre et une durabilité définie.

Les matrices, ou résines lorsque sa composition est organique, sont classés selon leur nature dans 3 catégories principales : 

Les CMO ou composites à matrice organique, ce sont les matériaux les plus répandus, on retrouve notamment les thermoplastiques et les thermodurcissables. Les composites à matrice organique se divisent à leur tour en deux catégories :   Les composites à grande diffusion : ce sont des composites aux performances plus faibles et aux coûts plus abordables. Ils sont utilisés dans plus de 95 % des cas, notamment lors de productions en grande série,  Les composites à haute performance : ce sont des matériaux qui présentent des qualités mécaniques supérieures et qui représentent donc un coût plus important. Ils sont souvent utilisés dans le domaine de l’aéronautique et de la construction. 



Les CMC ou composites à matrice céramique telle que l’aluminium, le titane ou le magnésium.

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Figure 7 – CMO – Figure 8 – CMC – Figure 9 – CMM –  Les CMM ou composites à matrice métallique telle que le carbone ou le carbure de silicium.

Fabrication des pièces composites : Techniques de fabrication Moulage au contact Ou Stratification en continu (polymérisation à l'avancement)

Moulage par projection

Moulage sous vide ou au sac

Description

Illustration

Procédé entièrement manuel, à température ambiante et sans pression.

Habituellement utilisé pour fabriquer de grandes pièces comme les pièces de camions et de camping-cars, les baignoires, les coques de piscines, les coques de bateaux, les meubles et les réservoirs de stockage. La mise en forme de la matière placée au-dessus ou à l'intérieur d'un moule rigide est effectuée par l'application d'une pression uniforme à travers une membrane souple tel qu'un sac en caoutchouc.

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Enroulement filamentaire ou bobinage par drapage

RTM (Resine Transfer Moulding) ou injection

Compression à chaud

BMC ou préimprégnés

Par injection

L'enroulement filamentaire consiste à enrouler des fibres continues imprégnées de résine autour d'un mandrin en rotation jouant le rôle d'un moule intérieur.

La structure de renfort de la pièce est insérée et calée dans le moule, puis la résine est injectée sous pression en un ou plusieurs points, le moule est alors chauffé puis maintenu en température le temps du durcissement (thermodurcissable).

A une certain température la résine devient plus malléable, une pression lui est appliquée.

Une resine thermodurcissable est mis d’un moule pour une pression est exercé par une contre moule.

Une résine est injecter depuis le mélangeur d’un moule au centre, cette dernière par pression du mélangeur évacue l’air compris dans le moule aux côtés.

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Pultrusion (passage au travers d'une filière puis polymérisation)

Consiste en l'extrusion de profilés à section constante et complexe par traction continue, avec polymérisation dans un moule fermé.

Centrifugation

A base de thermodurcissable.

Figure 10 – Méthode de fabrication des armatures composites –

III.

Armatures composites La corrosion des armatures en acier constitue la principale cause de dégradation des ouvrages en béton arme et occasionnes d’importantes dépenses de maintenance et réparation. Pour pallier ce problème, une solution apparue dans les années 1980 consiste à utiliser des armatures en matériaux composites insensibles à la corrosion, ces armatures sont des barres de Polymères Renforcés de Fibres (PRF), dont les plus courantes sont à base de fibres de verre, de basalte, de carbone ou d’aramide. Il existe aujourd’hui plusieurs textes de référence émanant d’organismes étrangers reconnus, comme le rapport de l’ACI « American Concrete Institue » au Etats-Unis, le guide de la CSA « Canadian Standards Association » au Canada, les recommandations publiées par-là la JSCE « Japanese Society of Civil Engineering » au Japon et en Europe un guide de construction édité par le CNR DT « Conseil National de la Recherche Italien » définissent les principes de dimensionnement et les règles de mise en œuvre des armatures en PRF. Les armatures composites présentent des propriétés physiques assez différentes des armatures en acier couramment utilisés en béton armé, il n’est donc pas possible de simplement remplacer l’une par l’autre.   En effet, les armatures composites bien qu’ayant une limite élastique généralement assez élevée (700 à 1200MPa à comparer aux 500MPa de nos aciers courants), demeurent fragiles (elles cassent sans présenter de grandes déformations). Cependant les règlements en tiennent compte en se tenant très éloignés des limites de résistance du matériau. On peut également préciser que les armatures composites sont bien plus souples que l’acier, il est donc nécessaire de limiter encore la traction sur ces fibres pour avoir un comportement comparable à un renfort en acier. 

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1- Les fibres des armatures composites : Fibre de de verre : La fibre de verre, sous forme de verres creux, verres plats et verres cellulaires, constitues les principales familles de verre qui se compose d’un filament de verre, formées par procédé de cinq étapes : 1- Affinage : extension continue du verre en fusion, chauffé à une température de 1500°C 2- Filage par étirement : le verre en fusion se transforme en filament en étant étiré à grande vitesse ; la filature des filaments s'apparente en fait à la filature textile classique pour produire un fil. Ce fil de verre se bobine ensuite autour d'une broche. 3- Ensimage : l'étirage et le bobinage n'ont pas suffisamment d'effet pour rassembler durablement les centaines de filaments en un fil (le verre est trop lisse pour s'agglomérer). L'ensimage consiste à ajouter un revêtement protecteur pour permettre l'agglomération des filaments et faciliter l'intégration dans les polymères. 4- Finition : les fils sont ensuite bobinés ou coupés selon les finalités. 5- Séchage (oven drying) : les fils sont finalement séchés à des températures de 700 à 800 °C.

Le renfort composite en fibre de verre (AKS) est une tige en fibre filamenteuse tissée de verre (roving) droite ou torsadée, fixée avec une composition spéciale, ce sont généralement des résines époxy synthétiques. Un autre type est une tige en fibre de verre enroulée avec de la fibre de carbone, après enroulement, ces ébauches en fibre de verre sont soumises à une polymérisation, les transformant en une tige monolithique, le renfort en fibre de verre a un diamètre de 4 à 32 mm, une épaisseur de 4 à 8 mm est conditionnée en bobines, la baie contient 100 à 150 mètres de barres d'armature. Il est également possible de découper en usine, lorsque les dimensions sont fournies par le client. Les caractéristiques avantageuses des armatures en fibre de verre dépendent de la technologie de production et du liant, en générale : -

Faible poids : Vous obtenez une armature composite, qui est 8 fois plus légère que celle en acier, ce qui réduit le poids total de la structure et la charge sur la fondation sans perdre en résistance. 

-

Haute résistance à la traction : Vous utilisez un matériau résistant pour le renforcement, dont la résistance à la traction est 3 fois supérieure à celle des armatures en acier.

-

Économisez 50% : Vous réduisez considérablement l'estimation, même si vous changez le diamètre du métal en fibre de verre. Et en tenant compte d'un remplacement également fort du renfort, les économies jusqu'à 50%.

-

Économisez jusqu'à 90% sur le transport : Vous économisez en livraison en raison de son poids léger et de son faible volume. Le volume requis pour renforcer la fondation de dalle d’une maison de taille moyenne en mètres linéaires 3000 - s’intègre dans le coffre d’une voiture.

-

Dimensions flexibles - barres de longueur requise :  La longueur de l'armature composite est réalisée en bobines de mètres 50 et 100 afin que vous ne payiez pas 12

trop pour l'élagage de tiges métalliques. Lorsque vous renforcez, vous coupez la barre de la longueur requise et ne joignez pas les fouets en fer 11. Les points les plus faibles du cadre de renforcement sont les connexions des tiges métalliques ensemble -

Efficacité énergétique : Comme le coût de chauffage du bâtiment, renforcé de fibre de verre, est inférieur au renforcement en acier, vous continuez ainsi à économiser même lors de la gestion du bâtiment.

-

Durabilité : La durée de vie des armatures en fibre de verre dans le corps du béton contrairement à acier est supérieure à 100 années en raison de la résistance élevée aux produits chimiques et à la corrosion des matériaux composites de renforcement. Transparence radioélectrique et propriétés diélectriques : Obtention d’une augmentation de la transparence radio et une réduction de l'influence des champs électromagnétiques.

-

-

Coefficient d'expansion comme dans le béton : Il n'y a pas de déséquilibre dans la réaction du ferraillage en béton et composite aux changements de température cycliques contrairement au métal, ainsi les fissures et les contraintes internes de la structure en béton sont évités.

-

Facile à installer : Vous simplifiez le processus de coupe et de montage.

-

Faible conductivité thermique : Le renfort en fibre de verre ne conduit pas la chaleur.

-

Résistance au gel : En cas de gelées sévères, le seuil de température du renforcement en fibre de verre et du fonctionnement en maille est -70 ° С ~ + 200 °C.

Les inconvenant des armatures a fibres de verre :  Sa dégradation sera rapide si de l’eau parvient à s’infiltrer sous la couche de fibre de verre, il est donc nécessaire de réparer sans attendre tout bris, fissure ou trou à la surface afin de prévenir la détérioration.  La fixation à la structure doit se faire le dessous ce qui peut rendre l’installation difficile dans les espaces.  Difficile à réparer que le bois. Fibre de de carbone : La fibre de carbone se compose de fibres extrêmement fines, d'environ 5 à 10 micromètres de diamètre, et est composée principalement d'atomes de carbone, ça fabrication se déroule sous les étapes suivantes : 1- Nano-filage : Des nanofilaments obtenue par filage et étirage du polymère sont

assemblés en mèches, contenant plusieurs milliers de fils, afin d’obtenir une orientation préférentielle des chaînes polymériques dans le sens du fil. 2- Oxydation : Ménagée entre 200 °C et 300 °C pendant une à deux heures avec un maintien des fils sous tension pour garder l'orientation des chaînes de PAN (polymère dont la formule est [-CH2-CH(CN)-] n) permettant la stabilisation et à la création de fonctions chimiques oxygénées sur les chaînes carbonées (-CO 2H, -

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C=O, -OH … etc.), ces fonctions permettront par la suite une réticulation des chaînes entre elles. 3- Carbonisation : Sous atmosphère inerte entre 1 000 °C et 1 500 °C conduit au départ d'une grande partie des éléments H, N, et O, la cyclisation du polymère se poursuit et on obtient une fibre ayant une structure désordonnée. 4- Graphitisation : On réalise un second traitement thermique à haute température (plus de 2 000 °C) permettant d'éliminer presque totalement les éléments H, N, et O, et d'augmenter le caractère graphitique de la fibre et donc ses propriétés mécaniques. En raison de l’orientation et de la structure carbonée sous forme de feuillets, ces fibres présentent une forte anisotropie, avec des propriétés très différentes dans les directions longitudinales et transverses, la surface des fibres de carbone étant chimiquement peu réactive, elles présentent une faible compatibilité avec les résines thermodurcissables usuelles, d’où un traitement est réaliser en surface a base d’oxydation électrolytique qui permet de créer des sites fonctionnels polaires de surface (groupe hydroxyles OH, carbonyles CO ou carboxyles COOH), et déposent également des ensimages dont les constituants sont compatibles avec les résines d’imprégnation, afin d’obtenir une adhérence fibre/matrice plus élevée et une résistance au cisaillement inter-laminaire des composites. Les principaux avantages des fibres en carbone :  Rigidité très appréciable.  Matériau extrêmement léger par conséquent une économie au transport.  Resistance d’au moins 10 fois plus que l’acier. Néanmoins, les fibres de carbone présentent des inconvenant ;  Une mauvaise résistance à l'abrasion et aux chocs.  Leur recyclage (broyage problématique).  Conductivité électrique élevé pouvant causer des électrocutions.  Cette fibre pourrait accroître les risques cancérigènes.  Coût chère oscillant entre 15 et 20 €/kg et pèse près de 45 % du prix des composites.

Fibre de d’aramide : Les aramides sont généralement préparés par la réaction entre un groupe amine et un groupe halogénure d'acide carboxylique, les homopolymères AB simples ont la connectivité [ NH−C 6 H 4 −CO ] n, des polymères aramides bien connus tels que Kevlar , Twaron , Nomex , New Star et Teijinconex sont préparés à partir de précurseurs de diamine et de diacide (ou équivalent). Les aramides sont divisés en deux types principaux selon l'endroit où les liaisons se fixent aux anneaux, en numérotant séquentiellement les atomes de carbone autour d'un cycle : a) Les para-aramides avec des liaisons attachées aux positions 1 et 4. b) Les méta-aramides avec des liaison aux positions 1 et 3 et deux atomes séparés dans les méta-aramides. 

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Figure 11 – Para-aramide –      

Figure 12 – Méta-aramide –

Haute résistance à l'abrasion. Bonne résistance aux solvants organiques. Conductivité casi nulle. Point de fusion très élevé >500 °C. Faible inflammabilité Intégrité du tissu à des températures élevées >300 °C.

Les aramides partagent un haut degré d'orientation avec d'autres fibres telles que le polyéthylène à poids moléculaire ultra élevé , une caractéristique qui domine leurs propriétés par conséquent les inconvénients suivants :      

Sensibilité aux acides et aux sels. Sensibilité aux rayons ultraviolets. Reprise d’humidité importante pouvant atteindre 3 %. Résistance à la compression extrême faible. Sujet à l'accumulation de charges électrostatiques à moins qu'il ne soit terminé.  Difficulté de découpe en usinage.

Fibre de Basalte : La fibre de basalte est un matériau fait à partir de fibres extrêmement fines de basalte, constitué majoritairement de silice SiO2 d’environ 60 % en volume et comportant des oxydes métalliques différents avec une dense structure, elle est fabriquée à partir de roches volcaniques fondues à des températures de l’ordre de 1450 °C [12, 13], les fibres de basalte sont obtenues par procédé d’extrusion dans des filières.

Aussi composée de minéraux comme le plagioclase, le pyroxène et l'olivine, similaire à la fibre de carbone et la fibre de verre mais possédant de meilleures propriétés physicomécaniques, elle est aussi moins chère que la fibre de carbone. La résistance des fibres basalte aux incendies et aux environnements chimiques acides, restent comme les fibres de verre très sensibles aux alcalins.

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Armature a fibre de verre

Armature a fibre de carbone

Armature a fibre d’aramide Armature a fibre de basalte Figure 13 – Illustration Armatures a fibres –

2-

Figure 14 – Composition fibreuse des Armatures composite / vue microscopique –

2- Propriétés des armatures composites : Propriétés physiques : Les densités des barres d'armature s'étalent de 1.67 à 2.04, alors que les masses linéiques sonde 0.16 à 0.41. Les résultats montrent que les taux d'absorption des barres vont de 0.315% à 3.533%, les taux d'absorption des barres sont plus importants dans une solution alcaline que dans l'eau et ceci est dû à l'agressivité de la solution alcaline par rapport à l'eau, soit à température élevée, les taux d'absorption sont plus élevés qu'a température ambiante comme on pouvait s'y attendre. Propriétés mécaniques : Essai de traction : Les résultats en traction sur des barres en fibres de 9,5mm de diamètre montrent que le comportement des barres est linéaire jusqu'à la rupture, comparativement à l'acier, on remarque que la résistance en traction des barres en PRF est nettement supérieure : Matériaux Contrainte Ultime (MPa) Module d’élasticité (GPa) 550 210 Acier de construction (12mm ⌀) 675 44 Fibre de verre type ISOROD (9,5mm ⌀) 1209 134 Fibre de carbone type ISOROD (9,5mm ⌀) 802 49 Fibre de verre type C-BAR (9,5mm ⌀) 1419 142 Fibre de carbone type C-BAR (9,5mm ⌀)  Essai de compression : L'essai de compression n'est pas très significatif car on sait que le béton travaille très bien à la compression, les barres ne seront, donne, pas soumise à des sollicitations de compression. 



Essai de flexion : Le module élastique mesure en flexion semble équivalent au module élastique moyen en tension dans le cas de la barre d'armature à base de fibres de verre avec une surface sablée ISOROD. 16



Essai de cisaillement : L'essai de cisaillement montre une légère variation de résistance des barres en fibres de verre dépendamment du diamètre de la barre, confirmant ainsi que les fibres n'interviennent pas beaucoup dans le mécanisme de cisaillement.



Essais environnementaux : La perte de résistance en traction des barres d'armatures en PRF n'est pas significative après 3 mois d'exposition dans des solutions chimiques : alcaline simulant le béton et solution saline simulant l'eau de mer, la durée d'exposition n'a pas affecté les caractéristiques mécaniques des barres d'armature d'une manière significative dans des environnements agressifs.



Essai d’arrachement : L'essai d'arrachement, ainsi la contrainte de cisaillement part d'une valeur maximum, se situant proche de l'extrémité tendue de la barre, et diminue au fur et à mesure qu'elle s'éloigne de cette extrémité. Ce comportement est caractéristique d'un comportement élastique, pour les niveaux de chargement subséquents, on observe un déplacement de la contrainte d'adhérence maximum vers l'extrémité libre de la barre, ce déplacement est engendré par la cohésion ou la rupture partielle du béton situe à l'interface béton-barre. Matériaux Fibre de verre type ISOROD (9,5mm ⌀) Fibre de carbone type ISOROD (9,5mm ⌀) Fibre de verre type C-BAR (9,5mm ⌀) Fibre de carbone type C-BAR (9,5mm ⌀)

 Les Armatures composites présentes des performances supérieures a celles de l’acier, plus précisément leurs résistances au sollicitation et légèreté qui permet de réduire les cous de transports et de mise en œuvre.  Voici quelque exemple d’armature composites en fibres de verre, carbone et aramide quand peut trouver dans le marché de la construction.

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Contrainte d’adhérence (MPa) 16 17 24 27

Figure 15 – Contrainte de quelque type d’armatures composites commercialisées –

3- Avantages et inconvénients des armatures composites : Comme tout matériaux ; les armatures composites présentent des avantages et inconvénients propres et plus au moins impacte le marché de construction. Avantages         

 

Rigidité importante. Elasticité de très bon niveau. Résistance à la traction plus 1,5 à 2 fois que l’acier. Isolation thermique et électrique avantageuse. Tenue face au milieu agressif. Résistance à la corrosion. Resistance à la fatigue. Longévité plus grande que l’acier avec plus de 100 années. Faible poids et très légères, presque 4 fois plus légères que les armatures en acier, ce qui favorise son transport et montage Malléable et avantageux en usinage du précontraint. Malléable au transport et en mise en œuvre ce qui permet une réduction des coûts.

Inconvénients  

      

 

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Resistance faible à compression. Non soudable en cas d’assemblage ou réparation d’où des liaisons sont faites entre elles à l’aide de ficelles Difficulté de d’exécuter une forme donnée sur chantier. Technologie récente et couteuse et peu de données à long terme. Plasticité absente. Rupture subite ou fragilité en cas de chocs. Resistance faible au cisaillement. Sensible aux alcalis du béton, à l’eau et aux rayons UV. Vulnérables à de fortes températures de plus de 600 ºc, elles perdent de leurs rigidités. Recyclage impossible pour la plupart des matériaux. Fabrication impossible des éléments de stabilité transversale comme les cadres,

les étriers, les épingles et autres sur chantier d’où une préparation préalable de formes quelconques à l’usine.

Liaison sur chantier

Emmagasinement et transport

Assemblage sur chantier Chainage su chantier Figure 16 –Traitements des armatures composites sur chantier – Armature en acier

Armature composite

Figure 17 – Equivalence d’armatures de résistance par diamètre – Paramètres techniques

Fibres de carbone

Armatures de Fibre de verre

Armatures de Fibre de basalte

Armatures de Fibre d’aramide

Résistance à la traction (MPa)

2000-3000

700-1300

1000-1100

1100-2600

Résistance au feu jusqu’à

600⁰c

300⁰c

1450⁰c

600⁰c

Masse volumique (kg/m3)

1600

2200

2200

2200

Résistance à la corrosion

Très forte

Très forte

Très forte

Très forte

Module d’élasticité (GPa) jusqu’à Isolation thermique (W/m.K) jusqu’à

350

45

70

50

1,0

1,0

1,0

1,0

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4- Domaine recommandé d’application en Génie Civile : Les recherches et étude menait dans le secteur des matériaux composite dans le domaine du génie civile on aboutit à en déduire une satisfaisante performances en construction et renforcements des ouvrages que celles de l’acier, voici quelques constructions applicables :          

Construction d’aéroport et aérodrome. Construction de par cet d’aire de jeux. Construction d’infrastructure tel que les fondations : semelle filante, pieux … etc. Construction dans les milieux agressive et très corrosives tel que les ouvrage maritime et portuaire : pont maritime, quai portuaire … etc. Construction de routes et chaussés. Construction en nature souterraine : tunnels, canalisation … etc. Renforcement de résistance des seconds œuvres tel que : les pavé, les trottoirs, les quais des stations de métro et train, les rais de chemin de fer … etc. Renforcement de pont : piétonnier, rails, route … etc. Renforcement des ouvrages en BA dans les milieux agressifs. Renforcement en maçonnerie.

5- Exemples d’utilisation des armatures composites :  France, Paris, Metro du Grand Paris.  Canada, Québec, Stationnement de la chancelière, ,2011.  Canada, Kent County Bridge Road No, un pont construit en 1998.  Canada, Manitoba Headingly Bridge, un pont construit en 1997.  Canada, Sherbrook, Quebec, Joffre Bridge, un pont construit en 1997.  USA. Gonad Building. Rochester Minnesota. 2001.  Russie, Primorski, Shtokovka, construction de pont sur rivière 1981.  Russie, Région de Rabarovsk, un pont construit en 1989.  Russie, Ijevsk, construction d’une partie de route en2009.  Russie, Perm, construction hôpital régional en 2010.  Japon, Tsukude, construction d’un pont en 1993.  Allemagne, Düsseldorf, construction d’un pont piétonnier.  Metro dans les villes : Bangkok, New Delhi, Londres et Berlin.  Aéroport dans les villes : Zurich en suisse, vienne en Autriche.  Royaume Uni, construction d’un tunnel souterrain.  USA. Maryland. National Institutes of Health of Bethesda.  USA, Colorado, O'Fallon Park Bridge.

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Renforcement d’aérodrome

Pont maritime

Renforcement de chaussé Fondation d’un bâtiment Figure 18 – Illustration d’application d’armature composite – IV.

Normes : Comme dans tout domaine, des normes et des règlementations concernant les armatures composites ont été établie par de nombreux pays, voici les normes suivies par pays : 

Normes aux USA : - ACI 440.1R-06 “Guide for the Design and Construction of Structural Concrete Reinforced with FRP Bars”; - ACI 440.5-08 (2008) “Specification for Construction with Fiber-Reinforced Polymer Reinforcing Bar” ACI Committee 440, American Concrete Institute; - ACI 440.6-08 (2008) “Specification for Carbon and Glass Fiber-Reinforced Polymer Bar Materials for Concrete Reinforcement,” ACI Committee 440, American Concrete Institute; - AASHTO GFRP-1 (2009) “AASHTO LRFD Bridge Design Guide Specifications for GFRPReinforced Concrete Bridge Decks and Traffic Railings”, American Association of State Highway and Transportation Officials.



Normes au Canada : - CAN/CSA-S6-06 (2006) Fiber Reinforced Structures, “Canadian Highway Bridge Design Code” Canadian Standards Association; - CAN/CSA-S806-02 (R2007) “Design and Construction of Building Components with Fibre-Reinforced Polymers”.



Normes en Europe :

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-

V.

Eurocrate 1996 « Guide de dimensionnement de structures en béton renforcées par armatures en PRF » IStructE 1999 L’association britannique Institution of Structural Engineers, « guide de dimensionnement considérant le renforcement par armatures en PRF » FIB 2000-2007 Fédération Internationale du Béton « Rapport technique sur les propriétés d’adhérence des armatures de renfort du béton (fib Bulletin n° 10) ». CNR 2006 National Research Council, « Guide de dimensionnement de structures en béton renforcées par armatures en PRF CNR DT 203/2006 »



Normes en Russie : - P-16-78 (1978) « Recommandations pour les calculs des structures a base des armatures en fibre de verre », NIIGB GOSTROIA URSS. - ТР 013-1-04 (2004) « Recommandations techniques pour l’utilisation des armatures non métalliques de profilés périodiques dans les structures en béton ». - GОСТ 31938-2012 (2012) « Armatures composites polymères pour les structures en béton armé ». - Standard organisationnel de l’union national de constructeur (2013) L’utilisation des armatures non métallique dans les structures en béton et géotechniques, NIC « TUNNELS ET METRO »



Normes Britanniques : - BS-8110 1997, « British Standard ».



Normes en Japon : - JSCE 1997 « Japan Society of Civil Engineers »

Perspective : Les matériaux composites FRP ou PRF associent matrices polymères thermodurcissables ou thermoplastiques à des fibres d’origine textile en verre, carbone, aramide, basalte, leurs propriétés mécaniques et plus particulièrement leurs résistances en traction, ou leurs résistances ou rigidités spécifiques sont particulièrement performantes par rapport à l’acier et leurs stabilité physico-chimique des matrices polymères et la très bonne tenue à la fatigue des fibres permettent de concevoir des armatures de renforcement pour le béton armé, des câbles et haubans plus durables et d’un poids propre plus faible pour les ouvrages d’art.

Actuellement, les guides de conception des structures en béton avec des renforts en PRF suggèrent que les formules prescrites dans les codes traditionnels du BA peuvent être utilisées pour des PRF en pondérant les résultats à l’aide de facteurs de modification, ces facteurs sont généralement basés sur la rigidité relative des PRF à l'acier et semblent fournir une corrélation raisonnable par rapport. VI.

Conclusion :

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Les renforts en Polymères Renforcés de Fibres (PRF) sont maintenant proposés comme une solution alternative aux armatures en acier sujettes à la corrosion dans les infrastructures en béton, et leurs utilisations de PRF peut diminuer les coûts de réhabilitation et éviter le remplacement des structures endommagées par la corrosion. Le marché du BTP, laisse les armatures PRF au tapis, pour une raison de vision des hautes sphères du marché avec une absence de violentait de développement et d’induction de cette nouvelle technologie ; un matériau révolutionnaire pour l’avenir qui peut être gâcher ou pas.

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[20]. Ir Daniel KALOMBO M. Chargé de cours à L’Université Panafricaine Du Congo et à L’Université Franco-Américaine. « Perspectives d’utilisation d’armatures composites dans le bâtiment et travaux publics en république démocratique du Congo ».

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