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dddeee lllaaa cccooonnnssstttrrruuuccctttiiiooonnn GC’2011 Cachan, 22 et 23 mars

Les Composites à matrices minérales et à renfort textile : des matériaux de construction au service de la construction

durable

Patrice Hamelin, Raphael Contamine, Geoffrey Promis, Amir Si Larbi – Université de Lyon

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LES COMPOSITES A MATRICES MINERALES ET A RENFORT

TEXTILES : DES MATERIAUX DE CONSTRUCTION AU SERVICE DE

LA CONSTRUCTION DURABLE

Patrice HAMELIN, Raphael CONTAMINE, Geoffrey PROMIS , Amir SI LARBI

Université de Lyon

RESUME

Pour satisfaire les critères du développement durable, pour atteindre les objectifs fixés par le Grenelle de l’Environnement, pour satisfaire les recommandations de la circulaire REACH, nous chercherons à développer une nouvelle génération de matériaux composites pour lesquels la matrice polymère est remplacée par des matrices minérales. A titre d’exemple, nous présenterons les conditions de formulation, de transformation, les propriétés des composites associant liant phosphatique et textiles techniques de verre E. Nous aborderons ensuite des cas d’application portant notamment sur la réhabilitation des bâtiments et ouvrages existants : isolation par l’extérieur, protection incendie, réparation-renforcement vis-à-vis des conditions d’exploitation ou vis-à-vis des sollicitations extrêmes (séismes, explosion).

INTRODUCTION : LA DEMARCHE CONCERNANT LE DEVELOPPEM ENT DE NOUVEAUX COMPOSITES A MATRICE MINERALE

Comme le montre la figure 1, nous avons distingué quatre niveaux d’optimisation de la formulation des composites de type T.R.C en considérant dans un premier temps des gains de propriétés au niveau mécanique mais aussi au plan physico-chimique (tenue au feu, durabilité) puis la prise en considération des conditions de transformation (reproductibilité, cadence, productivité…) et enfin le dimensionnement des applications en développant la notion de « material by design » couramment valorisée dans le cas des composites à matrice polymère (notion de multi-matériaux, optimisation des séquences d’empilement en fonction des comportement visés, intégration de fonctions,…).



Les Composites à matrices minérales et à renfort textile : des matériaux de construction au service de la

construction durable


3

FORMULATION

PROCEDE

CHARACTERISATION

PERFORMANCE

DIMENSIONNEMENT

PROTOTYPE –

APPLICATION INDUSTRIELLE

Second niveau

d’optimisation

Premier niveau

d’optimisation

Troisième niveau

d’optimisation

FORMULATION

PROCEDE

CARACTERISATION

PERFORMANCE

DIMENSIONNEMENT

PROTOTYPE –


Second niveau

d’optimisation

Premier niveau

d’optimisation

Troisième niveau

d’optimisation

Troisième niveau

d’optimisationQuatrième niveau d’optimisation

FORMULATION

PROCEDE

CHARACTERISATION

PERFORMANCE

DIMENSIONNEMENT

PROTOTYPE –


Second niveau

d’optimisation

Premier niveau

d’optimisation

Troisième niveau

d’optimisation

FORMULATION

PROCEDE

CARACTERISATION

PERFORMANCE

DIMENSIONNEMENT

PROTOTYPE –


Second niveau

d’optimisation

Premier niveau

d’optimisation

Troisième niveau

d’optimisation

Troisième niveau

d’optimisationQuatrième niveau d’optimisation

Figure 1 Différentes étapes d’optimisation des composites Dans la mesure où les objectifs portent sur la notion de construction durable, nous avons cherché à valoriser l’utilisation de matrices minérales en substitution aux matrices polymères pour une exploitation plus pertinente des matières premières, nous avons cherché à améliorer leurs conditions de recyclabilité en fin de vie et faire évoluer les conditions d’hygiène et de sécurité des usagers en phase de production et d’exploitation.

1. LA FORMULATION DES COMPOSITES TEXTILES – MATRICE S MINERALES (T.R.C) : LE CAS DE LA VUBONITE VERRE E

Les récentes évolutions des conditions de transformation et de formulation des liants minéraux [Réf. 1] ; [Réf. 2], les évolutions de formulations des géo-polymères [Réf. 3] notamment vis-à-vis de la granulométrie, de la réactivité des poudres, de la rhéologie des pâtes se sont traduits par des améliorations significatives des propriétés mécaniques des matrices minérales, par des modifications importantes des conditions de mouillage et d’imprégnation des renforts qui influencent considérablement les performances et la durabilité des matériaux de construction.

FORMULATION

MATRICE MINERALE RENFORTS TEXTILE

FIBRES

ARMURES

PPHT

Polyester

Basalt

Verre E

Verre A.R

Carbone

Non Tissé

Fibres courtes

Tissus UD

Taffetas-satin

Grille

CIMENT PORTLAND

MAGNESIE

SULPHO-ALUMINEUX

LIANT PHOSPHATIQUE

FORMULATION


FIBRES

ARMURES

PPHT

Polyester

Basalte

Verre E

Verre A.R

Carbone

Non Tissé

Fibres courtes

Tissus UD

Taffetas-satin

Grille

CIMENT PORTLAND

MAGNESIE

SULPHO-ALUMINEUX

LIANT PHOSPHATIQUE

FORMULATION


FIBRES

ARMURES

PPHT

Polyester

Basalt

Verre E

Verre A.R

Carbone

Non Tissé

Fibres courtes

Tissus UD

Taffetas-satin

Grille

CIMENT PORTLAND

MAGNESIE

SULPHO-ALUMINEUX

LIANT PHOSPHATIQUE

FORMULATION


FIBRES

ARMURES

PPHT

Polyester

Basalte

Verre E

Verre A.R

Carbone

Non Tissé

Fibres courtes

Tissus UD

Taffetas-satin

Grille

CIMENT PORTLAND

MAGNESIE

SULPHO-ALUMINEUX

LIANT PHOSPHATIQUE

Figure 2 Différentes configurations de formulations de T.R.C




durable


4

Dans le cadre du progamme européen Contex-t, en collaboration avec l’Université de Bruxelles (VUB) nous avons sélectionné la combinaison de liant phosphatique (Vubonite) [Réf. 4] avec des textiles de verre E. La Vubonite® IPC (ciment phosphorique inorganique) est un polymère minéral non alcalin qui se compose d’une poudre de calcium méta-silicate (Wollastonite) d’acide phosphorique et d’oxyde de zinc. Le silicate de calcium réagit avec les ions métalliques contenus dans l’acide. Il se forme une matrice céramique dotée d’une structure reticulée 3D. Cette matrice faiblement acide lors de sa transformation est pratiquement neutre une fois durcie (PH 7). Elle présente l’avantage d’être ininflammable, résistante aux températures élevées et n’émet pas de composés organiques volatils. Par ailleurs, après durcissement, la matrice présente un comportement neutre qui permet de garantir une absence de dégradation physico-chimique de la fibre de verre E. La figure 3 donne les principales caractéristiques des composants étudiés et souligne la possibilité d’atteindre des cycles de durcissement de quelques minutes en jouant sur des facteurs d’activation tels que la température.

Figure 3 Propriétés de la matrice minérale et des fibres de renforts

2. LES METHODES DE TRANSFORMATION DES TRC

Pour améliorer la reproductibilité et les performances des composites à matrices minérales, il est impératif de développer des méthodes de transformation industrielle. Dans le cadre du projet de recherche en collaboration avec la société ATP, le travail a consisté à adapter la technique de moulage par pultrusion (Figure 4) pour produire dans un premier temps des profilés en Vubonite-verre de différentes géométries (a, b).

Figure 4 Fabrication en continu sur banc de pultrusion ATP de profilés Vubonite-verre En fonction de la nature et de la structuration du renfort textile (fibres courtes-mat (MC) ; mèches unidirectionnelles (PC)) et d’une opération complémentaire de compactage après pultrusion (Figure 4), nous pouvons atteindre des taux volumiques de renforts de l’ordre de 30%. La VUB [Réf. 5] a cherché à améliorer l’imprégnation à cœur des mèches de roving en ellaborant un dispositif de mouillage préalable (Figure 5) des fibres avant l’opération de formage.

� Fibres de renfort en verre E

– densité sèche : 2.5 kg/dm3

– résistance à la traction : 1 700 MPa

– allongement ultime : 3.0%

– module d’élasticité longitudinal : 80 GPa

– module de cisaillement : 30 GPa

– coefficient de Poisson : 0.22

Roving (735 tex) Mat (300 g/m²) UD 2071 (220 g/m²)

σ

ε

σ

ε

σ

εσ

εσ

ε� Propriétés mécaniques

– densité sèche : 1.6 kg/dm3

– résistance à la compression : 60 MPa

– résistance à la traction : 10 MPa

– module d’élasticité : 10 GPa

– module de cisaillement : 3.8 GPa






5

Figure 5 Unité de mélange et de pré-imprégnation des mèches de roving avant pultrusion [Réf. 5]

3. METHODE DE CARACTERISATION ET PROPRIETES DES TRC VUBONITE-VERRE

Compte tenu des différences importantes en terme de rupture, de module d’élasticité entre les fibres et les matrices minérales, les lois de comportement globales du composite présentent des non-linéarités essentiellement induites par les mécanismes de fissuration de la matrice fragile et de transfert de charge aux interfaces fibres-matrices. La figure 6 met clairement en évidence trois phases de comportement et les travaux engagés par A. Si Larbi & al [Réf. 6] cherchent à définir des niveaux de contraintes admissibles pour des procédures de calcul de type ELS en fonction de l’analyse de l’ouverture et de l’espacement des fissures dans le domaine II.

Phase 1: élastiquePhase 1: élastique

Phase 3: matrice fissuréePhase 3: matrice fissurée

Phase 2: apparition et propagation des fissures

Figure 6 Loi de comportement en traction des composites à matrice minérales La géométrie des éprouvettes de l’essai de traction (Figure 7) ainsi que les conditions d’ancrage ont été étudiées pour tenir compte des hétérogénéités internes du composite induites par les armures textiles et pour limiter les effets de localisation ou de surcontraintes à l’origine d’amorçage de mécanismes d’endommagement non représentatifs du comportement mécanique du composite [Réf. 6].




durable


6

Figure 7 Conditions d’essais et géométrie d’éprouvette de traction pour composite fibres-ciment [Réf. 6] Des techniques d’extensométrie optique (corrélation d’images) permettent de déterminer des seuils de contrainte admissible dans le domaine II en fonction de l’ouverture des fissures (Figure 8) :

Figure 8 Identification de la distribution et de l’ouverture des fissures dans le composite sollicite en traction Le calcul en phase élastique (phase I) sera fait en considérant aussi les propriétés en compression du matériau ainsi que celles en cisaillement plan mesurées en utilisant les dispositifs d’essais de la figure 9.

Dispositif d’essai (éprouvette positionnée)

Dispositif d’essai(Sans l’éprouvette)

Cotation partielledu bâti

Figure 9 Dispositif d’essai en cisaillement plan de composite fibres-ciment






7

En conséquence, pour chaque formulation en fonction de la nature des fibres, de leur orientation, de leur pourcentage volumique, il est possible d’identifier les termes de la matrice de rigidité du composite (Figure 10). On remarque que, compte tenu de la différence de comportement entre la traction et la compression, il est impératif de déterminer deux types de rigidité et les constantes élastiques correspondantes.

MC

PC

MC

PC

Lois de comportementMatrices de rigidité (phase I)

MPa

MPa Figure 10 Matrices de rigidité pour un composite fibre-ciment à renforts discontinus (MC) ou continus pultrudés (PC) dans le domaine de comportement élastique (Phase I) Vis-à-vis du comportement ultime, des essais de traction et de compression conduits sur les composites pultrudés unidirectionnels confirment le caractère anisotrope de ces matériaux. La figure 11 met clairement en évidence le rôle joué par les propriétés d’interface entre fibre et matrice minérale ainsi que l’influence des caractéristiques en cisaillement de la matrice. Ces points de faiblesse devront être compensés dans la phase de conception et de dimensionnement par des optimisations des séquences d’empilement des composites multicouches.

Figure 11 Variation des résistances ultimes des composites unidirectionnels en fonction de l’angle d’orientation des fibres Les travaux de G. Promis & al [Réf. 7] ont confirmé que les critères de rupture formulés pour les composites à matrice polymère (critère de Tsai-Wu) pouvaient s’appliquer. A partir des essais expérimentaux il est possible de déterminer les valeurs des coefficients Fij (Figure 11) intervenant dans le critère de plasticité anisotrope ci-dessous :

4. DES EXEMPLES D’APPLICATION DANS LE CADRE DE LA C ONSTRUCTION DURABLE

Nous pouvons citer deux domaines d’application pour lesquels les TRC Vubonite-verre sont particulièrement prometteurs : Dans le cas des bâtiments et constructions [Réf. 7] préfabriquées de type modulaire (Figure 12),




durable


8

l’assemblage des plats pultrudés suivant les principes d’assemblage décrits par la figure 4 et renforcées suivant les procédés de tressage de type Lamtextress permettent d’atteindre des niveaux de performances comparables aux procédés constructifs classsiques (ossatures bois, métallique).

Figure 12 Application des profilés composites aux constructions modulaires [Réf. 7] Sur un autre plan, les travaux de Brameshuber & al [Réf.1] ont confirmé que les plaques composites fibre-ciment étaient particulièrement adaptées aux parements extérieurs des systèmes d’isolation par l’extérieur (tenue au poinçonnement, aspect architectonique) (Figure 13).

Figure 13 Système constructif d’isolation par l’extérieur à parement TRC [Réf.1]

La réparation, le renforcement d’ouvrages existants

En continuité avec les travaux de recherche-développement visant à renforcer les éléments structuraux en béton armé avec des composites à matrice polymère, nous avons examiné la possibilité de remplacer les systèmes carbones-époxy par des TRC (Vubonite-verre). L’examen des résultats (Figure 15) confime que cette nouvelle génération de composite était susceptible d’atteindr des niveaux de performances comparables.

LVDT ± 5 mm

Strain gauges(120 ohms)

220 mm

150 mm

570 mm

Figure 14 Expérimentation de poutres courtes renforcées par TRC [Réf. 8]

CFRP

Vubonite

60

94 94 94

60 60 60

1

6

24

20 20

24

570

530

50BFUP

φφφφ12

φφφφ6270 270 Poutre de référence

(Béton armé)

φφφφ6

220

150






9

0

5000

10000

15000

20000

25000

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5

Flèche (mm)

Load

(da

N)

Poutre de référence

CFRP

Vubonite

Figure 15 Evaluation des gains de résistance de linteaux renforcés par TRC et carbone-époxy [Réf. 8]

CONCLUSION

Il semble qu’une nouvelle génération de composites associant matrice minérale à des textiles techniques puisse être transformée suivant des procédés industriels développés par la plasturgie et permettent d’améliorer la reproductibilité et minimiser la dispersion au stade de la fabrication. Les techniques de construction proposées améliorent de façon significative les conditions d’hygiène et sécurité lors des opérations de transformation. Sur un autre plan, ces composites, tout en minimisant la consommation énergétique, répondent à des éxigences de fiabilité et de durabilité accrues. Il semble aussi que leurs conditions de recyclage en fin de vie au sein d’autres matériaux de construction soient plus faciles à développer.

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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IIn nnnno oov vva aattti iioonn dddaanns ss l lle ee GGGééénniiee ... · Roving(735 tex) Mat (300 g/m²) UD 2071 (220 g/m²) σ ε σ ε Propriétés mécaniques – densitésèche

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