LL’’’i iin nnnno oov vva aatttiioonn dddaanns ss l lle ee ... · P.05 P.06 P.08 Partenaire industriel SPIRALTEX LAMTEXTRES Figure 2 Le procédé « Lamtextress » Les conditions

LLL’’’iiinnnnnnooovvvaaatttiiiooonnn dddaaannnsss llleee GGGééénnniiieee CCCiiivvviiilll aaauuu ssseeerrrvvviiiccceee

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

Le procédé Lamtextress : un procédé de fabrication d’éléments structuraux mettant en œuvre des composites fibres-

matrices minérales

Patrice Hamelin, Geoffrey Promis, Aron Gabor - Université de Lyon

Alain Cavet - Spiraltex Industrie

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LE PROCEDE LAMTEXTRESS : UN PROCEDE DE FABRICATION

D’ELEMENTS STRUCTURAUX VALORISANT L’UTILISATION DE

COMPOSITES FIBRES-MATRICES MINERALES

Patrice HAMELIN, Geoffrey PROMIS, Aron GABOR

Université de Lyon

Alain CAVET

Spiraltex Industrie

RESUME

Dans un cadre du projet européen Contex-t, nous avons développé la formulation d’un nouveau matériau composite associant une matrice minérale (Vubonite : liant phosphatique) et des renforts textiles de fibres de verre E. La présente communication vise à présenter un procédé de fabrication associant deux technologies de transformation spécifiques au domaine de la plasturgie et des composites (la pultrusion et le tressage) permettant de produire en continu des éléments structuraux préfabriqués (poutres caissons, arcs). Nous décrirons les différentes étapes du procédé de transformation : sélection des renforts – imprégnation – formage – confinement – usinage. Sur un autre plan nous présenterons les méthodes d’aide au dimensionnement permettant de sélectionner les types de renforts, les positions des renforts en fonction des propriétés mécaniques escomptées et en fonction des paramètres « machines » du procédé. Dans une dernière phase de la présentation, nous examinerons les différentes étapes de réalisation d’un bâtiment expérimental (démonstrateur) où l’ossature porteuse est obtenue par assemblage des différents éléments structuraux produits par le procédé Lamtextress.

INTRODUCTION

Dans le cadre du programme de recherche européen Contex-t et plus particulièrement en coopération avec l’Université de Bruxelles (VUB) et les sociétés ATP et Spiraltex, nous avons cherché à développer l’utilisation d’un nouveau composite fibre-ciment pour la réalisation d’éléments structuraux pour le bâtiment (ossature – panneaux de façade auto-porteurs) ou pour les infrastructures (tunnels). Les principaux objectifs portent sur la volonté de développer un matériau composite plus respectueux de l’environnement, particulièrement stable vis-à-vis des conditions d’incendie pouvant être transformé suivant des conditions de production industrielle comparables à celles de la plasturgie.

1. IDENTIFICATION ET CARACTERISATION DU COMPOSITE

La formulation du composite associe une matrice minérale, Vubonite [Réf. 1] à des fibres de renforcement de type verre E. La matrice ciment phosphorique inorganique (IPC) a été développée par la Vrije Universiteit Brussel (VUB). Il s’agit d’un polymère minéral non alcalin qui se compose d’une poudre de calcium métasilicate (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 réticulaire 3D. La matrice CPI est un matériau nouveau qui




matrices minérales



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combine la flexibilité de conception des résines comme le polyester avec les propriétés de la céramique. La matrice est ensuite additionnée à un renfort sous la forme de fibres (mat) ou d’armures textiles afin de palier les faibles propriétés de la matrice pure en terme de dureté, résistance en traction et rigidité. Cette matrice présente l’avantage d’être ininflammable, résistante aux températures élevées et de ne pas émettre de Composées Organiques Volatiles. La fabrication se base sur des poudres minérales réactives, ce qui implique un faible cout de production. Les renforts sont des méches roving de verre E non alcali résistant compte tenu des propriétés de la matrice qui peuvent être ellaborés sous forme de tissus UD ou taffetas ou de mat.

2. PROCEDE DE TRANSFORMATION : LE PROCEDE LAMTEXTRE SS [Réf. 2]

Nous avons développé un banc de préfabrication qui comprend deux étapes essentielles : Dans un premier temps, en collaboration avec la société ATP, la technique de pultrusion (Figure 1) a été adaptée aux propriétés spécifiques de la matrice minérale et aux conditions d’imprégnation des fibres de verre.

Figure 1 Banc de pultrusion et exemples de profiles pultrudés (a) ; (b)

La production de « planches » composite fibres-ciment de 10cm de large, de 1 cm dépaisseur a été obtenue par l’imprégnation de 792 filaments de verre E de 735 Tex qui conduit à un taux volumique de renfort de 21%. Dans une seconde étape, pour assembler les planches entre-elles et renforcer leurs propriétés au cisaillement nous avons ellaboré avec la société Spiraltex (Figure 2 et 3), un banc de tressage 2D-3D qui permet de confiner circonférentiellement les sections de poutres.

P.03

P.05

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Partenaire industriel

SPIRALTEX

LAMTEXTRESP.03

P.05

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SPIRALTEX

P.03

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P.08

P.03

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SPIRALTEX

LAMTEXTRES

Figure 2 Le procédé « Lamtextress »

Les conditions de tressage permettent de faire varier la nature des fibres, l’angle des fibres, le pas de tressage (Figure 4) et il est possible d’imprégner les fibres tressées soit par la matrice minérale soit par des matrices époxydes. La dernière opération consiste à recouvrir l’ensemble du profilé préfabriqué par une couche de finition constituée de fibres courtes (mat).




matrices minérales



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Figure 3 Les techniques de tressage 2D-3D interlock

mandrin

Fils de tressage

Vt : avance du mandrin

Ø Dm

ωr

• vitesse d'avance du mandrin Vt,

• diamètre du mandrin Dm,Vt

Dm

• vitesse de rotation des roues à ouches ωr,

ωωωωr

- notched wheels rotational speed ωr

- mandrel displacement rate Vt

- mandrel diameter Dm

mandrin

Fils de tressage

Vt : avance du mandrin

Ø Dm

ωr

• vitesse d'avance du mandrin Vt,

• diamètre du mandrin Dm,Vt

Dm

• vitesse de rotation des roues à ouches ωr,

ωωωωr

- notched wheels rotational speed ωr

- mandrel displacement rate Vt

- mandrel diameter Dm

γγγγ(t)

h

point detressage

mandrin(diam. Dm)

p

plan de circulationdes fuseaux

fuseau

axe detressage

θθθθ

• ondulation du fil ϕ=ϕ(Dm, ωr).

r

tVp

ω.32

=

• pas de tressage p=p(Vt, ωr),

t

rm

V32

Dtan

ωπ=θ

• angle surfacique de tressageθ=θ(Dm, Vt, ωr),

- Braiding thread

- braiding surface angle

- yarn undulation

spindle

Braidingaxis

Braidingpoint

mandrel

γγγγ(t)

h

point detressage

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p

plan de circulationdes fuseaux

fuseau

axe detressage

θθθθ

• ondulation du fil ϕ=ϕ(Dm, ωr).

r

tVp

ω.32

=

• pas de tressage p=p(Vt, ωr),

t

rm

V32

Dtan

ωπ=θ

• angle surfacique de tressageθ=θ(Dm, Vt, ωr),

- Braiding thread

- braiding surface angle

- yarn undulation

spindle

Braidingaxis

Braidingpoint

mandrel

γγγγ(t)

h

Braidingpoint

mandrel(diam. Dm)

Movingcurvesfor spindles

Spindle

Braidingaxis

braidingpoint position h=h(D m, Vt, ωωωωr),

contact angle of yarnson mandrelγ(γ(γ(γ(t))))=γ(γ(γ(γ(t, ρρρρ, Dm, h)))),

h

γγγγ(t)

ρ(t)

α(t)

roue à ouches (rayon r1)sur la première couronne

fuseau

centre de la machine(axe de tressage)

rayon moyen de circulationde la première couronne

r1

radial position ρρρρ(t) and αααα(t) angularposition for the spindle

ρρρρ(t)αααα(t)

γγγγ(t)

h

Braidingpoint

mandrel(diam. Dm)


Spindle

Braidingaxis



h

γγγγ(t)γγγγ(t)

ρ(t)

α(t)


fuseau



r1

ρρρρ(t) and αααα(t) angularposition for the spindle


ρ(t)

α(t)


fuseau



r1


ρρρρ(t)ρρρρ(t)αααα(t)αααα(t)

γγγγ(t)

h

Braidingpoint

mandrel(diam. Dm)


Spindle

Braidingaxis



h


ρ(t)

α(t)


fuseau



r1



ρ(t)

α(t)


fuseau



r1

ρ(t)

α(t)


fuseau



r1



γγγγ(t)

h

Braidingpoint

mandrel(diam. Dm)


Spindle

Braidingaxis



h


ρ(t)

α(t)


fuseau



r1

ρ(t)

α(t)


fuseau



r1



ρ(t)

α(t)


fuseau



r1

ρ(t)

α(t)


fuseau



r1



Main technological parameters considered for

braiding machine pilotingGeometrical parameters for braiding process

Secondary technological parameters

Figure 4 Différents paramètres de tressage

Le dispositif de fabrication conduit à la production en continu de poutres ou de poteaux ou de plaques telles que celles décrites par la figure 5. La dimension et la géométrie des sections ainsi que la longueur des éléments structuraux peut varier en fonction de la géométrie des têtes de pultrusion et des longueurs de coupe et des paramètres de tressage retenus.




matrices minérales



5

Reference Section Longueur Composition

P.02

P.03

P.04

P.05

Reference Section Longueur Composition

P.02

P.03

P.04

P.05

10 mm plat pultrudé PU


2 m2 m

2 m2 m

1 mm tressage (± 45°)


4 mm stratification


4 mm stratification

10 mm plat pultrudé PU1 mm tressage (± 45°)4 mm stratification

10 mm plat pultrudé PU1 mm tressage (± 45°)4 mm stratification

2 m2 m

2 m2 m

Figure 5 Différentes géométries de poutres fabriquées suivant le procédé LAMTEXTRESS

3. CARACTERISATION DU COMPOSITE ET EVALUATION DES P ERFORMANCES DES ELEMENTS STRUCTURAUX PREFABRIQUES

Les lois de comportement et les mécanismes d’endomagement des composites fibres-matrices minérales sont directement dépendants des mécanismes d’adhésion, d’adhérence entre les fibres et la matrice. Des formulations spécifiques de traitement de surface sont susceptibles d’augmenter de plus de 30% les résistances en traction. Comme le montre la figure 6, nous pouvons distinguer trois domaines de comportement en fonction du niveau de fissuration de la matrice.

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 de composite UD pultrudé (% %20=fV )

Par contre, en compression, si la méthode d’essai limite les mécanismes de flambage ou micro-flambage, nous obtenons des lois de comportement quasi-linéaire jusqu’à rupture (Figure 7).




matrices minérales



6

MATMATMCMC

PUPU

PCPC

Figure 7 Lois de comportement en compression de composite UD pultrudé

Le dimensionnement des éléments structuraux a été développé d’une part en appliquant la théorie des plaques stratifiées [Réf. 3] au composite fibres-matrice minérale. Comme le montre la figure 8, il est possible d’établir pour chaque formulation la matrice de rigidité de la couche élémentaire dans ses axes d’orthotropie et ensuite de déterminer la matrice transformée en fonction de l’orientation de la couche par rapport au repère de la structure considérée. Ces jeux de données peuvent ensuite être introduits dans des codes de calcul numérique classiques (éléments finis).

MC

PC

MC

PC

Lois de comportementMatrices de rigidité (phase I)

MPa

MPa Figure 8 Matrice de rigidité du composite dans ses axes d’orthotropie

La prise en considération du confinement et du renforcement vis-à-vis de l’effort tranchant par la technique de tressage considère une approche proche de celle du béton armé [Réf. 5]. Les expression de calcul données dans la figure 9 permettent d’évaluer les efforts repris en cisaillement par des tresses en fonction de leur orientation, de leur section et du pas de tressage. La validation de l’ensemble de la démarche de dimensionnement [Réf. 5] a été confirmée par des expérimentations sur des poutres testées en flexion circulaire (Figure 10) jusqu’à rupture.




matrices minérales



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� Approche de la rupture

– effort tranchant résistant de la poutre renforcée

Poutre renforcées

Poutre non renforcées

Renforcement par tressage

Renforcement par stratification

Poutre renforcées

Poutre non renforcées

Renforcement par tressage

Renforcement par stratification

Figure 9 Prise en compte du tressage vis-à-vis du renforcement au cisaillement

Figure 10 Augmentation des charges de ruine des poutres en fonction des modes de renforcement

4. APPLICATION A LA REALISATION D’UN DEMONSTRATEUR POUR JUGER DE LA DURABLITE DES COMPOSITES DANS DES CONDITIONS D’ENVI RONNEMENT REELLES

Au terme du projet Contex-t, nous avons réalisé un bâtiment expérimental instrumenté et implanté en zone lyonnaise pour suivre le vieillissement du matériau et des éléments structuraux (Figure 11). Les premiers résultats confirme la très grande stabilité du composite établie au laboratoire ([Réf. 1]. Le suivi de l’ouvrage sera assuré pendant dix ans.

Figure 11 Différentes étapes de construction du bâtiment expérimental exposé en Région Lyonnaise

CONCLUSION

� Approche de la rupture

– effort tranchant résistant du renforcement par stratification

– effort tranchant résistant du renforcement par tressage

(Khalifa, 98) (Chen, 03) (Triantafillou, 06)

Méthode EuroCode 2

EuroCode 2EuroCode 2




matrices minérales



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Le procédé LAMTEXTRESS permet de produire industriellement suivant des technologies de transformation spécifiques à la plasturgie des éléments structuraux (poutres, poteaux, panneaux sandwich) en composites fibres-matrices minérales (TRC). Il faut souligner l’intérêt de ces matériaux vis-à-vis des conditions d’hygiène et de sécurité lors de leur ellaboration (pas de solvants, pas d’emission de gaz), leur parfaite stabilité et résistance vis-à-vis des conditions d’incendie et la possibilité de les recycler en fin de vie après broyage comme charges au sein de matériaux de construction.

BIBLIOGRAPHIE

[1] H. Cuypers, Van Ittebeek, E. De Bolster, J. Wastiels, Durability of cementitous composites, Composites in construction (CCC 2005), 3rd International Conférence, France, Lyon, 2005, p. 1205-1212. [2] Brevet LAMTEXTRESS, Brevet N° 2921-394, 07 06597, Comp osant de construction renforcé, Spiraltex Industrie. [3] J-M. Berthelot, Matériaux composites : comportement mécanique et analyse des structures, 3ème édition 1999, Edition TEC et DOC, Paris. [4] G. Promis, A. Gabor, P. Hamelin, Comportement de poutres renforcées par composites à matrice minérales, Compte rendu des Journées Nationales sur les Composites, JNC16, Toulouse, 2009. [5] P. Hamelin, G. Promis, A. Gabor, 3D-2D braiding technology for composite beam confinement, 10th International conference on textile composite, Texcomp, octobre 2010, Lille.

LL’’’i iin nnnno oov vva aatttiioonn dddaanns ss l lle ee ... · P.05 P.06 P.08 Partenaire industriel SPIRALTEX LAMTEXTRES Figure 2 Le procédé « Lamtextress » Les conditions

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