Le béton précontraint, avantages et problèmes de durabilité

Les renforts en PRF présentent d’excellentes propriétés qui peuvent leur permettre de remplacer les renforts en acier dans les structures en béton. Cependant, une évaluation de la performance des éléments en béton armé et précontraint par les PRF se doit d’être faite avant d’utiliser ces renforts pour des applications en génie civil à grande échelle. De nombreuses recherches ont été menées au cours des trente dernières années pour examiner la pertinence d’une utilisation des PRF pour la précontrainte. Les résultats obtenus laissent envisager que le remplacement de l’acier par les PRF peut conduire à une technologie prometteuse pour éliminer le problème de la corrosion. (McKay et al. 1993, Fam et al. 1997, et Naaman et al. 1993).

Le béton précontraint, avantages et problèmes de durabilité

Les premières inventions dans le domaine du béton précontraint remontent à la fin du 19e siècle. Toutefois, son développement ne se confirme qu’à la fin des années 1940 et au début des années 1950 (Leonhardt 1964). En France, Eugène Freyssinet a effectué des essais au début des années 1900 en utilisant des câbles de précontrainte en acier pour palier à l’insuffisance de résistance en traction des structures en béton (Freyssinet 1926). Ceci l’amène à croire que la précontrainte peut-être une solution pratique si l’on peut disposer d’acier à haute résistance et de béton de haute qualité. En 1928, il dépose son premier brevet qui établit les bases du béton précontraint par pré-tension (Freyssinet 1959). Par la suite, l’utilisation du béton précontraint s’est généralisée, allant de la construction préfabriquée précontrainte (bâtiments et ponts de petites portées) à la construction en béton précontraint par post tension dans le domaine des grands ponts et grands ouvrages.

La précontrainte est employée pour empêcher la fissuration aux charges de service et permettre de franchir des grandes portées. Elle permet de réaliser des sections plus minces aidant ainsi à réduire la charge morte de la structure. Pour des applications de post-tension, la force de précontrainte se transmet au béton par l’ancrage aux deux extrémités de la structure. Cet ancrage se compose d’un système mécanique à fixer directement sur le béton. Pour la pré-tension, la force de précontrainte se transmet au béton par adhérence entre les torons en acier et le béton le long d’une longueur appelée longueur de transfert.

Les applications typiques de la précontrainte incluent des poutres de pont, des panneaux de construction, des réservoirs de stockage d’eau, des piles préfabriquées, des centrales nucléaires etc. La durée de vie souhaitée d’un pont est de l’ordre de 100 ans mais, elle peut se trouver écourtée à cause des nombreuses pathologies existantes. La pathologie structurelle issue des erreurs de conception lors du dimensionnement ou lors de l’exécution, des défauts de résistance à l’effort tranchant ou en flexion dus au chargement excessif, ainsi que celle liée à la fatigue de la structure sous chargement cyclique sont à l’origine de la diminution de la durée de vie théorique d’un pont. Par ailleurs, la corrosion des câbles et torons en acier est la principale cause de pathologie et de défaillances prématurées des structures en béton précontraint, entraînant des coûts importants pour l’inspection, l’entretien, la restauration et le remplacement d’infrastructures dans le monde.

Le béton contient des hydroxydes de calcium, de sodium et de potassium créant des solutions eau interstitielle avec une valeur de pH d’environ 13. Cette forte alcalinité entraîne la formation d’une couche de passivation d’oxyde sur la surface de l’armature d’acier empêchant un contact direct avec l’eau et l’oxygène et, par conséquent, la protégeant contre la corrosion. La dé-passivation se produit par carbonatation du béton, pénétration des ions chlorure et d’acide sulfurique qui conduit à la corrosion de l’acier. La corrosion de l’acier génère une augmentation du volume de la barre, entraînant des détériorations du béton et de l’acier. La carbonatation est le problème de durabilité le plus courant. Le taux de la carbonatation dépend du rapport E/C (eau/ciment) du béton, du type de ciment, du processus de durcissement, de l’humidité et de la concentration en CO2. L’attaque par des ions chlorures est observée dans des structures en béton armé, telles que les structures en milieu marin, les piscines, les ponts en béton situés dans les régions froides ou les ions chlorures sont apportés par le vent, l’eau salée ou directement par des sels de déglaçage. Les structures en béton peuvent également être exposées aux cycles thermiques (chauffage-refroidissement), cycles de gel dégel et de séchage-desséchage qui favorisent la dégradation du béton et de l’acier par la corrosion.

Les renforts en matériaux composites 

Durant les dernières décennies, de nombreuses recherches sur les nouveaux matériaux ont conduit au développement des matériaux composites à base de fibres. Au début, les champs d’application de ces matériaux étaient réduits à l’aéronautique et l’industrie aérospatiale. Leur champ d’application s’est ensuite élargi à l’industrie automobile, ferroviaire, robotique, maritime et plus récemment au génie civil. Dans le domaine du génie civil, les composites unidirectionnels sont les plus couramment utilisés. Les barres de polymère renforcé de fibre (PRF) sont constituées de fibres continues à haute résistance et rigidité élevée imprégnées d’une résine polymère de faible module. Ces fibres déterminent la résistance et la rigidité des PRF dans le sens longitudinal. La matrice polymérique est nécessaire pour lier les fibres et protéger leur surface contre les dommages lors de la manipulation et la fabrication et, pour transférer les efforts aux fibres. La matrice doit être chimiquement et thermiquement compatible avec les fibres et joue un rôle important dans le contrôle du comportement global contrainte déformation du PRF et de sa résistance aux environnements agressifs. Le comportement mécanique des matériaux composites dépend de plusieurs facteurs: le type de fibres, la fraction volumique de fibres et le type de matrice.

Les fibres

Les fibres sont les renforts qui fournissent la résistance au matériau composite. Une fibre est constituée de plusieurs filaments élémentaires dont les diamètres varient entre 5 μm et 25 μm suivant le type de fibres (verre, carbone, aramide,…). Les exigences structurelles et fonctionnelles souhaitables des fibres dans les matériaux composites sont un module d’élasticité élevé, une haute résistance et une bonne élongation à la rupture en traction, une bonne répartition des efforts entre les différentes fibres, la stabilité des propriétés lors de la manipulation et la fabrication, l’uniformité du diamètre des fibres et de la surface, une dureté élevée, la durabilité et un coût acceptable. Les fibres les plus couramment utilisées pour fabriquer les renforts en PRF sont en verre, carbone, aramide (Wallenberger et al. 2001, Walsh 2001, Chang et al. 2001). Depuis peu, les fibres de basalte sont également commercialisées. Toutes ces fibres ont un comportement élastique linéaire en traction jusqu’à la rupture (Hollaway 1993). Les fibres de carbone et d’aramide sont anisotropes avec des propriétés mécaniques et thermiques différentes suivant les axes d’orthotropie alors que les fibres de verre et de basalte sont isotropes (Gay et al. 2003, Gibson 1994).

Les fibres de verre

Les fibres de verre sont les fibres les plus utilisées comme renfort de composites à matrice polymère. Ceci est principalement dû à leur faible coût, leur disponibilité, leur facilité de mise en oeuvre, leur haute résistance et leur excellente propriété d’isolation Le verre fondu peut être étiré en filaments continus qui sont regroupés en mèches. Le revêtement des fibres de verre réalisé à l’aide d’un agent de couplage fournit une couche souple à l’interface, améliore la liaison et réduit les vides dans le matériau (minimisation des dommages dus à l’abrasion). (Benzarti, K et al.2001). Les différents types de fibres de verre, classés selon leurs applications spécifiques, sont :

* Verre-E (Electrical) possédant d’excellentes propriétés d’isolation électrique (le moins cher).
* Verre-S (Strength) ayant de très hautes résistances et rigidité à la traction (le plus cher).
* Verre-C (Chimical) stable chimiquement dans les environnements acides.
* Verre-AR (Alkali-Resistant) utilisé pour prévenir la corrosion par l’attaque alcaline dans des matrices cimentaires (fabriqué en ajoutant de zirconium).

La résistance à la traction des fibres de verre se réduit aux températures élevées, mais peut être considérée comme constante pour la gamme de températures à laquelle les matrices polymères peuvent être exposées. La résistance à la traction diminue également avec la corrosion chimique et avec le temps sous des charges soutenues.

Fibres d’Aramide

Aramide est un terme générique pour un groupe de fibres organiques de faible densité et résistances spécifiques (rapport résistance en traction / densité) parmi les plus élevées parmi les fibres de renfort courantes. Les fibres d’aramide sont caractérisées par une haute résistance, une rigidité élevée et une stabilité vis-à-vis des hautes températures. Les fibres d’aramide ont un coefficient d’expansion thermique négatif suivant la direction longitudinale et positive suivant la direction radiale. La température d’utilisation typique pour les fibres d’aramide varie entre -200°C et +200°C. Trois types de fibres d’aramide sont commercialement disponibles portant les marques de fabricants telles que :
* Kevlar (Dupont, USA).
* Twaron (Akzo, Pays-Bas).
* Technora (Teijin, Japon).
Des fibres d’aramide SVM sont également produites en Russie. Les fibres de Kevlar sont produites par extrusion de la solution liquide cristalline du polymère avec les molécules partiellement orientées. Il existe plusieurs types de fibres Kevlar: Kevlar 29 (utilisé dans les composites), le Kevlar 49 (utilisé dans les plastiques renforcés) et de Kevlar 149 (présentant le module de traction le plus élevé parmi toutes les fibres d’aramide disponibles). La résistance à la compression des fibres de Kevlar est inférieure de 20% à la résistance à la traction. Le Kevlar 49 a un comportement fragile en traction, ductile sous charge en compression et, peut absorber de l’énergie. Les fibres Kevlar ont une très bonne résistance à la fatigue en traction, affichant un faible fluage et elles peuvent résister à des températures relativement élevées. La résistance et le module des fibres Kevlar diminuent de façon linéaire lorsque la température augmente, mais, conservent plus de 80% de leur résistance initiale à 180 °C. Les fibres de Kevlar absorbent de l’eau, la quantité d’eau absorbée dépendant du type de la fibre. Elles sont sensibles aux rayons ultraviolets (UV). À haute teneur en humidité, les fibres de Kevlar ont tendance à se fissurer (fissuration générée par les micro-vides préexistants) et à produire une fissure longitudinale.

Table des matières

Introduction
1 Chapitre 1 : Étude bibliographique
1.1 Introduction
1.2 Le béton précontraint, avantages et problèmes de durabilité
1.3 Les renforts en matériaux composites
1.3.1 Les fibres
1.3.1.1 Les fibres de verre
1.3.1.2 Fibres d’Aramide
1.3.1.3 Fibres de carbone
1.3.2 Les matrices
1.3.2.1 Résines polyesters
1.3.2.2 Résines époxydes
1.3.2.3 Résines vinylesters
1.4 Processus de fabrication des armatures en matériaux composites PRF
1.5 Applications des PRF dans le génie civil
1.5.1 En Europe
1.5.2 Au Japon
1.5.3 Au Canada
1.5.4 Aux Etats Unis
1.6 Exemples d’armatures en matériaux composites et d’utilisation
1.6.1 Barres en fibre de verre PRFV
1.6.2 Renforts en fibre de carbone PRFC
1.6.2.1 Barres Leadline
1.6.2.2 Torons CFCC
1.6.2.3 Torons NACC
1.6.3 Renforts en fibre d’aramide PRFA
1.6.3.1 Tendons ARAPREE
1.6.3.2 Barres Technora
1.6.3.3 Torons FIBRA
1.7 Principaux avantages et inconvénients des renforts en PRF dans les applications au béton précontraint
1.8 Propriétés physiques et mécaniques des renforts en PRF
1.8.1 Propriétés physiques
1.8.1.1 3-7-1-1-Densité
1.8.1.2 Coefficient d’expansion thermique (CET)
1.8.2 Propriétés mécaniques des PRF à court terme
1.8.2.1 Résistance en traction
1.8.2.2 Résistance en compression
1.8.2.3 Résistance au cisaillement
1.8.3 Propriétés des PRF à long terme
1.8.3.1 Le fluage
1.8.3.2 Relaxation
1.8.4 La fatigue
1.9 Effets de l’environnement et la durabilité des renforts en PRF
1.9.1 Facteurs affectant la durabilité des renforts PRF
1.9.2 Effet de l’eau
1.9.3 Effet des chlorures
1.9.4 Effet des alcalins
1.9.5 Effet des contraintes soutenues (rupture par fluage)
1.9.6 Effet des rayons ultraviolets (UV)
1.9.7 Effet de la température
1.9.8 Carbonatation
1.9.9 Attaque par des acides
1.10 Adhérence des renforts PRF avec le béton
1.10.1 Effet d’un gradient thermique sur l’adhérence
1.10.2 Effet Hoyer pour les torons en PRF
1.11 Longueur de transfert et longueur de développement
1.12 Nécessité des Systèmes d’ancrage pour les torons (barres) en PRF
1.12.1 Les exigences d’un système d’ancrage de précontrainte
1.12.2 Système de clavettes
1.12.3 Système d’ancrage à pinces de serrage
1.12.4 Système d’ancrage par adhérence (manchon droit de section constante)
1.12.5 Système d’ancrage par adhérence (manchon profilé)
1.12.6 Modes de rupture des systèmes d’ancrage PRF
1.13 Comportement en flexion des éléments précontraints par les PRF
1.14 Résistance à la fatigue des poutres précontraintes par les PRF
1.15 Comportement des éléments précontraints par les PRF à long terme
1.16 Ductilité et déformabilité
1.16.1 L’indice de ductilité
1.17 Codes et guides de conception internationaux existants
1.18 Projets de démonstration en utilisant les renforts en PRF dans les ponts
1.19 Les Bétons Fibrés Ultra Performants (BFUP)
1.19.1 Etat des connaissances
1.19.2 Avantages des BFUP
1.19.3 Composition et principe de formulation des BFUP
1.19.4 Les différents types de BFUP
1.19.5 Traitement thermique des BFUP
1.20 Propriétés des BFUP
1.20.1 Comportement mécanique des BFUP en compression et en traction
1.20.2 Effets différés des BFUHP
1.20.2.1 Retrait
1.20.2.2 Fluage
1.20.3 Durabilité des BFUP
1.20.4 Valorisation de la résistance des BFUP
1.20.5 Documents de référence
1.20.6 Dimensionnement des structures en BFUP
1.20.7 Domaines d’applications potentiels des BFUP
1.20.8 Exemples d’application des BFUP
1.21 Conclusion
2 Chapitre 2 : Etude de l’adhérence des joncs PRFC avec le BFUP
2.1 Introduction
2.2 Programme expérimental
2.2.1 Matériaux utilisés
2.3 Etude de l’adhérence
2.3.1 Essais d’arrachement (Pullout) des joncs lisses et recouverts de sable
2.3.2 Résultats expérimentaux obtenus avec les joncs lisses et recouverts de sable
2.3.2.1 Effet de la configuration de surface
2.3.2.2 Effet du diamètre
2.3.2.3 Effet de la longueur de scellement
2.3.2.4 Effet de l’âge du béton
2.3.2.5 Mode de rupture
2.3.3 Essais d’arrachement (Pullout) des joncs usinés
2.3.4 Résultats expérimentaux obtenus pour les joncs usinés
2.3.4.1 Cas d’usinage oblique
2.3.4.2 Cas de l’usinage courbe
2.3.4.3 Cas d’usinage courbe en spirale
2.3.5 Essai d’adhérence par flexion (Beam test)
2.3.5.1 Résultats des essais de flexion et comparaison avec les essais d’arrachement
2.4 Conclusion
Conclusion

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