Soutenance mémoire
L’emploi des matières plastiques comme matériaux de construction est relativement récent. Leurs propriétés sont très différentes de celles des matériaux traditionnels comme le béton et les métaux. Il est donc nécessaire que les projeteurs et les utilisateurs comprennent leurs caractéristiques afin d’assurer leur performance adéquate dans des nouvelles applications.
Cette matière plastique représente à elle seule environ un tiers de la production totale des matières synthétiques et constitue la moitié des emballages plastiques. Plusieurs millions de tonnes de polyéthylène sont produites chaque année car c’est un matériau extrêmement polyvalent et important sur le plan économique et écologique. Grâce à sa structure chimique simple, le polyéthylène prime sur la plupart des autres matériaux car il peut être réutilisé, sa production mondiale annuelle étant voisine de 54 millions de tonnes. Le PE est un matériau léger, ce qui facilite les opérations de manutention et de mise en oeuvre sur le terrain. Il possède une bonne résistance à la corrosion, quelles que soient les conditions au sol, ce qui permet d’éviter les surcoûts dus à l’application d’une protection passive ou active. De plus, les systèmes en PE supportent les effets des mouvements du sol dus aux instabilités et aux grandes variations de température. Du fait de leur bonne résistance à la fissuration, les canalisations en PE présentent un degré de fiabilité élevé dans des conditions d’utilisations normales. Dans ces conditions leur durée de vie est estimée à plus de 50 ans sur la base de courbes de régression construites à partir d’essais accélérés en pression hydraulique.
Méthodes et procédés de polymérisation
Les nombreux procédés de synthèse du polyéthylène développés au cours de ces soixante dernières années conduisent à une grande plage de matériaux ayant des propriétés bien spécifiques. L’architecture chimique obtenue contrôle directement les propriétés rhéologiques et physiques. La première synthèse à l’échelle industrielle de ce matériau est réalisée en 1939 par la société anglaise ICI. Le procédé utilisé est fondé sur une polymérisation radicalaire de l’éthylène à haute pression conduisant à des chaînes ramifiées [2], il est encore utilisé, la polymérisation étant amorcée à l’aide d’un peroxyde organique ou bien d’oxygène moléculaire, à une température comprise entre 140 et 180. Les polymères résultants sont désignés spécifiquement par le sigle PEBD (LDPE pour les anglo-saxons): « basse densité ». Les polymérisations sont effectuées en continu soit dans des réacteurs agités (autoclaves) dont le volume est de l’ordre du m3 , soit dans des réacteurs tubulaires, moins volumineux (~ 0,4 m3 ), dans lesquels la pression peut être plus élevée que dans les autoclaves. La conversion du monomère est seulement de 15 à 20% à chaque passage dans les autoclaves, un peut plus élevée (~25%) dans des réacteurs tubulaires. Il est important de souligner que, à la température et à la pression utilisées, l’éthylène se trouve dans des conditions supercritiques et le fluide correspondant, dans la densité est d’environ 0,6, sert de solvant au PE formé. Il s’agit d’une polymérisation en masse.
La polymérisation coordinative de l’éthylène est de plus en plus utilisée car, par rapport à la polymérisation radicalaire, elle permet un meilleur contrôle de la structure du polymère produit, donnant, en particulier, des polymères linéaires désignés par le sigle PEHD (« haute densité ») (HDPE pour les anglo-saxons) ainsi que des copolymères en présence d’autre oléfines. Ces derniers sont particulièrement importants car, par la seule variation de leur composition en comonomère, ils génèrent des matériaux de caractéristiques nettement différenciées.
Les catalyseurs de type « Phillips », à base d’oxyde de chrome supporté, sont encore très largement utilisés pour produire le PEHD. Néanmoins, la découverte, par Ziegler, en 1953, des catalyseurs de polymérisation qui portent son nom, à révolutionné la production du polyéthylène. En effet, les systèmes catalytiques à base d’halogénures de titane et d’alkylaluminium, offrent de nombreux avantages tant pour ce qui concerne les procédés (polymérisation sous pression modérée) que pour les propriétés des polymères formés. Les systèmes catalytiques les plus utilisés sont constitués de TiCl4 et de Al(C2H5)3, le produit de la réaction étant supporté sur MgCl2; ils donnent des productivités extrêmement élevées (jusqu’à 500 kg de PE par g de Ti), ce qui permet de supprimer la phase de lavage du polymère nécessaire à l’élimination des résidus catalytiques. Les techniques qui sont mises en oeuvre pour réaliser ces polymérisations coordinatives sont très variées: haute pression (« masse »), solution dans un hydrocarbure aliphatique, procédé « phase gazeuse », suspension dans un diluant. Chacune de ces techniques doit être adaptée à la production du polymère en quantités particulièrement élevées. Les masses molaires sont contrôlées par transfert à l’hydrogène moléculaire.
Les métallocènes sont, eux aussi, capable d’induire la polymérisation de l’éthylène ainsi que sa copolymérisation avec d’autre Į-oléfines pour produire des copolymères. L’efficacité de ces catalyseurs est proche de l’unité; ils conduisent à des productivités très élevées qui en font des systèmes catalytiques d’avenir .
Phase amorphe et phase cristalline
Lors d’un refroidissement d’une matière thermoplastique à l’état liquide deux cas sont possibles. Dans certains cas l’agitation moléculaire diminuant, on assiste à un « figeage » de la situation des molécules à l’état liquide. La matière obtenue reste amorphe. Dans d’autre cas, l’énergie diminuant, les chaînes s’organisent, se replient sur elles-mêmes en segments parallèles et forment des lamelles cristallines séparées par des zones amorphes où, pour diverses raisons, les segments n’on pu s’organiser. La matière obtenue est alors appelée semi cristallin.
Le comportement au réchauffement est également différent. Le réchauffement d’un polymère amorphe va produire une rupture désordonnée des liaisons faibles et l’on assistera à un ramollissement progressif. Toutefois le phénomène n’est pas linéaire et il existe une température dite de transition vitreuse à partir de laquelle le phénomène devient beaucoup plus marqué. Au contraire, les zones cristallines comportent de nombreuses liaisons faibles d’énergie identique et leur rupture se fera dans un intervalle de température très étroit. Si le matériau comporte une forte part de zones cristallines, on pourra alors déterminer une température de fusion [3]. Dans les polymères semi-cristallins, il est important de connaître la proportion massique ou volumique de la phase cristalline car celle-ci influence directement les propriétés mécaniques .
Propriétés générales des polyéthylènes
Les propriétés du polyéthylène ne dépendent pas seulement de la constitution chimique et du poids moléculaire, mais encore du degré de cristallinité (et par conséquent, de la densité). Il existe donc, dans la plus part des cas, une gamme de propriétés correspondant à la gamme de densité existantes. La répartition des poids moléculaires peut aussi affecter les propriétés du polymère. En particulier les polyéthylènes avec une répartition serrée de poids moléculaires possèdent une résistance plus grande à la fragilité à basse température et à la fissuration due aux efforts des agents extérieurs.
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Table des matières
Introduction générale
CHAPITRE I ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE SUR L’INTERACTION DES SOLS AVEC LES RESEAUX ENFOUIS
1.1. Introduction
1.2. Méthodes et procèdes de polymérisation
1.3. Phase amorphe et phase cristalline
1.4. Propriétés générales des polyéthylènes
1.4.1. Propriétés physiques
1.4.2. Propriétés mécaniques
1.4.3. Propriétés chimiques
1.5. Comportement a la rupture des matériaux polymères
1.5.1. Micromécanique de la rupture
1.5.1.1. Mécanisme de la rupture
1.5.1.2 Mécanique de la rupture
1.5.2. Formation des craquelures dans les thermo plastes semi cristallins
1.6. Tubes en polyéthylène
1.7. Classification des tubes en polyéthylène
1.8. Matériaux pour tuyauterie a problèmes
1.9. Phénomènes d’endommagements des conduites enterrées
1.9.1. Tassement de l’assise
1.9.2. Les glissements de terrain
1.9.3. Affaissement et effondrement
1.9.4. Gonflement- Retrait
1.10. Détection des fuites dans les conduites de distribution d’eau
1.11. Résistance a la fissuration sous contrainte ESCR (environmental stress cracking resistance)
1.12. Interaction des sols avec les différents réseaux enfouis
1.12.1. Tubes de distribution et de transport de gaz
1.12.2. Tubes de transport et de distribution d’eau
Références
CHAPITRE II APPROCHES EXPERIMENTALES DES PROPRIETES MECANIQUES LOCALES DES TUBES EN POLYETHYLENE
1. Introduction
2. Etudes expérimentales des propriétés mécaniques locales des tubes en polyéthylène
Références
CHAPITRE III ÉVOLUTION DES PROPRIETES MECANIQUES A TRAVERS LA PAROI D’UN TUBE HDPE
1. Introduction
2. Approche expérimentale
2.1. Matériau
2.2. Préparation des éprouvettes
2.3. Présentation de la machine d’essai
3. Résultats
3.1. Caractérisation mécanique à l’air
3.2. Interaction avec le Toluène- Méthanol
3.3. Interaction avec le Pétrole brut
3.4. Interaction avec l’acide sulfurique
3.5. Interaction avec l’acide Chlorhydrique
3.6. Interaction avec le CH2cl2
3.7. Etude des propriétés mécaniques à travers la paroi du tube
4. Discussion
5. Conclusion
Références
CHAPITRE IV ÉVOLUTION DES DEFORMATIONS RESIDUELLES OBTENUES SUR DES ANNEAUX DE TUBES HDPE 80 ET HDPE
1. Introduction
2. Approche expérimentale
2.1. Matériau
2.2. Préparation des éprouvettes
3. Résultats
3.1. Mesure des déformations résiduelles à l’air
3.2. Mesure des déformations résiduelles des éprouvettes de gaz et d’eau dans les différents milieux chimiques
4. Discussion
5. Conclusion
Références
Conclusion générale
