Sujet de Doctorat
Durabilité des composites à matrice minérale et fibres naturelles (TRM)
Résumé
La réhabilitation des bâtiments historiques, la réparation et le renforcement de structures en béton nécessitent des solutions techniques compatibles avec les structures et les matériaux de construction existants. L’application en surface de composites à matrice minérale (TRM – Textile Reinforced Mortar) pour le renforcement des éléments structuraux est une technique adaptée parmi les plus innovantes. Ce type de composite est constitué d’une grille textile (en fibres de carbone, verre, aramide, PBO, lin, basalte…) noyée dans une matrice minérale (à base de ciment, de chaux…).
La communauté scientifique travaille actuellement à la caractérisation de différents types de TRM et définit des protocoles d’essais les plus adaptés pour l’identification des propriétés mécaniques à court terme de ces systèmes renforcés. Depuis une dizaine d’années, le laboratoire LMC² participe activement à cette phase d’investigation et d’échanges avec les autres groupes de recherche notamment en étant membre du comité RILEM TC 250 CSM (Composites for the Sustainable strengthening of Masonry). Afin d’évaluer la performance du système de renforcement TRM, il est nécessaire de caractériser les performances mécaniques intrinsèques de ces systèmes et leur adhérence au support. Les essais de traction sur TRM montrent que ce type de composite est caractérisé par un comportement tri-phasique, chaque phase étant pilotée par un élément du composite : la première phase est élastique (un-cracked phase) dictée par la matrice, la deuxième phase est caractérisée par l’ouverture progressive de fissures dans la matrice (cracking-phase), la troisième phase concerne principalement la mise en traction du textile (cracked phase) et l’élargissement des fissures. Les essais d’adhérence entre substrat (maçonnerie ou béton) et TRM montrent un mode de fracture du système renforcé fréquemment lié au glissement du textile dans la matrice.
Très peu de recherches traitent le comportement à long terme, notamment du vieillissement. De récentes études montrent que les textiles en basalte soumis à des environnements alcalins (solution 0.16% Ca(OH)2 + 1% NaOH + 1.4% KOH représentant une solution interstitielle de mortier à base de ciment Portland de pH 13) peuvent subir une perte de résistance mécanique d’environ 50%. En effet, la présence d’ions OH- dans la matrice peut causer la corrosion des fibres. En outre la précipitation de certains produits d’hydratation, en particulier la portlandite Ca(OH)2, peut anticiper la ruine du composite en modifiant l’interface textile-mortier.
Afin de réaliser des interventions de réhabilitation ou de réparation éco-durables, les travaux de cette thèse porteront sur la durabilité des TRM constitués de textiles à fibres naturelles (basalte, chanvre et lin) et à matrice minérale (liants hydrauliques traditionnels tels que CEM I ou NHL ou matrice minérale à liant ettringitique).
Les textiles en fibres de lin et de basalte seront soumis à différents environnements alcalins puis caractérisés mécaniquement. Nous effectuerons l’analyse de la durabilité sur composites par le biais des essais sur composite définis précédemment. L’utilisation d’une technique optique non interférométrique de corrélation d’images permettra de déterminer la déformation de surface. Des analyses complémentaires seront réalisées pour caractériser l’interface fibres-matrice (tomographie à rayons X…). Nous définirons le protocole de vieillissement accéléré le plus représentatif d’un vieillissement naturel. Le système complet renforcé fera également l’objet d’essais.
Au cours de cette thèse, nous souhaitons lever un certain nombre de verrous scientifiques liés à l’utilisation de ces matériaux innovants :
- par une étude matériaux pour une optimisation de la formulation des TRM
- par une analyse de l’endommagement des matériaux composites en fonction des matrices et des fibres soumis à un vieillissement
- par une analyse de l’évolution des performances mécaniques du système renforcé après vieillissement
- par une validation des variables à prendre en compte dans la formulation fiabiliste des lois de comportement d’un matériau de réparation, par une analyse des mécanismes d’endommagement en fonction du temps et par l’estimation des durées de vie par la méthode probabiliste. Un des buts de cette thèse est en effet la détermination des indicateurs de durabilité permettant d’évaluer l’endommagement des composites minérales à base de fibre de basalte, chanvre ou lin et d’identifier les différents mécanismes de dégradation de l’assemblage collé. Un modèle de dégradation ayant pour but d’établir les lois statistiques de durée de vie des ouvrages réparés par matériaux composites collés est actuellement développé au LARIS (Université d’Angers) sur des essais effectués au LMC2 et les essais réalisés dans le cadre de cette thèse pourront permettre d’enrichir ce modèle.
Encadrants
- Laurence CURTIL
- Carmelo CAGGEGI
- Marie MICHEL
Début et fin de thèse
01/10/2018 – 30/09/2021