Sujet de Doctorat
Développement d’un nouveau composite cimentaire multi-fonctionnel à performances mécaniques contrôlées
Résumé
Dans un contexte économique et environnemental contraint, pour pallier le non-remplacement des structures et des bâtiments en béton vieillissants, le développement de solutions de renforcement s’impose. Parmi les solutions les plus couramment adoptées, le collage externe de produits composites de type Polymère Renforcé de Fibres (PRF bandes ou feuilles) sur des structures en béton armé (BA) permet d’augmenter les capacités portantes et de déformation. L’inconvénient majeur de ces systèmes est la faible valeur de température de transition vitreuse du polymère. Si on considère les matériaux disponibles sur le marché, une élévation de la température au-delà de 100°C conduit à une perte totale des propriétés mécaniques. Ce facteur est aujourd’hui un frein au développement des solutions composites de renforcement de bâtiments et d’infrastructures. De plus le vieillissement thermo-hydrique auquel est sensible le polymère époxy génère une perte de performance des matériaux de renforcement PRFC utilisé aujourd’hui dans le domaine du renforcement et de la réparation des structures en béton. Aujourd’hui des produits de substitution se développent à base de matrice cimentaire (PAREX LANKO, MAPEI, BASF, WEBER) mais ont pour le moment des performances limitées.
La solution alternative que nous souhaitons développer est basée sur l’amélioration du comportement thermo-mécanique des renforts composites à matrice cimentaire, en leur conférant une performance mécanique maîtrisée d’une part et par l’ajout de poudres réactives d’autre part, il est aussi envisagé de générer au sein du revêtement composite de renforcement des propriétés complémentaires (protection au feu, dépolluant par captation du CO2, étanchéité, protection, esthétisme). L’idée de base de ce projet est l’exploitation de la technologie innovante d’imprégnation voie sèche D-Preg de FIBROLINE, pour préparer des semi-produits composites (TRC) avec des tissus à architecture 3D de SAERTEX. La technologie D-Preg a fait ses preuves dans divers domaines d’applications des composites comme l’automobile et le domaine du papier technique pour la filtration et plus récemment dans le domaine des composites cimentaires avec les travaux de thèse d’Omayma HOMORO. Elle utilise un champ électrique alternatif pour faire migrer totalement à sec des poudres liantes et/ou fonctionnelles dans des supports poreux comme des textiles. Elle permet ainsi une meilleure distribution de la poudre cimentaire dans le tissu à travers les filaments et les fibres de manière automatique et régulière. Le tissu ainsi pré-imprégné peut être manipulé facilement sur les chantiers lors de sa mise en place, puis son humidification pour sa prise, tout en garantissant les caractéristiques physiques recherchées.
Le TRC (Textile Reinforced Concrete) est un micro-béton renforcé de nappes de textiles constitués de fils multi-filamentaires. L’objectif de ce projet, est de généraliser et faciliter l’utilisation et la mise en œuvre du TRC in situ dans le cadre de la rénovation et la réhabilitation des structures. Il combinera un textile technique avec une architecture innovante de SAERTEX au nouveau procédé d’imprégnation à sec de FIBROLINE, avec une matrice élaborée au LMC2 à partir de poudres réactives. Ce composite cimentaire aura un rôle multifonctionnel de renfort structural, protecteur et dépolluant. Sa mise en œuvre repose sur la levée de plusieurs verrous scientifiques :
- le choix d’architectures optimales des tissus et la formulation de la composition de la matrice cimentaire, en adéquation avec les fonctionnalités recherchées. Cette étape repose sur le choix d’une formulation adaptée aux propriétés retenues mais aussi au procédé d’imprégnation permettant une bonne homogénéité du mélange. Pour cela, la mise au point d’un processus de mélange des poudres cimentaires et charges additives, la sélection des renforts à base de fibres de verre utilisés, l’étude des traitements de surface et voluminisation susceptibles d’améliorer le comportement de l’interface fibre/matrice seront nécessaires
- la caractérisation microstructurale au jeune âge et en vieillissement des interfaces et du composite. Les matériaux cimentaires utilisés ont la particularité de se structurer très rapidement. Il est donc important de les caractériser dès leur mise en œuvre d’un point de vue mécanique par micro-essai pull-out (LMC2) et d’un point de vue physico-chimique et microstructural par observation en microscopie électronique à balayage ou infrarouge et par tomographie X (MATEIS) pour l’étude des affinités charges/renforts et des interfaces fibres/matrice. La réalisation d’essais spécifiques pour évaluer les propriétés recherchées (dépollution, perméabilité, résistance au feu) sera nécessaire.
- Caractérisation du composite. L’étude de la structuration multicouche du système, en particulier de la répartition spatiale des renforts (renforts 3D), de la caractérisation mécanique des composites cimentaires sera réalisée par essais de traction, compression et flexion.
Une des finalités de ces travaux est de formuler la loi interface et d’aider à sa mise en œuvre dans des modèles numériques permettant de simuler leur comportement in situ. La modélisation numérique sera faite dans le cadre de travaux de recherche menés en parallèle à cette thèse.
Encadrants
- Thouraya BARANGER
- Marie MICHEL
- Elodie PRUD’HOMME
Début et fin de thèse
01/11/2020 – 01/11/2023