Etude de matériaux minéraux renforcés par des fibres organiques en vue de leur utilisation dans le

Mahmoud Tawfik

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Extrait

Conclusions générales et perspectives

Conclusion générale et perspectives Conclusion générale L’objectif initial de ce travail était d’explorer les potentialités du renforcement de matériaux cimentaires par du bois et de chercher à savoir si le traitement de rétification améliorait ces potentialités. Le bois présente un certain nombre d’intérêts liés à sa provenance naturelle, sa structure fibreuse, sa légèreté, etc. Mais son inconvénient majeur est sa sensibilité à l’humidité, qui génère deux types de problèmes lorsque le bois est introduit dans le ciment :  leséchanges chimiques entre le bois et la pâte cimentaire, à la fois en termes de dégradation de la structure du bois par la solution alcaline, et de l’effet des extractibles issus du bois qui retardent les cinétiques d’hydratation. Ces échanges sont modifiés par la rétification.  Les variations dimensionnelles du bois selon le degré d’humidité qui vont intervenir dans la qualité de l’interaction mécanique entre le renfort et la matrice. La rétification rend le bois plus hydrophobe et réduit donc ces variations dimensionnelles. Notre travail a porté sur les interactions mécaniques entre le bois et le ciment où c’est surtout le second point précité qui intervient. Notre démarche est essentiellement basée sur des essais mécaniques réalisés sur un système modèle où le contact entre deux blocs de ciment simule une fissure et celle ci est pontée par les renforts dont l’orientation, identique au signe près pour tous les renforts, est maîtrisée, ainsi que les profondeurs d’enchâssement. Cette approche a été menée dans le cas du bois (Chapitre III) où nous avons utilisé des baguettes de peuplier de section 2×2 mm et de 48 mm de long, rétifiées ou non. Pour comparaison, nous avons aussi étudié le pontage de la fissure par des rubans de verre métallique de section 1,6×0,029 mm et de 30 mm de long (Chapitre IV). Lors de l’ouverture de la fissure simulée, obtenue par traction sur les deux blocs de ciment, ces renforts subissent à la fois une traction provenant de la résistance au glissement, et une flexion car une certaine courbure est imposée géométriquement entre les encastrements. Il

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est donc nécessaire de déterminer comment réagit le renfort sur l’effet de ces sollicitations. Cela a été fait pour le bois dans le Chapitre II. Pour rendre compte des efforts subis par les renforts dans le pontage et de l’effort des paramètres qui interviennent, nous avons utilisé un modèle analytique d’encastrement oblique dont les résultats ont été confrontés à l’expérience. La caractérisation du bois en flexion, faite au Chapitre II a essentiellement montré que la rétification a tendance à diminuer le niveau moyen de la contrainte ultime et à faire croître la dispersion. Pour le bois naturel et faiblement rétifié, la résistance ultime est plutôt contrôlée par le moment fléchissant, essentiellement via la contrainte critique sur la force en compression. Le bois rétifié aux plus hautes températures a une plus grande sensibilité à la contrainte critique de cisaillement induite par les efforts tranchants. Le bois humide est également plus sensible aux efforts tranchants. Dans ces derniers cas, le bois tend à se fendre longitudinalement et peut donc plus facilement se « plier » sans rompre. L’étude du pontage d’une fissure par le bois, faite au Chapitre III, a surtout montré que le bois peut se « plier » sans rompre. Le renfort se comporte comme une corde qui glisse sur la « poulie fixe » que constitue la sortie de l’encastrement. Le bois se comporte donc comme une fibre ductile (organique ou métallique) et ceci est un point positif. Les paramètres de glissement ont été déterminés pourθ =0°, les renforts étant alors perpendiculaires à la fissure. La contrainte critique de décohésion se situe à environ 3 MPa et elle est réduite de moitié pour les traitements de rétification les plus sévères. La contrainte de cisaillement interfaciale associée au glissement est un peu inférieure à 0,1 MPa, valeur peu modifiée par la rétification. L’interaction mécanique entre le bois et le ciment est donc faible et elle est peu modifiée, voire réduite, si le bois est rétifié. Le modèle de simulation rend bien compte des résultats expérimentaux si on introduit la probabilité de « pliage » sur la base des paramètres de Weibull déterminés au Chapitre II. L’énergie d’extraction des baguettes, mesurée sur nos éprouvettes modèles, permet d’estimer la contribution des fibres à l’énergie de rupture d’un composite réel. Ainsi, un composite contenant une fraction volumique de 3% de baguettes de bois de 48 mm de long, 2 orientées aléatoirement, aurait une énergie d’extraction de l’ordre de 600 J/m . Cette valeur est bien plus importante que l’énergie de rupture du ciment que l’on peut estimer entre 10 et 2 15 J/m . Le bois apporte donc une énergie de rupture supplémentaire, mais au prix d’une ouverture de fissure extrêmement grande (dans cet exemple : 24 mm). En d’autres termes, le bois n’est pas suffisamment adhérent au ciment pour pouvoir empêcher ou retarder la création de la fissure.

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Le bois comme renfort mécanique a donc une potentialité très faible, qui n'est pas améliorée par la rétification. La cause en est principalement la faible interaction mécanique entre le bois et le ciment, qui provient essentiellement des variations dimensionnelles du bois avec les fluctuations d'humidité. La rétification limite cet effet, mais pas suffisamment. Dans le Chapitre IV, nous avons utilisé la même approche expérimentale et théorique, pour des renforts constitués de rubans de verre métallique. Ici, nous avons considéré que le renfort se rompt en traction sous l’effet combiné de la force nécessaire pour le glissement et de la contrainte induite par courbure sur la face tendue du ruban. Pourθ0°, la contrainte critique de décohésion est maintenant de 300 MPa et la = contrainte de cisaillement interfacial associée au glissement est de 0,7 MPa. L’accrochage renfort matrice est donc plus important. Il conduit, pour un taux de renfort de 3 %, à une 2 énergie d’extraction de 160 kJ/m , nettement plus grande que pour les baguettes de bois. Il faut noter que pour une section 50×50 mm de ciment, 3 % de renfort correspond à 20 baguettes de bois et à 2155 rubans de verre métallique, et que l’énergie d’extraction d’une baguette de bois ou d’un ruban de verre métallique est du même ordre de grandeur environ 90 2 J/m .Il faudrait donc utiliser le bois sous forme de rubans pour augmenter la surface de frottement, mais la section réduite accroîtra la probabilité de rupture en traction sous l’effet de la force d’extraction. Dans le cas des rubans de verre métallique, le modèle analytique ne rend pas bien compte de l’expérience, surtout aux grands angles de désorientation. L’expérience montre une augmentation lente du nombre de rubans rompus avec l'accroissement de l’angleθ, alors que la simulation conduit plutôt à un passage très rapide de 0 à 100 % de fibres rompues dès qu’un angle critique est dépassé. Cette différence provient de l’apparition, d’autant plus marquée queθ estgrand, de ruptures des coins de ciment en sortie d’encastrement. Les ruptures réduisent la courbure géométrique nécessaire que subit le renfort lors de son extraction. Il en résulte donc une diminution de la probabilité de rupture du renfort et un « adoucissement »de l’accumulation de ces ruptures à mesure que l’angle de désorientation augmente.  Lesrubans de verre métallique apparaissent comme plus efficaces pour ponter une fissure. Cela explique leur utilisation comme renfort de matériaux cimentaires, principalement pour des applications de réparation de structures où l'on recherche des caractéristiques mécaniques élevées.

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Perspectives En ce qui concerne le renfort bois, plusieurs voies peuvent être envisagées pour la poursuite de cette étude. Tout d’abord, la forme du renfort doit être adaptée à une utilisation industrielle. On peut envisager des rubans (copeaux) ou du bois défibré. Dans ce dernier cas, la longueur de travail des fibres risque d’être trop courte. Bien entendu, il faudra étendre l’étude à des essences d’utilisation plus courante, comme le bois résineux. La difficulté la plus importante est le faible accrochage entre le bois et la matrice. Comme la rétification ne donne pas d’amélioration, il faudrait explorer des possibilités d’accrochage mécanique. Par exemple en utilisant la rugosité des surfaces latérales du renfort. Cela demandera une mise au point des procédés de broyage ou de fibrage. Une autre possibilité serait d’utiliser des renforts en forme de diabolo (cf. ci dessus) par un traitement physicochimique qui dilaterait les extrémités du renfort. Un traitement de ce type n'existe pas actuellement, il reste donc à trouver. Il faudrait aussi travailler sur la liaison physico chimique du bois avec le ciment. Dans cette optique, des traitements de minéralisation pourraient être envisagés. Il faut garder à l’esprit que des traitements du bois, chimiques au autres, augmenteront le coût et également l’impact sur l’environnement. Le présent travail a porté sur du ciment pur. il serait intéressant d'étudier des mortiers afin de voir si les grains de sable ont un effet sur l'accrochage. En ce qui concerne le pontage par des rubans de verre métallique, la modélisation doit encore être plus affinée. D’abord, il est nécessaire d’avoir les paramètres de Weibull de ces rubans pour la flexion avec une précision suffisante. On peut envisager, par exemple un essai de compression sur des rubans pliés en U(voir le schéma plus loin). À la rupture, l’écartement des enclumes donnerait le rayon de courbure critique.

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Ruban

Nous avons aussi vu que la rupture des coins de ciment en sortie d’encastrement joue un rôle très important. Ce mécanisme doit être introduit dans le modèle de simulation. Il conduit à augmenter l’efficacité des renforts orientés obliquement, en retardant leur rupture, ce mécanisme doit donc être, non seulement pris en compte, mais aussi, si possible, optimisé.

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