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

Mahmoud Tawfik

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• Publié par: Jarak
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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 :
- les échanges 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 pour θ = 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,
2orientées 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
215 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.
Pour θ = 0°, 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
2énergie 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
2J/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’angle θ, 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 que θ est grand, 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.
Les rubans 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 en