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

Mahmoud Tawfik

Description

Chapitre IV : Etude du pontage d’une fissure par des rubans de verre métallique Chapitre IV : Étude du pontage d’une fissure par des rubans de verre métallique Dans ce chapitre, nous allons décrire les caractéristiques du ruban de verre métallique. Ensuite, nous adapterons le modèle analytique de comportement à l’extraction que nous avons mis au point pour les baguettes du bois. De plus, nous allons valider ce modèle en comparaison avec les résultats expérimentaux. Enfin, Nous allons estimer l’énergie de rupture et la courbe R sur un composite réel. IV.1. Le renfort en verre métallique FIBRAFLEX est un ruban métallique amorphe (Fe, Cr) , (P, C, Si) (Fig.IV.1), 80 20 résultat d’un programme de recherche et développement à long terme de la société Saint-Gobain. Il est obtenue par trempe d’un jet de métal liquide sur une roue en rotation à grande vitesse et refroidie à l’eau (Fig.IV.2). Fig. IV.1 : Photo des rubans de verre métallique 139Chapitre IV : Etude du pontage d’une fissure par des rubans de verre métallique Fig. IV.2 : Schéma présentant la procédure de fabrication de FIBRAFLEX Ce refroidissement violent fige le métal liquide dans l’état amorphe (non cristallin), ce qui confère à la fibre, en plus de sa souplesse élastique (on peut aisément la plier entre deux doigts (Fig. IV.3)), une très grande résistance mécanique. De plus, l’état amorphe permet, avec la présence ...

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Chapitre IV : Etude du pontage dune fissure par des rubans de verre métallique

    Chapitre IV :     Étude du pontage dune fissure par des rubans de verre métallique                 D ans ce chapitre, nous allons décrire les caractéristiques du ruban de verre métallique. Ensuite, nous adapterons le modèle analytique de comportement à lextraction que nous avons mis au point pour les baguettes du bois. De plus, nous allons valider ce modèle en comparaison avec les résultats expérimentaux. Enfin, Nous allons estimer lénergie de rupture et la courbe R sur un composite réel.   IV.1. Le renfort en verre métallique   FIBRAFLEX est un ruban métallique amorphe (Fe, Cr) 80 , (P, C, Si) 20 (Fig.IV.1), résultat dun programme de recherche et développement à long terme de la société Saint- Gobain.Il est obtenue par trempe dun jet de métal liquide sur une roue en rotation à grande vitesse et refroidie à leau (Fig.IV.2).                  

 

Fig. IV.1 : Photo des rubans de verre métallique 

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Chapitre IV : Etude du pontage dune fissure par des rubans de verre métallique

                            Fig. IV.2 : Schéma présentant la procédure de fabrication de FIBRAFLEX   Ce refroidissement violent fige le métal liquide dans létat amorphe (non cristallin), ce qui confère à la fibre, en plus de sa souplesse élastique ( on peut aisément la plier entre deux doigts (Fig. IV.3) ) , une très grande résistance mécanique. De plus, létat amorphe permet, avec la présence du chrome, dobtenir une excellente résistance à la corrosion.             Fig. IV.3 : La souplesse de FIBRAFLEX   Les rubans de verre métallique constituent donc pour les matériaux cimentaires un renfort potentiel efficace, durable, simple et économique. FIBRAFLEX est un renfort durable qui, grâce de linoxydabilité, prend une garantie supplémentaire de pérennité surtout dans les réseaux dassainissement, ambiance marine, sels de déverglaçage, etc. Il est efficace parce quil conforte les ouvrages dégradés comme anti- fissuration et augmente la résistance mécanique. En fait, il est simple, la simplicité dutilisation vient de la souplesse de la fibre pour faciliter la mise en uvre et sa finesse. De plus, Fibraflex permet déconomiser 10% sur le poste de projection et 5% sur le coût total des travaux. Par exemple, par voie mouillée, la réduction de la durée du chantier pour réhabilitation de collecteur dassainissement est de 12%. [Fibraflex 04].  

 

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Coté ru ueux

Lobservation du ruban de verre métallique au microscope montre deux faces, un rugueuse et lautre lisse (Fig. IV.4).   Coté lisse               Fig. IV.4 : Photographie de FIBRAFLEX au microscope [Fibraflex 04]   IV.1.1. Caractéristiques du ruban FIBRAFLEX    La fibre FIBRAFLEX est constituée dun alliage amorphe comprenant Fe et Cr (80%) et P, C, Si (20%). - sa densité est de lordre de 7.2, - sa résistance à la tractionσ fD est comprise entre1400 et 2300 MPa, - son module dYoung est de E f = 200 GPa.  Le Tableau IV.1 ci- dessous donne les dimensions des fibres FIBRAFLEX commercialisées :   Références Longueur Largueur Epaisseur Nombre de fibres Surface n mm  e  cifique d s is u p r  o s n t i o b c l k e   s en mm e n µ m dan ×10 s1  3     m k   s n p é e g 2 /kg FF5E0 5 1 24 1100 11.6   FF10E0 10 1 24 580 11.6 FF15E0 15 1 24 385 11.6 FF20E0 20 1 24 275 11.6

 

FF20L6 20 1.6 29 150 9.6 FF30L6 30 1.6 29 100 9.6 Tab. IV.1 : Dimensions des rubans FIBRAFLEX commercialisés. [Fibraflex 04]

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Chapitre IV : Etude du pontage dune fissure par des rubans de verre métallique

Nous avons choisi la fibre la plus longue (FF30L6) dont les dimensions sont donc : Longueur, L = 30 mm ; largueur, a = 1,6 mm et épaisseur h = 0,029 mm.   IV.1.2. Avantages de ce renfort   Il présente les avantages suivants (donnés par le fournisseur):   ¾Il présente une meilleure résistance à la corrosion. ¾les milieux salins (chlorures, sulfates) et acides.Excellente résistance dans ¾corrosion dans HCl (0,1N) et FeClEssais de 3 (0,4N) : pas de réaction après 24 heures. ¾Excellente résistance mécanique de la fibre (flexion, chocs, fatigue). ¾La flexibilité du fait de sa finesse qui permet d'incorporer facilement FIBRAFLEX dans le béton que l'on peut ensuite couler, pomper ou projeter sans problème,même à fort dosage (avec une composition adaptée). ¾Léconomie relative (8Є/ Kg). ¾La mise en uvre aisée. ¾La répartition de la fissuration quand une fissure apparaît. Immédiatement, la fibre est mise en tension et restreint l'ouverture de la fissure. Lorsque l'effort est trop important, la fibre casse (Fig. IV.5). ¾Lhomogénéité du renforcement.

                       

 

Fig. IV.5 : Coupe d'un composite ciment-rubans de verre métallique où l'on voit le pontage de la fissure.    

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Chapitre IV : Etude du pontage dune fissure par des rubans de verre métallique

Rubans verre métalliques 

θ

IV.2. Procédure expérimentale et résultats   Nous avons utilisé la même procédures de fabrication des éprouvettes que celle décrire au chapitre III (§pontage est réalisé avec 10 fibres à la place de 20 dans le casIII. 1). Ici, le des baguettes de bois. Contrairement au bois où les baguettes étaient relativement rigides, la flexibilité des rubans nécessite de sassurer avec soin que les rubans sont bien rectilignes après coulage du ciment (Fig. IV.6a).   épaisseur                                  

(a)

(b)

Fig. IV.6 : Schéma dune demi-éprouvette utilisée avec les rubans.

Remarquons que les rubans sont orientés afin que la pliure se fait sur lépaisseur du ruban (Fig. IV.6b). Une autre orientation générerait un vrillage du ruban. Nous navons pas étudié ce cas.   Lessai est également réalisé à température ambiante à laide du bâti INSTRON 1195 équipé dune cellule de force de 100 kN sur les éprouvettes fabriqués précédemment.   La Fig.IV.7 montre une courbe dextraction typique obtenue pour un angle de désorientation deθ= 15°. On constate que la force maximale est nettement plus grande que dans le cas du bois. Lors de la décroissance de la force pendant lextraction, on note des décrochements qui peuvent être attribués à la rupture de fibres. Donc, la force maximale de pontage dans ce cas est de 0,481 kN pour 10 fibres, sachant quil y 3 fibres rompues pendant lextraction (saut brutal sur la courbe de lextraction).  

 

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Chapitre IV : Etude du pontage dune fissure par des rubans de verre métallique

0,6 Fmax = 0,481kN 0,4 0,2

2 fibres rompues 1 fibre rompue

                          0,0   0 5 10 15 20   Déplacement(mm)   Fig. IV.7 : Courbe dextraction typique (θ= 15°, 10 fibres, H = 15 mm, 3 fibres rompues pendant lextraction) IV.2.1. Résultats expérimentaux àθ= 0   La Fig.IV.8, montre un exemple typique de courbe dextraction si toutes les fibres sont alignées, perpendiculaires à la fissure (θ0°) (cf. Annexe E). Dans tous les cas de profondeur= denchâssement, nous navons pas observé de fibres rompues après lextraction. On observe un net décrochement après le maximum de force. Ceci laisse penser quil y a forte adhésion entre les rubans et le ciment. La contrainte seuil de décohésionσ fD  est relaxée brusquement lorsque le front de décohésion a fini de se propager le long de la longueur enchâssée. Ce phénomène apparaît au maximum de la force. 0,6   Fmax=0,485KN                      

 

0,4

0,2

0 0 5 10 15 20 Déplacement (mm) Fig. IV.8 : Courbe dextraction si les fibres sont alignées. (θ= 0°, 10 fibres, H = 15 mm, 0 fibre rompue pendant lextraction)

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Chapitre IV : Etude du pontage dune fissure par des rubans de verre métallique On ramène les résultats à une fibre dans le pontage en divisant la force de pontage mesurée par le nombre de fibres présentes (ici du nombre de 10) (cf. Tab. IV.2 et Fig. IV.9).     Fmax en N H (mm) A B C D E F moyenne 5 20,0 25,0 35,7 22,0 31,0 22,0 26,0 10 32,0 31,0 40,0 42,0 38,0 39,0 37,0 15 46,2 45,0 45,6 48,5 47,6 52,5 47,6   Tab. IV.2 : Valeurs de F max pour une fibre en fonction de la profondeur enchâssée pour chaque éprouvette (de A à E), ainsi que les valeurs moyennes   Evaluation de la contrainte d'interface lors de l'essai d'extraction     L= 5mm L=10mm L=15mm   60   y = 2,1617x + 15,222     50     40       30   20   F   10     0 0 5 10 15 20   Longueur enchâssée (mm)   Fig. IV.9 : Force darrachement, pour une fibre, en fonction de la profondeur enchâssée (croix : moyenne des 5 essais).   On constate sur la Fig. IV.9 que les forces dextraction moyennes (ramenés à une fibre) salignent avec une ordonnée à lorigine non nulle (F D  15,24 N). Cette dernière = permet destimer la contrainte critique de décohésionσ fD (§.III.2.1.2) (Fig.IV.10) :     σ f D = a. F D                                                         )   IV.1( h                Où : a et h sont la largueur et lépaisseur du ruban, respectivement. Dans notre cas, nous obtenons :σ fD = 15,22/ (0,029×1,6) = 328 MPa Compte- tenu de la large dispersion sur F max, , il est difficile de donner une incertitude exacte. On considère quelle est de lordre de±20 %.  145

Chapitre IV : Etude du pontage dune fissure par des rubans de verre métallique

σ f F σ fmax F max A FD A B B F/ah

σfD FD u H i x u i HU Fig. IV.10 :   Profils des contraintes dans la fibre sous charge (à gauche) et courbe force-déplacement (à droite).  

                    La Fig. IV.10 montre la loi dextraction théorique (à droite) et les profils de contrainte dans le ruban associés (à gauche). Le déplacement U est nul tant que la force appliquée est inférieure au seuil de décohésion F D . Si F D seuil, la décohésion se propage sur unedépasse ce distance donnée (u i ). La force maximale est atteinte lorsque le transfert de charge opère sur toute la longueur du ruban, la force F D nécessaire pour le décollement est alors brusquement relaxée (le profil de transfert de charge passe de A à B), doù le crochet sur la courbe F- U. Lors de lextraction proprement dite, la force diminue linéairement, proportionnellement à la longueur de ruban encore enchâssée.   La pente de la droite de la loi dextraction permet destimer le cisaillement interfacial associé au frottement dextraction et qui est supposé ici constant :   F max (1 fibre)=F D +2 (a+h) Hτ *  (IV.2)   Doù :   τ * = dF max )/dHibre(1          f                                                           (IV.3)   2 (a+h)   Donc, à partir de la pente de notre essai, le cisaillement interfacial donne : * τ= 2,16 /2×(0.029+1,6) = 0,67 MPa Nous estimons lincertitude à environ±10 %. La ueu née comme suit :  L= σ R f h long r critique est alors don c τ*  

 

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Chapitre IV : Etude du pontage dune fissure par des rubans de verre métallique

IV.2.2. Résultats expérimentaux oùθest différent de zéro   Dans cette partie, nous nous proposons de présenter et analyser les résultats des essais dextraction dans le cas des rubans orientés (entre 0 et 75°) dans les deux blocs de ciment. (Voir Fig. IV.11).   Épaisseur du ruban   a θ b       Fig. IV.11 : Éprouvette d'extraction oblique. (a) : configuration initiale ; (b) : extraction   En effet, comme on peut le voir sur la Fig. III.11.b, lors de l'extraction de la fibre (qui se fait du coté où la longueur d'enchâssement est la plus petite) celle-ci commence à prendre une courbure près des encastrements. Cette courbure se déplace le long du ruban en cours d'extraction et elle peut conduire, à un moment donné, à sa rupture.   0,6   Fmax = 0,495kN             0,0   0 5 10 15 20   Dé lacement mm   Fig. IV.12 :   Courbe dextraction typique (θ= 15°, 10 rubans, H = 15 mm, 4 fibres rompues après lextraction)   La Fig. IV.12 montre un exemple de courbe dextraction obtenue pour un angle de désorientation deθ 15°. Nous avons observé sur cette courbe trois décrochements. Le = décrochement en début dextraction peut être associé soit à la relaxation de F D , soit à la rupture dune fibre. Mais, par contre, le deuxième est probablement dû à la rupture de deux fibres. En 3, la troisième ou quatrième fibre est probablement rompue. Lextraction est

 

0,4 0,2

1 fibre rompue 2 fibres rompues 1 fibre rompue?

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Chapitre IV : Etude du pontage dune fissure par des rubans de verre métallique

0,6 Fmax=0,51 kN 0,4 2 fibres rompues 1 fibre rompue 0,2

0,0 0 5 10 15 20 Déplacement(mm) Fig. IV.13 :   Courbe dextraction typique (θ= 30°, 10 rubans, H = 15 mm, 3 fibres rompues après lextraction)  

achevée pour un déplacement de 15 mm qui correspond à H. Enfin, lobservation des faciès les deux blocs après lextraction complète ne montre aucune rupture du ciment aux coins des encastrements.                          Le courbe dextraction typique pour un angle dinclinaisonθ 30° montre deux = décrochements (Fig. IV.13). Le décrochement 1 correspond à la relaxation de F D  et à la rupture de deux fibres. Là aussi lextraction sest terminée pour un déplacement de 15 mm. Nous navons pas observé de coins de ciment cassés sur les faciès des blocs au niveau de la sortie des rubans de l'encastrement.   0,6 Fmax = 0,565 kN   2 fibres rompues     0,4 2 fibres rompues   2 fibres rompues     0,2          

 

0 0 5 10 15 20 Déplacement(mm) Fig. IV.14 :   Courbe dextraction typique (θ= 45°, 10 rubans, H = 15 mm, 6 fibres rompues après lextraction)  

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Chapitre IV : Etude du pontage dune fissure par des rubans de verre métallique

F <H

= H-(y/cosθ ) a1 F F

Les fibres se rompent aussi en début dextraction dans le cas dangle désorientationθ  = 45° (Fig. IV.14). On constate que la force darrachement est nulle pour un déplacement de 14 mm. Nous avons effectivement observé que certains coins de ciment sont cassés à environ y = 1 mm (Fig. IV.15). Le décrochement qui apparaît avant le maximum pourrait être dû à la rupture du coin de ciment.     H       Rupture a1   du ciment   Fig. IV.15 : Schématisation de la rupture dun élément de ciment au coin de sortie de la fibre de la matrice, à l'encastrement.   Lobservation de la surface des éprouvettes après lessai montre quil a une rupture dun élément du ciment au niveau de la sortie de la fibre de la matrice pour les angles de désorientation de 45° à 75° (Fig. IV.16), et que y augmente avec laccroissement deθ. Cette rupture se produit en flexion suivant une section perpendiculaire à la fissure artificielle (Fig. IV.15). La taille du coin de ciment rompuyest de lordre de 1 mm pour 45°, elle passe à 1,5- 2 mm pour 60° et à plus de 3 mm à 75° (voir Fig. IV.17 à droiteθ= 75°).                 Fig. IV.16 : Images de la surface dune demi-éprouvette après lessai (à gauche) :θ= 75°; (à droite) :θ= 45°   Comme nous lavons décrit sur la Figure IV.15, cest la rupture des coins de ciment qui génère ladoucissement observé expérimentalement. En effet, si le coin de ciment est rompu, nous avons une longueur enchâssée plus courte, la contrainte dextraction est donc réduite. Et surtout, comme on peut le voir sur la Figure IV.17 ci- dessous, lextraction se fait

 

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