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 ...
Chapitre IV : Etude du pontage dune fissure par des rubans de verre métallique
Chapitre IV : Étude du pontage dune 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 lextraction 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 lénergie 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 dun programme de recherche et développement à long terme de la société Saint-Gobain.Il est obtenue par trempe dun jet de métal liquide sur une roue en rotation à grande vitesse et refroidie à leau (Fig.IV.2).
Fig. IV.1 : Photo des rubans de verre métallique
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Chapitre IV : Etude du pontage dune 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 létat 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, létat amorphe permet, avec la présence du chrome, dobtenir 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 linoxydabilité, prend une garantie supplémentaire de pérennité surtout dans les réseaux dassainissement, ambiance marine, sels de déverglaçage, etc. Il est efficace parce quil conforte les ouvrages dégradés comme anti-fissuration et augmente la résistance mécanique. En fait, il est simple, la simplicité dutilisation vient de la souplesse de la fibre pour faciliter la mise en uvre et sa finesse. De plus, Fibraflex permet déconomiser 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 dassainissement est de 12%. [Fibraflex 04].
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Coté ru ueux
Lobservation du ruban de verre métallique au microscope montre deux faces, un rugueuse et lautre 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 dun alliage amorphe comprenant Fe et Cr (80%) et P, C, Si (20%). - sa densité est de lordre de 7.2, - sa résistance à la tractionσfDest comprise entre1400 et 2300 MPa, - son module dYoung est de Ef= 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 dsisuprosntiobclkesenmmenµm dan×10s13mksnpéeg2/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
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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). ¾Léconomie 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). ¾Lhomogénéité 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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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 sassurer avec soin que les rubans sont bien rectilignes après coulage du ciment (Fig. IV.6a). épaisseur
(a)
(b)
Fig. IV.6 : Schéma dune demi-éprouvette utilisée avec les rubans.
Remarquons que les rubans sont orientés afin que la pliure se fait sur lépaisseur du ruban (Fig. IV.6b). Une autre orientation générerait un vrillage du ruban. Nous navons pas étudié ce cas. Lessai est également réalisé à température ambiante à laide du bâti INSTRON 1195 équipé dune cellule de force de 100 kN sur les éprouvettes fabriqués précédemment. La Fig.IV.7 montre une courbe dextraction 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 lextraction, 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 quil y 3 fibres rompues pendant lextraction (saut brutal sur la courbe de lextraction).
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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 dextraction typique (θ= 15°, 10 fibres, H = 15 mm, 3 fibres rompues pendant lextraction) IV.2.1. Résultats expérimentaux àθ= 0 La Fig.IV.8, montre un exemple typique de courbe dextraction si toutes les fibres sont alignées, perpendiculaires à la fissure (θ0°) (cf. Annexe E). Dans tous les cas de profondeur= denchâssement, nous navons pas observé de fibres rompues après lextraction. On observe un net décrochement après le maximum de force. Ceci laisse penser quil y a forte adhésion entre les rubans et le ciment. La contrainte seuil de décohésionσfD 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 dextraction si les fibres sont alignées. (θ= 0°, 10 fibres, H = 15 mm, 0 fibre rompue pendant lextraction)
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Chapitre IV : Etude du pontage dune 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 Fmaxpour 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 F10 0 0 5 10 15 20 Longueur enchâssée (mm) Fig. IV.9 : Force darrachement, pour une fibre, en fonction de la profondeur enchâssée (croix : moyenne des 5 essais). On constate sur la Fig. IV.9 que les forces dextraction moyennes (ramenés à une fibre) salignent avec une ordonnée à lorigine non nulle (FD 15,24 N). Cette dernière = permet destimer la contrainte critique de décohésionσfD(§.III.2.1.2) (Fig.IV.10) : σfD=a.FD)IV.1(hOù : a et h sont la largueur et lépaisseur du ruban, respectivement. Dans notre cas, nous obtenons :σfD= 15,22/ (0,029×1,6) = 328 MPa Compte- tenu de la large dispersion sur Fmax,, il est difficile de donner une incertitude exacte. On considère quelle est de lordre de±20 %. 145
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σfF σfmaxFmaxA FD A B B F/ah
σfDFD u HixuiHU 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 dextraction 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 FD. Si FDseuil, la décohésion se propage sur unedépasse ce distance donnée (ui). La force maximale est atteinte lorsque le transfert de charge opère sur toute la longueur du ruban, la force FDnécessaire pour le décollement est alors brusquement relaxée (le profil de transfert de charge passe de A à B), doù le crochet sur la courbe F- U. Lors de lextraction proprement dite, la force diminue linéairement, proportionnellement à la longueur de ruban encore enchâssée. La pente de la droite de la loi dextraction permet destimer le cisaillement interfacial associé au frottement dextraction et qui est supposé ici constant : Fmax(1 fibre)=FD+2 (a+h) Hτ* (IV.2) Doù : τ*=dFmax)/dHibre(1f(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 lincertitude à environ±10 %. La ueu née comme suit : L=σRfh long r critique est alors doncτ*
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IV.2.2. Résultats expérimentaux oùθest différent de zéro Dans cette partie, nous nous proposons de présenter et analyser les résultats des essais dextraction dans le cas des rubans orientés (entre 0 et 75°) dans les deux blocs de ciment. (Voir Fig. IV.11). Épaisseur du ruban aθb 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 dextraction typique (θ= 15°, 10 rubans, H = 15 mm, 4 fibres rompues après lextraction) La Fig. IV.12 montre un exemple de courbe dextraction obtenue pour un angle de désorientation deθ 15°. Nous avons observé sur cette courbe trois décrochements. Le = décrochement en début dextraction peut être associé soit à la relaxation de FD, soit à la rupture dune 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. Lextraction est
0,4 0,2
1 fibre rompue 2 fibres rompues 1 fibre rompue?
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0,0 0 5 10 15 20 Déplacement(mm) Fig. IV.13 :Courbe dextraction typique (θ= 30°, 10 rubans, H = 15 mm, 3 fibres rompues après lextraction)
achevée pour un déplacement de 15 mm qui correspond à H. Enfin, lobservation des faciès les deux blocs après lextraction complète ne montre aucune rupture du ciment aux coins des encastrements.Le courbe dextraction typique pour un angle dinclinaisonθ 30° montre deux = décrochements (Fig. IV.13). Le décrochement 1 correspond à la relaxation de FD et à la rupture de deux fibres. Là aussi lextraction sest terminée pour un déplacement de 15 mm. Nous navons 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 dextraction typique (θ= 45°, 10 rubans, H = 15 mm, 6 fibres rompues après lextraction)
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F<H
= H-(y/cosθ) a1 FF
Les fibres se rompent aussi en début dextraction dans le cas dangle désorientationθ= 45° (Fig. IV.14). On constate que la force darrachement 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 Rupturea1 du ciment Fig. IV.15 : Schématisation de la rupture dun élément de ciment au coin de sortie de la fibre de la matrice, à l'encastrement. Lobservation de la surface des éprouvettes après lessai montre quil a une rupture dun 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 laccroissement 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 lordre 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 dune demi-éprouvette après lessai (à gauche) :θ= 75°; (à droite) :θ= 45° Comme nous lavons décrit sur la Figure IV.15, cest la rupture des coins de ciment qui génère ladoucissement observé expérimentalement. En effet, si le coin de ciment est rompu, nous avons une longueur enchâssée plus courte, la contrainte dextraction est donc réduite. Et surtout, comme on peut le voir sur la Figure IV.17 ci- dessous, lextraction se fait