Etude des mécanismes d'adhésion à l'interface résine ciment en vue de la réparation des ouvrages

Backelandt Alexandra

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• Publié par: Mochag
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Extrait

Conclusions & Perspectives

CONCLUSIONS GENERALES & PERSPECTIVES L'étude a été menée dans le but de garantir la durabilité du collage de matériaux composites pour réparer les ouvrages de génie civil vieillissants, du parc de production nucléaire d'EDF. Le préalable indispensable étant de comprendre les mécanismes physicochimiques qui mènent à l'adhésion entre les matériaux, la démarche adoptée au cours de ce travail a permis de répondre en partie à cette question. Tout d'abord, la mise en place de techniques de caractérisation de surface adaptées a permis de mettre en évidence l'existence d'une zone de transition créée par la pénétration de résine dans le réseau poreux de la pâte de ciment. La présence d'un gradient de concentration de résine au sein de cette zone a également été observé par microanalyse X. Grâce à ces techniques de caractérisation nous avons montré qu'il est possible de mesurer la profondeur de la zone de transition et que certains paramètres, environnementaux ou intrinsèques aux matériaux, jouent un rôle primordial lors de la création de cette interphase. Une étude expérimentale couplée à une étude numérique a permis de mettre en évidence l'influence de ces paramètres sur la profondeur de pénétration de la résine et de comprendre les phénomènes physiques qui mènent à l'obtention de ces résultats. Ainsi, la description des flux de résine à l'interface avec le ciment fait apparaître un coefficient de transfert, la perméabilité, qui est fonction de la microstructure du matériau support (porosité volumique, distribution poreuse, tortuosité du réseau) et de la saturation du milieu. De plus, les flux sont une fonction décroissante de la viscosité de la résine, dont l'évolution au cours de la réaction de polymérisation aura une influence directe sur la profondeur de la zone de transition. Ce travail a permis de développer un outil numérique décrivant le processus de pénétration d'une résine époxyde bicomposant déposée à la surface d'une pâte de ciment. Le modèle proposé ne considère qu'un flux unique de résine qui intègre la présence d'eau au travers des expressions de la pression capillaire et de la perméabilité du réseau poreux. Les résultats numériques ont permis de confirmer les tendances observées expérimentalement. Une première remarque concerne, cependant, l'extrême sensibilité du modèle aux "paramètres matériaux". Les modèles utilisés pour prédire la courbe capillaire et la perméabilité de la pâte de ciment nécessitent de connaître très précisément la microstructure du matériau. Or, la technique d'investigation du réseau poreux décrite dans ce travail ne permet pas d'accéder à l'ensemble du domaine poreux et n'est peutêtre pas la plus pertinente. Néanmoins, elle permet dans certains cas de caler la courbe capillaire indispensable à la modélisation. Par ailleurs, la détermination de la cinétique de polymérisation de la résine doit être la plus réaliste et la plus précise possible, particulièrement dans les premiers instants de la réaction. Les résultats ont, en effet, montré que lorsque la viscosité de la résine atteint 100 Pa.s, elle ne pénètre pratiquement plus dans le réseau de pores. Le point de gel se situe nettement après cette valeur de viscosité et ne semble donc pas être pertinent pour l'industriel. L'indication, par le fournisseur, du temps nécessaire pour atteindre une viscosité de

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100 Pa.s serait certainement plus appropriée pour cette application. D'autre part, les résultats obtenus montrent que dans certains cas les interactions qui s'établissent à l'interface résine / ciment semblent ralentir la cinétique de polymérisation de la résine, mais cellesci n'ont pas été prises en compte dans la résolution du problème numérique. Ainsi, la modélisation est un outil d'aide à la compréhension des phénomènes observés expérimentalement. Elle permet également de prédire la profondeur de la zone de transition qui pourra être créée en fonction des matériaux à assembler. De plus, l'étude de sensibilité des paramètres a permis de mettre en évidence ceux qu'il est impératif de contrôler pour obtenir des résultats fiables. La caractérisation mécanique des assemblages a, par ailleurs, montré que le principal mécanisme qui mène à l'adhésion entre les deux matériaux est l'ancrage mécanique par pénétration de la résine dans le substrat. Il est cependant nécessaire d'atteindre une profondeur seuil pour que l'interface créée soit plus forte que la cohésion de la pâte de ciment. C'est uniquement dans ces conditions que la rupture de l'assemblage se produit au niveau du substrat. Nous avons également constaté que des interactions physiques s'établissent entre la résine et le ciment. Cellesci contribuent à accroître la résistance de l'interface mais ne suffisent pas à elles seules à expliquer l'adhésion. En effet, si le nombre de liaisons interfaciales créé est important mais que la zone de transition n'est pas suffisante, la rupture est adhésive et les propriétés du substrat ne sont pas atteintes. Néanmoins, la carbonatation qui se développe à la surface des matériaux cimentaires et dans les porosités proches de la surface semble avoir tendance à diminuer l'intensité des interactions avec la résine, réduisant ainsi les propriétés d'interface. L'association de ces deux mécanismes permet d'expliquer correctement les ruptures qui ont été observées lors des sollicitations d'arrachement des assemblages. Les développements réalisés dans ce travail ont parfois montré les limites de l'approche continue pour décrire les matériaux cimentaires. Il est par exemple difficile de rendre compte à l'échelle macroscopique de la complexité géométrique du réseau poreux et des interactions qui peuvent exister entre l'ensemble des fluides susceptibles d'y être présents. Rappelons que les dimensions moyennes d'un grain de ciment sont de quelques dizaines de microns. Or, le volume élémentaire représentatif du milieu associé à la modélisation continue n'est pas caractéristique des hétérogénéités de structure à l'échelle microscopique du matériau. De plus, le manque de données expérimentales ne nous a pas permis de valider les modèles utilisés pour décrire la perméabilité de nos matériaux. D'autres paramètres, tels que la tension superficielle des résines et l'angle de contact qu'elles font avec le ciment n'ont pu être déterminés avec précision, par manque de techniques fiables. La mesure de leur évolution au cours du temps constitue également une lacune qu'il serait nécessaire de combler afin d'apporter des données supplémentaires à la modélisation. L'étude de sensibilité de l'essai d'arrachement normalisé a, quant à elle, permis d'expliquer la très grande dispersion des résultats généralement obtenue sur ce type d'analyse mécanique. La présence d'hétérogénéités dans les pâtes de ciment conjuguée à l'entaille réalisée pour délimiter le plot d'arrachement, entraînent une inévitable disparité du mode de ruine de l'assemblage. Les perspectives à apporter à ce travail peuvent s'articuler autour de deux axes : Tout d'abord elles concernent la modélisation de la pénétration de résine dans la pâte de ciment qui, après confrontation avec les résultats expérimentaux, semble relativement robuste. Il reste cependant à confirmer l'hypothèse formulée au cours de ce travail concernant l'existence d'une barrière créée par la présence d'eau dans le substrat, limitant la profondeur de l'ancrage mécanique. L'évaluation du gradient d'eau provoqué par la mise en équilibre du substrat avec une humidité relative représentative d'un essai expérimental doit permettre de déterminer l'état hydrique initial du matériau support. La confrontation des résultats numériques après simulation du transport de la résine, avec les valeurs expérimentales doit ensuite permettre de vérifier l'hypothèse avancée. Cette étape est primordiale à la justification des simplifications réalisées pour résoudre le problème.

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Néanmoins, la prise en compte des flux convectifs et diffusifs de l'eau à l'état liquide et gazeux pourrait permettre d'améliorer la précision des résultats numériques. Le système complet ayant été posé il doit être possible de fixer les conditions appropriées à la résolution du problème dans son ensemble. Le deuxième travail a entreprendre concerne l'adaptation du modèle développé aux applications industrielles. En effet, les ouvrages de génie civil sont réalisés avec du béton et bien souvent les résines industrielles possèdent des charges et parfois même des solvants ou des diluants. La présence de granulats dans le béton entraîne des modifications de structure et l'ajout de constituants dans la résine peut engendrer des variations de son comportement rhéologique. Pour valider l'étude dans le cadre de l’optimisation de la réparation des ouvrages en béton par matériaux composites, il s'avère nécessaire d'étendre le travail réalisé aux applications réellement rencontrées sur site. Pour cela différentes pistes de recherche pourront être explorées : ¾La modélisation du transport de résine proposé au cours de ce travail ne considère celleci qu'au travers de sa viscosité et de ses propriétés de surface. Cependant, les pores accessibles à la résine dépendent de la taille des molécules la constituant. Or, il n'est pas rare que les charges ou renforts présents dans une résine industrielle fassent en moyenne quelques dizaines de microns. Les pores capillaires ayant des dimensions comprises entre 3 nm et 300 µm, le volume poreux accessible à la résine devrait donc être nettement réduit. Par ailleurs, si la résine possède un solvant il ne sera peut être plus possible de négliger les flux diffusifs. ¾En ce qui concerne le substrat, le modèle de prédiction de la pénétration de résine doit pouvoir s'adapter au cas du béton puisque les granulats sont eux aussi poreux. Une loi d'homogénéisation devrait facilement permettre de calculer la zone de transition au sein du béton. Cependant, le comportement mécanique d'un béton est différent de celui d'une pâte de ciment. Ainsi, les mécanismes définis dans ce travail traduisant le mode de ruine des assemblages ne seront peutêtre plus applicables au cas d'un substrat en béton revêtu par une résine. Ce n'est qu'au terme de ce processus qu'il sera possible d'aboutir à une meilleure connaissance du comportement des matériaux et de leur interface, pour ainsi concevoir un outil capable d'assister correctement l'ingénieur.

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