Approche expérimentale du vieillissement des matériaux composites à matrice polymère utilisés dans la réparation et/ou le renforcement des ouvrages d'art PDF Download
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L'objectif de cette thèse est d'initier une réflexion sur le vieillissement des matériaux composites utilisés en renforcement des structures du Génie Civil. En effet la méconnaissance de la durabilité des matériaux composites est un frein à leur utilisation. Au cours de ce travail de thèse, nous avons dans un premier temps étudié l’influence des conditions de mise en œuvre sur les propriétés initiales du composite. Dans cette première partie, les composites carbone-Epoxy et carbone-vinylester ont été élaborés par moulage au contact tout en variant le couple Température-Humidité de mise en œuvre et du support béton ainsi que la formulation des systèmes réactifs. Dans la deuxième partie, nous avons sélectionné des cycles de vieillissement reflétant les conditions réelles dans lesquelles travaille le matériau composite en réparation et/ou renforcement des structures. Les composites ont subi un vieillissement accéléré (contrainte thermique, hygrométrique, chimique, thermochimique, hygrothermique, des cycles de gel-dégel,...) pendant 18 mois. En parallèle, nous avons lancé des essais de vieillissement naturel. Un élément prépondérant du vieillissement est le support contact en l’occurrence le substrat béton qui présente un pH basique, ce qui nous a mené à étudier le vieillissement du couple béton-composite. Plusieurs essais de caractérisation de type mécanique ou thermo-rhéologique ont été mis en œuvre afin de suivre l’évolution des propriétés des composites vieillis. La finalité de ce travail de thèse consiste à tester des méthodes de vieillissement représentatives des conditions réelles en génie civil et à développer des essais de caractérisation précis afin de pouvoir déterminer des indicateurs de durabilité fiables. Les résultats enregistrés sur une base de temps de vieillissement programmée entre 0 et 18 mois démontrent que selon le milieu de vieillissement, la nature de la matrice (époxy ou vinylester) et les conditions de mise en œuvre, les propriétés des composite et évoluent différemment au cours du temps
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L'objectif de cette thèse est d'initier une réflexion sur le vieillissement des matériaux composites utilisés en renforcement des structures du Génie Civil. En effet la méconnaissance de la durabilité des matériaux composites est un frein à leur utilisation. Au cours de ce travail de thèse, nous avons dans un premier temps étudié l’influence des conditions de mise en œuvre sur les propriétés initiales du composite. Dans cette première partie, les composites carbone-Epoxy et carbone-vinylester ont été élaborés par moulage au contact tout en variant le couple Température-Humidité de mise en œuvre et du support béton ainsi que la formulation des systèmes réactifs. Dans la deuxième partie, nous avons sélectionné des cycles de vieillissement reflétant les conditions réelles dans lesquelles travaille le matériau composite en réparation et/ou renforcement des structures. Les composites ont subi un vieillissement accéléré (contrainte thermique, hygrométrique, chimique, thermochimique, hygrothermique, des cycles de gel-dégel,...) pendant 18 mois. En parallèle, nous avons lancé des essais de vieillissement naturel. Un élément prépondérant du vieillissement est le support contact en l’occurrence le substrat béton qui présente un pH basique, ce qui nous a mené à étudier le vieillissement du couple béton-composite. Plusieurs essais de caractérisation de type mécanique ou thermo-rhéologique ont été mis en œuvre afin de suivre l’évolution des propriétés des composites vieillis. La finalité de ce travail de thèse consiste à tester des méthodes de vieillissement représentatives des conditions réelles en génie civil et à développer des essais de caractérisation précis afin de pouvoir déterminer des indicateurs de durabilité fiables. Les résultats enregistrés sur une base de temps de vieillissement programmée entre 0 et 18 mois démontrent que selon le milieu de vieillissement, la nature de la matrice (époxy ou vinylester) et les conditions de mise en œuvre, les propriétés des composite et évoluent différemment au cours du temps
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L'objectif de cette ouvrage est d'initier une reflexion sur le vieillissement des materiaux composites utilises en renforcement des structures du Genie Civil. En effet la meconnaissance de la durabilite des materiaux composites est un frein a leur utilisation. Dans le present ouvrage, nous avons dans un premier temps etudie l'influence des conditions de mise en oeuvre sur les proprietes initiales du composite. Dans la deuxieme partie, nous avons selectionne des cycles de vieillissement refletant les conditions reelles dans lesquelles travaille le materiau composite en reparation et/ou renforcement des structures. En parallele, nous avons lance des essais de vieillissement naturel.La finalite de ce travail de these consiste a tester des methodes de vieillissement representatives des conditions reelles en genie civil et a developper des essais de caracterisation precis afin de pouvoir determiner des indicateurs de durabilite fiables. Les resultats enregistres demontrent que selon le milieu de vieillissement, la nature de la matrice et les conditions de mise en oeuvre, les proprietes des composites et evoluent differemment au cours du temps.
Author: Marco Gigliotti Publisher: ISTE Group ISBN: 1784052833 Category : Composite materials Languages : fr Pages : 123
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L’utilisation des composites à matrice organique pour des applications structurales à haute température est de plus en plus souvent envisagée, notamment dans certaines zones de turbomachines aéronautiques. A cette fin, il devient nécessaire d’analyser les effets du vieillissement thermo-oxydant sur le comportement mécanique d’un polymère et des composites associés. Cet ouvrage met en relief des méthodologies expérimentales originales qui permettent, par analyse inverse, de développer et d’identifier une loi de comportement du polymère dépendant du vieillissement ainsi que les déformations d’origine chimique. Ces informations sont utilisées pour le calcul des contraintes internes induites par un vieillissement thermo-oxydant dans des composites unidirectionnels à fibres continues de carbone. Comportement mécanique des composites à matrice organique se différencie des autres ouvrages par son approche. Il examine des lois de comportement thermomécaniques locales dépendant de l’oxydation grâce à l’emploi d’essais couplés et non couplés à l’échelle microscopique. Il présente des modèles originaux afin d'intégrer toute la richesse de la phénoménologie observée expérimentalement, grâce à l'emploi de variables internes correctement choisies.
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Notre thèse s'insère dans le cadre du projet ANR Micro « Matériaux Innovants Composites pour la Réparation d'Ouvrages : Approche fiabiliste du dimensionnement pour leur requalification et la prédiction de leur durabilité » L'objectif principal de la thèse est d'appréhender le problème de la durabilité par une approche expérimentale phénoménologique multi-échelle et de proposer des modèles de durée de vie au sens probabiliste. Le matériel d'étude est un carbone/époxy bidirectionnel non équilibré en masse (70% /30%) réticulé à l'ambiante et mis en œuvre par moulage au contact. Six vieillissements hygrothermiques obtenus par croisement entre les températures (20°C, 40°C et 60°C) et les humidités (50%, 75% et immersion) à diverses échéances ont été réalisés au cours de l'étude. Après identification des divers indicateurs, nous avons réalisé des analyses physico-chimiques (absorption-désorption, DSC, TMA, Infrarouge, DMA et Tomographie) ainsi qu'un suivi des caractéristiques mécaniques (traction, cisaillement interlaminaire, pull-out et double cisaillement) afin de définir les différents mécanismes de dégradation des propriétés mécaniques et physicochimiques des matrices polymères, des interfaces fibres-matrice, des joints de colle à l'interface composite-structure renforcée au cours du vieillissement pour le système classique Carbone/Epoxy. Ces indicateurs ont été analysés statistiquement afin de valider plus rigoureusement les tendances qui ont été observées. Le suivi des indicateurs mécaniques de performance par le vieillissement accéléré a été réalisé puis comparé à 1 an de vieillissement naturel. L'antagonisme des différents mécanismes de dégradations a été mis en évidence dans le cas de traction simple et du cisaillement interlaminaire. Il ressort que la plastification est le mécanisme qui affecte le plus les performances des composites carbone/époxy. Pour les températures élevées, il semble que la post-réticulation en densifiant le réseau a amélioré les cohésions interfaciales, ce qui a inhibé l'impact de la dégradation thermique sur les performances mécaniques. En comparant avec le vieillissement naturel, on a pu remarquer que le vieillissement en milieu aqueux était plus dégradant de façon générale et accélérait convenablement la dégradation en milieu naturel. En particulier, les tendances observées ne suivent pas des évolutions qui permettent d'apprécier trivialement la chute de performance par des modèles de prédiction. La qualité de l'adhérence composite/béton a été évaluée par des tests d'arrachement. Les fortes disparités entre les résultats rendent les interprétations délicates. Mais il a été mis en évidence que la post-réticulation semblent améliorer la cohésion tandis que la plastification est très néfaste pour la stabilité du joint de colle accélérant de façon excessive la dégradation en comparaison avec le vieillissement naturel. Cette instabilité a également été prouvée par les tests de double cisaillement où le délaminage était observé dès les premières échéances de vieillissement. La dernière partie du travail a consisté à proposer un traitement statistique des données pour valider tout d'abord les tendances observées expérimentalement, apporter plus d'informations et discuter sur le choix des modèles de prédiction. Bien que très apprécié par la communauté, l'utilisation des modèles physiques n'est pas systématique car elle suppose des performances dégénératives, ce qui en pratique n'est pas le cas. Une approche physique a été proposée sur la base de données épurée afin de respecter les conditions d'écriture du modèle. Le modèle choisi pour prédire la résistance ultime en traction est conservateur mais a le mérite d'être utilisable pour des études de fiabilité. L'enrichissement bayésien pourra être utilisé pour démontrer l'avantage qu'il peut conférer dans les études de fiabilité
Author: Robert Chlela Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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En France, le patrimoine bâti des ouvrages d'art et bâtiments est vaste et vieillissant. Des rapports récents établis par des experts dressent un constat alarmant de la situation et pointent la nécessité d'augmenter significativement les moyens alloués à la réhabilitation de ce patrimoine. Dans ce contexte, le renforcement structural par collage externe de matériaux composites s'est imposé depuis une vingtaine d'années comme une solution de choix pour la remise à niveau des ouvrages et l'extension de leur durée de vie. Cette thèse, financée par l'ANR, vise, en premier lieu à développer un système de renforcement composite inédit à empreinte environnementale réduite, et d'autre part, à construire d'une démarche fiabiliste permettant d'estimer la durée de vie des systèmes de renforcement et leur probabilité de défaillance à tout instant. Dans le présent manuscrit, les principales phases de développement du système bio-sourcé sont tout d'abord rappelées. On y rappelle notamment que la matrice époxy bio-sourcée a été formulée sur la base d'un cahier des charges établi à partir des caractéristiques de la matrice associée au procédé de renforcement Foreva® TFC, ainsi que les critères ayant guidé le choix du tissu de renforcement unidirectionnel en fibres de lin. Une seconde partie du manuscrit présente l'ensemble des résultats expérimentaux obtenus dans le cadre de la campagne de durabilité sur le système de renforcement bio-sourcé. Cette campagne s'appuie sur un plan d'expériences optimisé par la matrice de Hoke. Des plaques de composite stratifié ainsi que des dallettes de béton renforcées par ce composite ont ainsi été soumis à des vieillissements accélérés en conditions hygrothermiques ainsi qu'à un vieillissement naturel. Dans une première étape, les résultats de différentes caractérisations physico-chimiques réalisées sur le composite bio-sourcé à différentes échéances de vieillissement, mettent en évidence l'importance respective et les effets parfois antagonistes des mécanismes d'évolution microstructurale et des phénomènes de dégradation dans les différentes conditions de vieillissement. Dans une seconde étape, les évolutions des principaux indicateurs des performances mécaniques du composite et de l'interface béton-composite dans les différents milieux de vieillissement sont présentées et interprétées à la lumière des caractérisations physico-chimiques précédentes. Dans une troisième étape, des éléments de comparaison sont apportés entre le système composite bio-sourcé et un système traditionnel à fibres de carbone. La dernière partie du manuscrit est consacrée à la mise en œuvre de la démarche fiabiliste à partir de la base de données expérimentale collectée précédemment pour le système bio-sourcé. Une analyse statistique par la méthode ANOVA (analyse de la variance) est d'abord réalisée sur l'ensemble des données expérimentales. Deux modèles de dégradation ont ensuite été élaborés en vue de décrire l'évolution des indicateurs de performance dans le temps pour toute condition de vieillissement hygrothermique : un modèle analytique incluant de manière explicite les effets quadratiques et le couplage entre la température et l'humidité relative, et un modèle physique basé sur la loi d'Eyring. L'étape suivante a ensuite consisté à utiliser ces modèles pour estimer des durées de vie du système de renforcement bio-sourcé dans les conditions de vieillissement accéléré. Des critères de fin de vie du système ont été définis à partir des recommandations de dimensionnement proposées notamment par les guides ACI et AFGC. En vue d'évaluer la durée de vie en condition de service, une procédure spécifique a ensuite été proposée pour appliquer le modèle analytique dans le cas du vieillissement naturel. Enfin, une probabilisation du modèle analytique est réalisée de manière à déterminer la probabilité de défaillance du système de renforcement bio-sourcé à tout instant de sa durée de vie.
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Les composites sont devenus des matériaux courants dans l'industrie dès lors que la performance est recherchée. Les matrices polymères renforcées de fibres de verre ou de carbone sont utilisées dans l'aéronautique, l'automobile et le sport pour leurs propriétés spécifiques très élevées. Depuis peu, les fibres naturelles sont envisagées comme renforts pour les matériaux polymères pour concilier performance et écologie. Cependant, l'utilisation de pièces structurales utilisant des fibres végétales se heurte à un inconvénient majeur : leur vieillissement rapide causé par une forte sensibilité à l'humidité. Dans ce mémoire, nous avons cherché à estimer la durée de vie de ces composites à travers une caractérisation de l'endommagement en atmosphère humide du matériau, et une modélisation de son absorption d'humidité. Parmi les différentes fibres végétales disponibles, le lin a été choisi pour renforcer une matrice acrylique de la gamme « Elium ». Cette acrylique de nouvelle génération est un thermoplastique dont la polymérisation peut s'effectuer à froid par ajout d'un catalyseur au même titre que la plupart des thermodurcissables, et permet donc une bonne imprégnation des fibres, et évite tout endommagement thermique des fibres de lin. L'impact du vieillissement hygrothermique du composite sur ses propriétés mécaniques a été étudié en sollicitant le matériau à des cycles d'humidité. Ce protocole a permis de différencier deux effets du vieillissement : la plastification du composite causée par la présence de molécules entre les chaînes polymériques, et l'endommagement de la structure par fragilisation de l'interface fibre/matrice et l'oxydation de la cellulose. Le premier effet est réversible par séchage alors que le second est permanent, et est le plus dommageable pour la structure. Une loi de comportement hydromécanique a pu être déduite de ces essais, et sera utilisée en parallèle d'un modèle de diffusion par éléments finis afin de déterminer l'évolution à long terme des propriétés du composite soumis à un environnement réel. Le modèle prédit une baisse de plus de 50% du module élastique, et 60% de la contrainte à rupture après un temps d'utilisation de seulement un an. Néanmoins, le modèle utilisé se base sur de nombreuses hypothèses, notamment concernant la sensibilité de l'endommagement hydrique à la température. Une étude complémentaire est donc nécessaire afin de définir une réelle durée de vie de ces matériaux.
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L'utilisation croissante des matériaux composites à matrice polymère dans les structures industrielles est impulsée par le besoin de contraintes environnementales tout en conservant d'excellentes propriétés mécaniques. L'évolution des procédés de fabrication et l'émergence de la pultrusion réactive permet la production de matériaux composites à matrice thermoplastique possédant des taux de fibres très importants. Ceci leur confère les propriétés longitudinales souhaitées mais ces procédés induisent une variabilité microstructurale importante. De plus, les pièces industrielles sont bien souvent sollicitées de façon complexe induisant des contraintes multiaxiales. Ces contraintes sont alors ``ressenties'' par la microstructure du matériau composite et par la matrice confinée par les fibres notamment. La variabilité microstructurale tend alors à amplifier les contraintes. C'est dans ce contexte qu'une approche multi-échelle macro-micro (globale/locale) expérimentale et numérique a été développée. Les mécanismes de déformation, d'endommagement et de rupture ont été expérimentalement analysés à l'échelle globale du matériau composite ainsi qu'à l'échelle locale de sa microstructure. Pour ce faire, de techniques expérimentales liées à la tomographie aux rayons X ont été mises en place et permettent d'observer in-situ l'évolution de la microstructure sollicitée. Il a été observé que l'endommagement se développe au sein de la matrice thermoplastique. Un modèle de comportement de la matrice endommageable a donc été mis au point à l'aide des approches issues de la mécanique des milieux poreux et permet de rendre compte des micro-mécanismes de déformation et d'endommagement de la matrice confinée par les fibres. Une approche de type ``top-down'' a été développée. Celle-ci permet de localiser les zones critiques d'une structure industrielle composite. Le chargement appliqué localement sur la pièce sert alors de conditions aux limites sur une microstructure réelle modélisée. Ainsi, il est possible de simuler la cinétique d'endommagement, permettant de comprendre l'amorçage et la propagation de fissures dans une structure industrielle. Cette approche appliquée au cas d'une canalisation composite sous pression a permis de déterminer des pressions d'amorçage de fissures en fonction de l'enroulement du composite sur la canalisation.
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Dans le domaine automobile, intégrer de plus en plus de matériaux composites recyclés tout en améliorant les performances initiales et en diminuant les masses emportées devient un compromis auquel il faut répondre. Par ailleurs, les pièces de structures en matériaux composites destinées au crash sont souvent soumises à des conditions environnementales, notamment des températures modérément élevées, pouvant produire une dégradation physico-chimique progressive. Ainsi, pour assurer une meilleure conception et une durabilité des pièces, il est primordial de bien cerner l'influence du vieillissement thermique sur les propriétés dynamiques des matériaux. Dans ce but, ce travail vise à coupler la physique de la cinétique de dégradation par oxydation et le comportement mécanique multi-échelles d'un nouveau matériau composite totalement issu du recyclage à renfort carbone et matrice à base polypropylène. Le premier axe de l'étude est dédié à l'élaboration, la caractérisation physicochimique, microstructurale et mécanique de plusieurs formulations de composites. Une fois le composite optimal sélectionné, une méthodologie hybride, expérimentale et numérique, visant à caractériser les propriétés dynamiques rapides allant jusqu'à des vitesses de déformation de 100 s-1 est développée. Le deuxième axe de ce travail est focalisé sur l'étude de l'influence de la thermo-oxydation sur les propriétés physico-chimique et mécaniques à différentes vitesses de sollicitation du composite optimal et sa matrice. L'ensemble des données expérimentales issues du vieillissement a permis l'identification d'un modèle cinétique basé sur un schéma mécanistique de l'oxydation des matériaux vieillis. D'autre part, une étude qualitative et quantitative de l'effet du vieillissement sur les mécanismes d'endommagement a été réalisée à l'échelle microscopique visant à mettre en place une loi d'endommagement reliant, pour une déformation imposée donnée, le taux d'endommagement local à la concentration des produits d'oxydation. Les résultats de cette étude mettent en évidence la possibilité de développer des lois de comportement affectés par les paramètres de modèles cinétiques décrivant l'évolution de l'état physico-chimique du composite au cours du vieillissement.
Author: Don Montague Publisher: Taylor & Francis ISBN: 9780419199106 Category : Architecture Languages : en Pages : 472
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This dual-language dictionary lists over 20,000 specialist terms in both French and English, covering architecture, building, engineering and property terms. It meets the needs of all building professionals working on projects overseas. It has been comprehensively researched and compiled to provide an invaluable reference source in an increasingly European marketplace.
Author: Philippe Castaing Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages :
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LES MATERIAUX COMPOSITES A MATRICE POLYESTER INSATURE ET A FIBRES DE VERRE SONT SUJETS A UN CLOQUAGE D'ORIGINE OSMOTIQUE LORSQU'ILS SONT AU CONTACT DE L'EAU EN GENERAL ET DE L'EAU DE MER EN PARTICULIER. CE PHENOMENE S'AVERE NUISIBLE CAR IL CONDUIT A TERME AU DELAMINAGE DES STRUCTURES. LES RESULTATS D'UNE ETUDE SYSTEMATIQUE DU CLOQUAGE DE CES COMPOSITES EN MILIEU AQUEUX EN VUE DE SON INTERPRETATION SONT DECRITS DANS LE PRESENT MANUSCRIT. EN PLUS D'UNE INTRODUCTION ET D'UNE CONCLUSION, LE MEMOIRE COMPORTE TROIS PARTIES PRINCIPALES: LA PREMIERE QUI EST CONSTITUEE DE RAPPELS BIBLIOGRAPHIQUES FAIT LE POINT SUR LE VIEILLISSEMENT ET LE CLOQUAGE DES COMPOSITES POLYESTER/FIBRES DE VERRE; LA SECONDE DETAILLE LES TESTS DE VIEILLISSEMENT ACCELERES AUXQUELS SONT SOUMIS CES MATERIAUX ET LES METHODES PHYSICO-CHIMIQUES ET MECANIQUES MISES EN UVRE POUR LE SUIVI DE L'ENDOMMAGEMENT; LA TROISIEME RASSEMBLE LES RESULTATS DES TESTS ET PROPOSE UNE MODELISATION MECANIQUE DU CLOQUAGE ELABOREE A PARTIR DE LA THEORIE DES PLAQUES ET PERMETTANT UNE PREDICTION DU DELAMINAGE DES STRUCTURES
Author: Sofiène Marouani
Author: Sofiène Marouani
Author: Sofiène Marouani
Author: Marco Gigliotti
Author: Wendlamita Zombré
Author: Robert Chlela
Author: Ludovic Freund
Author: Henri-Alexandre Cayzac
Author: Hassen Meftah
Author: Don Montague
Author: Philippe Castaing