Développement et caractérisation d'un matériau composite à base de fibres de lin : application au renforcement de structures en béton par collage externe

Development and characterization of a flax fibers reinforced composite : application to reinforcing concrete structures by external sizing

• Auteur / Autrice : Anne Hallonet
• Direction : Emmanuel Ferrier, Laurent Michel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Civil
• Date : Soutenance le 08/07/2016
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Matériaux Composites pour la Construction (Villeurbanne, Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Brahim Benmokrane
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Audenaert
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Baley, Karim Benzarti

Mots clés

Mots clés contrôlés

Solides -- Mécanismes de renforcement

Durée de vie (ingénierie)

Lin

Béton armé

Mots clés libres

Renforcement béton armé

Polymère renforcé par fibres de lin

FFRP

Composite lin

Durabilité

RC strengthening

Flax Fibre Reinforced Polymer

FFRP

Flax composite

Durability

Résumé

Afin de prolonger leur durée de vie et d'assurer la sécurité des usagers, les structures en béton peuvent nécessiter un renforcement au cours de leur durée de service. La technique de renforcement par collage externe, en surface, de composites renforcés de fibres de carbone, de verre ou d'aramide à l'aide de résines durcissant à température ambiante est largement employée pour son efficacité et sa facilité de mise oeuvre. Toutefois l'utilisation à la fois de fibres synthétiques et de matrices polymères produit un impact écologique non négligeable. L'objectif de ce travail de recherche est d'examiner la possibilité d'utiliser des fibres de lin pour le renforcement externe de structures en béton. Les propriétés mécaniques spécifiques et le bilan environnemental avantageux des fibres de lin en font une alternative intéressante aux fibres de verre. Cependant leur origine naturelle conduit à une plus grande variabilité des propriétés, à un comportement en traction non linéaire et une sensibilité accrue à l'humidité. Les principaux objectifs du travail de thèse portent ainsi sur la sélection des matériaux et la mise en oeuvre les plus adaptés, sur l'évaluation des performances du matériau et de son adhérence au support béton et sur une évaluation de la durabilité des propriétés du système. Dans une première partie expérimentale deux méthodes de mise en oeuvre du renfort à fibres de lin (stratification au contact et collage de lamelles rigides) sont développées et caractérisées. Des observations tomographies X confirment la bonne imprégnation des fibres et la cohésion des composites. Les essais de traction révèlent un comportement en traction bilinéaire comme décrit dans la littérature, avec des propriétés d'effort par largeur de bande comparables aux composites de renfort à fibres de verre. La caractérisation des interfaces composite/béton menée par tests de cisaillement à double recouvrement confirme une bonne adhérence qui se traduit par une rupture cohésive dans le substrat béton. La nature des fibres ne semble pas influencer le comportement de l'interface. Les systèmes de renforcement à fibres de lin sont donc capables de reprendre des efforts transmis par cisaillement de façon comparable aux matériaux de renfort à fibres de verre. Dans une deuxième partie des essais exploratoires de durabilité ont ensuite été menés pour vérifier la pérennité des propriétés de ces deux composites de renfort dans un environnement de service. Un vieillissement accéléré artificiel en enceinte climatique est mis en place tandis que des composites à fibres de lin stratifié au contact sont exposés pendant un an à l'environnement extérieur. Un second vieillissement hygrothermique à 70°C est mené pendant 4 semaines. Les dégradations des propriétés des composites à fibres de lin sont comparables à celles de certains composites de renfort à fibres de verre. Malgré la nature hydrophile des fibres de lin, les premiers essais ne montrent pas de dégradations des propriétés qui rendraient le composite impropre à une utilisation comme renfort extérieur de structures en béton

To extend their life and ensure the safety of users, concrete structures may need strengthening during their service life. The technique of strengthening by external bonding of composites carbon, glass or aramid composites using polymer that are cured at room temperature is widely used for its effectiveness and ease of implementation. Yet the uses of both synthetic fibers and polymer matrices have a significant environmental impact. The objective of this research is to examine the possibility of using flax fibers for the external strengthening of concrete structures. Their high specific mechanical properties and positive environmental balance make them an interesting alternative to the glass fibers. However, they also present a larger variability in properties, a non-linear tensile behavior and high sensitivity to humidity. The main objectives of this thesis involve the selection of the materials and the most suitable implementation, the evaluation of the materials’ performances and adherence to concrete support and a sustainability assessment of those properties. In a first experimental section, two methods of implementation of the flax fiber reinforcement are developed and characterized: by wet lay-up and by bonding of pre-hardened. Tomography observations confirm the good fiber impregnation and cohesion of the composites. The tensile tests show a bilinear tensile behavior as described in the literature, with stress per width at failure comparable to glass fibres strengthening systems. The characterization of composite/concrete interfaces is conducted by double overlap shear tests and confirms a good adhesion which results in concrete failure before the failure of the reinforcement system. The nature of the fibers does not appear to influence the shear behavior of the interface. For glass or flax wet lay-up systems, failure can occur with failure of the composite. Flax fiber reinforcement systems can take up the forces transmitted by shear in a manner comparable to glass composites. In the second part, sustainability tests were conducted to ensure the sustainability of the properties of these two composite reinforcements in a service environment. An artificial accelerated aging test in a climatic chamber is set up while wet lay-up flax fiber composites are exposed to the external environment during a year. A second hydrothermal aging test is conducted for 4 weeks at 70°C. The degradations of the properties of the flax composites are comparable to those of some glass reinforcement composites. Despite the hydrophilic nature of the flax fibers the first tests show no degradation of properties that would make the composite unsuitable for an external reinforcement of concrete structures