Comportement Mécanique et Durabilité de nouvelles armatures composites à matrice thermoplastique et de leur interface avec le béton.

Mechanical Behavior and Durability of novel thermoplastic composite reinforcing bars and their bond in concrete

• Auteur / Autrice : Maha Fodda
• Direction : Karim Benzarti, Marc Quiertant
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Structures et Matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2023
• Etablissement(s) : Université Gustave Eiffel
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : NAVIER
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Matériaux et structures architecturés

Mots clés

Mots clés libres

Armatures composites

Viellissement accéléré

Caractérisation d'interface

Caractérisation physico-chimique et mécanique

Fibre optique

Récyclabilité

Composite reinforcements

Accelerated aging

Bond characterization

Physico-chemical and mechanical characterization

Optical fiber

Recyclability

Résumé

Les armatures composites en polymères renforcés de fibres (PRF) constituent une alternative intéressante aux aciers traditionnels pour le renforcement interne de structures en béton armé (BA), du fait de leurs excellentes propriétés mécaniques et surtout de leur résistance à la corrosion qui permet de réduire la maintenance des ouvrages et d'allonger leur durée de vie. Actuellement, ce type d'armature est principalement utilisé en Amérique du Nord, mais des référentiels techniques européens font progressivement leur apparition (en France, un guide de recommandations de l'AFGC dédié à ces armatures est paru en 2021), ce qui permet d'envisager un large développement de ces renforts composites dans les prochaines années. Par ailleurs, les barres PRF disponibles sur le marché sont majoritairement constituées de fibres de verre et de matrices polymères thermodurcissables de type vinylester, car elles offrent un très bon rapport performances/coût. Néanmoins ces barres présentent également des désavantages, car elles ne peuvent pas être façonnées sur chantier et ne sont pas recyclables en fin de vie. Pour pallier ces inconvénients, les industriels commencent à développer des armatures PRF à matrice thermoplastique (notées PRF-TP), qui ouvrent de nouvelles perspectives en termes de façonnage à chaud et de recyclabilité. Cependant, la durabilité de ces nouveaux produits sur le long terme et la tenue de l'interface entre ces barres et le béton (notamment dans l'environnement alcalin du béton et sous charge maintenue) restent à démontrer. Ce sujet de thèse s'inscrit donc dans la continuité de l'action menée par le groupe de travail de l'AFGC visant à étendre le référentiel actuel aux nouveaux produits apparaissant sur le marché. Dans ce contexte, la première partie de la thèse consistera à déterminer les caractéristiques initiales (mécaniques et physico-chimiques) des barres PRF-TP afin d'appréhender la microstructure de ces barres. Un test de caractérisation mécanique spécifique sera mis au point pour évaluer les propriétés des armatures PRF coudées. Des caractérisations physicochimiques seront également menées sur les barres coudées afin d'évaluer l'impact du façonnage à haute température sur la microstructure de la zone coudée. La deuxième partie de la thèse vise à déterminer les propriétés d'adhérence entre les barres PRF-TP et le béton par des essais de type pull-out. Certaines éprouvettes seront équipées d'une instrumentation à fibre optique (FO) permettant de mesurer les profils de contraintes à l'interface lors des essais de pull-out. L'analyse des profils de déformation à l'interface barre/béton enregistrées par les fibres optiques, aide à établir de lois spécifiques de comportement d'interface. Ces lois seront ensuite intégrées dans un modèle aux éléments finis pour effectuer des simulations qui seront ensuite comparées au comportement expérimental issu des essais de pull-out. La troisième partie de la thèse vise à évaluer sur une durée de 24 mois la durabilité de l'armature à matrice TP et de l'interface barre/béton. Le programme consistera à effectuer des essais de vieillissements accélérés dans des solutions alcalines à différentes températures, ainsi que dans une condition de vieillissement sous charge constante (fluage). Enfin, des éléments d'analyse du cycle vie (ACV) pourront également être mis en œuvre afin d'évaluer l'empreinte environnementale de ces nouvelles barres.

Fiber reinforced polymers (FRP) composite reinforcements are an interesting alternative to traditional steels for the internal reinforcement of reinforced concrete structures (RC), due to their excellent mechanical properties and above all their resistance to corrosion which makes it possible to reduce the maintenance of RC structures and extend their lifetime. Currently, this type of reinforcement is mainly used in North America, but European design codes are gradually appearing (in France, an AFGC recommendation guide dedicated to these reinforcements was published in 2021), which makes it possible to expect a large development of these composite reinforcements in the coming years. Moreover, the FRP bars available on the market are mainly made up of glass fibers and thermosetting polymer matrices of the vinylester type, because they offer a very good performance/cost ratio. However, these bars also have disadvantages, because they cannot be shaped on site and are not recyclable at the end of their life. To overcome these disadvantages, manufacturers have started developing FRP reinforcements with thermoplastic matrices (denoted FRP -TP), which open up new perspectives in terms of hot forming and recyclability. However, the long-term durability of these new products and the resistance of the bond between these bars and concrete (especially in the alkaline environment of concrete and under sustained load) still have to be demonstrated. This thesis subject is therefore a continuation of the action carried out by the AFGC working group aimed at extending the current reference system to new products appearing on the market. In this context, the first part of the thesis will consist in determining the initial characteristics (mechanical and physico-chemical) of glass FRP bars with a TP matrix in order to understand their microstructure. A specific mechanical characterization test will be developed to evaluate the properties of bent FRP reinforcements. Physicochemical characterizations will also be carried out on the bent bars in order to assess the impact of high temperature shaping on the microstructure of the bent zone. The second part of the thesis aims to determine the adhesion properties between FRP-TP bars and concrete by pull-out tests. Some specimens will be equipped with fiber optic (FO) instrumentation to measure the stress profiles at the bond line during pull-out tests. The analysis of the deformation profiles at the bar/concrete interface recorded by the optical fibers will help to establish specific interface behavior laws. These laws will then be integrated into a finite element model to perform simulations which will then be compared to the experimental behavior resulting from the pull-out tests. The third part of the thesis aims to evaluate over a period of 24 months the durability of the FRP-TP reinforcement and the bar/concrete bond. The program will consist in conducting accelerated aging tests in alkaline solutions at different temperatures, as well as in an aging condition under constant load (creep). Finally, a life cycle analysis (LCA) approach could also be implemented to assess the environmental footprint of these new bars.