Architecture Génie civil

Les matériaux composites en renfort

Mots clés : Produits et matériaux - Travaux publics

Qu’ils soient en fibres de carbone ou de verre, les composites collés sont de plus en plus utilisés dans les travaux publics.

Selon une définition couramment admise, les matériaux composites correspondent à l’assemblage d’au moins deux composants de nature différente mais dont les propriétés intrinsèques se complètent, voire s’additionnent. Si, dans leur acception large, ces matériaux ne sont pas nouveaux – que l’on songe, par exemple, au bois composite -, l’emploi de composites collés à base de fibres de carbone ou de verre pour des structures en béton date d’une vingtaine d’années. « Leur usage en construction neuve n’est pas encore très répandu. En revanche, ils sont de plus en plus utilisés dans les travaux publics, dans le cadre de travaux de renforcement de structures », indique Guillaume Aliadière, directeur du département infrastructures linéaires chez Socotec.

Les matériaux composites sont couramment employés pour la réparation, et donc la mise en sécurité, d’ouvrages d’art (ponts, tunnels, etc. ). Ils peuvent également être utilisés dès lors qu’il s’agit d’adapter les structures existantes à l’évolution des besoins d’utilisation de leurs gestionnaires ou à de nouvelles réglementations. « Initialement, leur emploi était réservé à pallier un éventuel déficit de ferraillage dans les structures en béton armé. Ils sont désormais souvent utilisés pour augmenter la quantité d’armatures passives de structures en béton précontraint », explique Christophe Aubagnac, chef du groupe ouvrages d’art, géo technique et risques naturels au laboratoire d’Autun (Saône-et-Loire) au Centre d’études et d’expertise sur les risques, l’environnement, la mobilité et l’aménagement (Cerema).

Des questions en suspens. Toutefois, plusieurs questions techniques restent en suspens. Parmi elles, certaines interrogations concernent le fonctionnement, après ouverture de fissures, d’une structure en béton précontraint endommagée puis renforcée, d’autres concernent le comportement des renforts collés eux-mêmes au droit des fissures. La durée de vie des matériaux composites fait également l’objet de recherches poussées. « C’est la question que beaucoup de monde se pose, malgré plusieurs études de vieillissement accéléré en laboratoire et quelques retours d’expérience rassurants depuis quinze-vingt ans, note Christophe Aubagnac. Il nous faudra encore du temps pour obtenir des résultats définitivement concluants. » L’amélioration des connaissances concernant l’efficacité des renforcements par matériaux composites collés – comme les bandes de tissus et les lamelles composées de fibres de carbone – s’avère donc nécessaire. L’objectif, in fine , est de mettre au point de nouvelles règles pour leur conception et leur dimensionnement.

A l’avenir, les matériaux composites pourraient être appliqués comme renforts non seulement sur les ponts et les tunnels, mais aussi sur d’autres types de structures, comme les ouvrages hydrauliques (barrages, digues, etc. ). « Dans le bâtiment, il arrive qu’ils soient utilisés lorsque le changement de destination d’une pièce nécessite le renforcement de ses structures porteuses », ajoute Christian Tourneur, directeur scientifique de Freyssinet International. Ponts, tunnels, mais aussi barrages, ou encore bâtiments, les professionnels du BTP vont devoir désormais composer avec les composites.

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Expérimentation - Une poutre mise à l'épreuve

Des renforts en matériaux composites ont été récemment soumis à rude épreuve dans le cadre d’une expérimentation « grandeur nature » réalisée par le Centre d’études et d’expertise sur les risques, l’environnement, la mobilité et l’aménagement (Cerema). L’objectif ? Etudier le fonctionnement d’une poutre du pont routier de Clerval (Doubs) en béton précontraint renforcée avec des matériaux composites collés. Longue de 30 m, cette dernière a été soumise à deux essais successifs de chargement à rupture (en flexion puis à l’effort tranchant). Une première en France. Résultats ? « Les mesures ont démontré le réel apport des composites collés pour des ouvrages vulnérables, notamment pour la maîtrise de la fissuration », indique Christophe Aubagnac, chef du groupe ouvrages d’art, géotechnique et risques naturels au laboratoire d’Autun (Saône-et-Loire) du Cerema. Pour les deux tests, ont été utilisés des lamelles de polymère renforcé de fibres de carbone collées longitudinalement en sous-face de la poutre et des tissus secs appliqués sur une couche de résine formant un « U » autour de la section et du coin inférieur de la poutre.

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Guillaume Aliadière , directeur du département infrastructures linéaires chez Socotec. - « Ces solutions deviennent incontournables »

« Les avantages des matériaux composites sont nombreux. D’abord, leur faible poids propre permet leur application sans surcharger les ouvrages, à la condition que ceux-ci soient sains et présentent une bonne planéité. Ils possèdent également des caractéristiques intrinsèques intéressantes. Par exemple, ils affichent en général une résistance à la traction supérieure aux armatures classiques : de 400 à 2 000 MPa. Par ailleurs, ils sont peu sensibles à la corrosion et ont un comportement à la fatigue plutôt bon. En revanche, les matériaux composites utilisés aujourd’hui trouvent leurs limites sur des ouvrages trop dégradés, présentant des réseaux de fissures trop importants. De même dans des conditions d’environnement ou de mise en œuvre où l’hydrométrie et la température sont trop extrêmes. Dans ces cas-là, les performances d’adhérence et de collage constituent des facteurs limitants. Quoi qu’il en soit, les matériaux composites s’imposent aujourd’hui dans la panoplie des techniques incontournables pour le renforcement de structures. Toutefois, la réalisation de tests préalables et d’épreuves de convenance reste fondamentale avant le lancement de tout chantier. »

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Pont - 64 km de joncs de carbone

Construit au tournant des années 1960, le pont des Amériques, qui franchit le célèbre canal de Panama, a récemment fait l’objet de travaux de renforcement significatifs à l’aide de matériaux composites. Constituée d’un hourdis en béton de 18 cm d’épaisseur maintenu par des suspentes verticales à une structure en treillis métallique imposante, la travée centrale de l’ouvrage, de 344 m de portée, a été renforcée, en sous-face, par l’application de 32 000 m² de tissus de fibres de carbone TFC (développés par Freyssinet). « Ces renforts ont été complétés par la mise en œuvre, en surface cette fois, de pas moins de 64 kilomètres linéaires de joncs de carbone, des barres cylindriques de 12 m de long pour 12 mm de diamètre, placées dans des engravures longitudinales et scellées dans de la résine », explique Christian Tourneur, directeur scientifique de Freyssinet International.

Ces interventions ont été rendues nécessaires par l’augmentation des charges circulantes sur le pont et par l’apparition de microfissurations dues à l’ancienneté de l’ouvrage.

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Tunnel - Un mortier-colle ultrarésistant

ParexGroup a mis au point un système de renforcement innovant pour les structures en béton armé. Le spécialiste des mortiers à base de liant hydraulique a conçu un mortier-colle composite destiné à transmettre les efforts de façon homogène au sein d’une grille de renfort en carbone présentant un module d’élasticité faible ainsi qu’une bonne résistance à la traction. La grille comporte 13 fils de carbone tous les 10 cm dans les sens longitudinal et transversal. Une résine d’imprégnation rigidifie la grille tout en favorisant la liaison avec le mortier.

Selon le fabricant, l’application de ce mortier composite, léger et très mince (de 3 à 4 mm d’épaisseur), est simple. La grille de renfort peut être dimensionnée aux ciseaux, et le mortier-colle préparé par gâchage avec de l’eau avant d’être appliqué et lissé à la main. L’innovation de ParexGroup a été utilisée pour renforcer l’une des poutres du tunnel de La Gâtine, à Angoulême (Charente), dont les aciers présentaient une perte de section importante. Une semaine a été nécessaire pour mettre en œuvre 70 m² de renfort (en deux couches) sur cette structure de 16 m de portée, de 2,2 m de haut et de 50 cm d’épaisseur.

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