LLL’’’iiinnnnnnooovvvaaatttiiiooonnn dddaaannnsss llleee GGGééénnniiieee CCCiiivvviiilll aaauuu ssseeerrrvvviiiccceee
dddeee lllaaa cccooonnnssstttrrruuuccctttiiiooonnn ddduuurrraaabbbllleee GC’2011 Cachan, 22 et 23 mars
Le procédé Lamtextress : un procédé de fabrication d’éléments structuraux mettant en œuvre des composites fibres-
matrices minérales
Patrice Hamelin, Geoffrey Promis, Aron Gabor - Université de Lyon
Alain Cavet - Spiraltex Industrie
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LE PROCEDE LAMTEXTRESS : UN PROCEDE DE FABRICATION
D’ELEMENTS STRUCTURAUX VALORISANT L’UTILISATION DE
COMPOSITES FIBRES-MATRICES MINERALES
Patrice HAMELIN, Geoffrey PROMIS, Aron GABOR
Université de Lyon
Alain CAVET
Spiraltex Industrie
RESUME
Dans un cadre du projet européen Contex-t, nous avons développé la formulation d’un nouveau matériau composite associant une matrice minérale (Vubonite : liant phosphatique) et des renforts textiles de fibres de verre E. La présente communication vise à présenter un procédé de fabrication associant deux technologies de transformation spécifiques au domaine de la plasturgie et des composites (la pultrusion et le tressage) permettant de produire en continu des éléments structuraux préfabriqués (poutres caissons, arcs). Nous décrirons les différentes étapes du procédé de transformation : sélection des renforts – imprégnation – formage – confinement – usinage. Sur un autre plan nous présenterons les méthodes d’aide au dimensionnement permettant de sélectionner les types de renforts, les positions des renforts en fonction des propriétés mécaniques escomptées et en fonction des paramètres « machines » du procédé. Dans une dernière phase de la présentation, nous examinerons les différentes étapes de réalisation d’un bâtiment expérimental (démonstrateur) où l’ossature porteuse est obtenue par assemblage des différents éléments structuraux produits par le procédé Lamtextress.
INTRODUCTION
Dans le cadre du programme de recherche européen Contex-t et plus particulièrement en coopération avec l’Université de Bruxelles (VUB) et les sociétés ATP et Spiraltex, nous avons cherché à développer l’utilisation d’un nouveau composite fibre-ciment pour la réalisation d’éléments structuraux pour le bâtiment (ossature – panneaux de façade auto-porteurs) ou pour les infrastructures (tunnels). Les principaux objectifs portent sur la volonté de développer un matériau composite plus respectueux de l’environnement, particulièrement stable vis-à-vis des conditions d’incendie pouvant être transformé suivant des conditions de production industrielle comparables à celles de la plasturgie.
1. IDENTIFICATION ET CARACTERISATION DU COMPOSITE
La formulation du composite associe une matrice minérale, Vubonite [Réf. 1] à des fibres de renforcement de type verre E. La matrice ciment phosphorique inorganique (IPC) a été développée par la Vrije Universiteit Brussel (VUB). Il s’agit d’un polymère minéral non alcalin qui se compose d’une poudre de calcium métasilicate (Wollastonite), d’acide phosphorique et d’oxyde de zinc. Le silicate de calcium réagit avec les ions métalliques contenus dans l’acide. Il se forme une matrice céramique dotée d’une structure réticulaire 3D. La matrice CPI est un matériau nouveau qui
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combine la flexibilité de conception des résines comme le polyester avec les propriétés de la céramique. La matrice est ensuite additionnée à un renfort sous la forme de fibres (mat) ou d’armures textiles afin de palier les faibles propriétés de la matrice pure en terme de dureté, résistance en traction et rigidité. Cette matrice présente l’avantage d’être ininflammable, résistante aux températures élevées et de ne pas émettre de Composées Organiques Volatiles. La fabrication se base sur des poudres minérales réactives, ce qui implique un faible cout de production. Les renforts sont des méches roving de verre E non alcali résistant compte tenu des propriétés de la matrice qui peuvent être ellaborés sous forme de tissus UD ou taffetas ou de mat.
2. PROCEDE DE TRANSFORMATION : LE PROCEDE LAMTEXTRE SS [Réf. 2]
Nous avons développé un banc de préfabrication qui comprend deux étapes essentielles : Dans un premier temps, en collaboration avec la société ATP, la technique de pultrusion (Figure 1) a été adaptée aux propriétés spécifiques de la matrice minérale et aux conditions d’imprégnation des fibres de verre.
Figure 1 Banc de pultrusion et exemples de profiles pultrudés (a) ; (b)
La production de « planches » composite fibres-ciment de 10cm de large, de 1 cm dépaisseur a été obtenue par l’imprégnation de 792 filaments de verre E de 735 Tex qui conduit à un taux volumique de renfort de 21%. Dans une seconde étape, pour assembler les planches entre-elles et renforcer leurs propriétés au cisaillement nous avons ellaboré avec la société Spiraltex (Figure 2 et 3), un banc de tressage 2D-3D qui permet de confiner circonférentiellement les sections de poutres.
P.03
P.05
P.06
P.08
Partenaire industriel
SPIRALTEX
LAMTEXTRESP.03
P.05
P.06
P.08
Partenaire industriel
SPIRALTEX
P.03
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P.06
P.08
P.03
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Partenaire industriel
SPIRALTEX
LAMTEXTRES
Figure 2 Le procédé « Lamtextress »
Les conditions de tressage permettent de faire varier la nature des fibres, l’angle des fibres, le pas de tressage (Figure 4) et il est possible d’imprégner les fibres tressées soit par la matrice minérale soit par des matrices époxydes. La dernière opération consiste à recouvrir l’ensemble du profilé préfabriqué par une couche de finition constituée de fibres courtes (mat).
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Figure 3 Les techniques de tressage 2D-3D interlock
mandrin
Fils de tressage
Vt : avance du mandrin
Ø Dm
ωr
• vitesse d'avance du mandrin Vt,
• diamètre du mandrin Dm,Vt
Dm
• vitesse de rotation des roues à ouches ωr,
ωωωωr
- notched wheels rotational speed ωr
- mandrel displacement rate Vt
- mandrel diameter Dm
mandrin
Fils de tressage
Vt : avance du mandrin
Ø Dm
ωr
• vitesse d'avance du mandrin Vt,
• diamètre du mandrin Dm,Vt
Dm
• vitesse de rotation des roues à ouches ωr,
ωωωωr
- notched wheels rotational speed ωr
- mandrel displacement rate Vt
- mandrel diameter Dm
γγγγ(t)
h
point detressage
mandrin(diam. Dm)
p
plan de circulationdes fuseaux
fuseau
axe detressage
θθθθ
• ondulation du fil ϕ=ϕ(Dm, ωr).
r
tVp
ω.32
=
• pas de tressage p=p(Vt, ωr),
t
rm
V32
Dtan
ωπ=θ
• angle surfacique de tressageθ=θ(Dm, Vt, ωr),
- Braiding thread
- braiding surface angle
- yarn undulation
spindle
Braidingaxis
Braidingpoint
mandrel
γγγγ(t)
h
point detressage
mandrin(diam. Dm)
p
plan de circulationdes fuseaux
fuseau
axe detressage
θθθθ
• ondulation du fil ϕ=ϕ(Dm, ωr).
r
tVp
ω.32
=
• pas de tressage p=p(Vt, ωr),
t
rm
V32
Dtan
ωπ=θ
• angle surfacique de tressageθ=θ(Dm, Vt, ωr),
- Braiding thread
- braiding surface angle
- yarn undulation
spindle
Braidingaxis
Braidingpoint
mandrel
γγγγ(t)
h
Braidingpoint
mandrel(diam. Dm)
Movingcurvesfor spindles
Spindle
Braidingaxis
braidingpoint position h=h(D m, Vt, ωωωωr),
contact angle of yarnson mandrelγ(γ(γ(γ(t))))=γ(γ(γ(γ(t, ρρρρ, Dm, h)))),
h
γγγγ(t)
ρ(t)
α(t)
roue à ouches (rayon r1)sur la première couronne
fuseau
centre de la machine(axe de tressage)
rayon moyen de circulationde la première couronne
r1
radial position ρρρρ(t) and αααα(t) angularposition for the spindle
ρρρρ(t)αααα(t)
γγγγ(t)
h
Braidingpoint
mandrel(diam. Dm)
Movingcurvesfor spindles
Spindle
Braidingaxis
braidingpoint position h=h(D m, Vt, ωωωωr),
contact angle of yarnson mandrelγ(γ(γ(γ(t))))=γ(γ(γ(γ(t, ρρρρ, Dm, h)))),
h
γγγγ(t)γγγγ(t)
ρ(t)
α(t)
roue à ouches (rayon r1)sur la première couronne
fuseau
centre de la machine(axe de tressage)
rayon moyen de circulationde la première couronne
r1
ρρρρ(t) and αααα(t) angularposition for the spindle
ρρρρ(t)αααα(t)
ρ(t)
α(t)
roue à ouches (rayon r1)sur la première couronne
fuseau
centre de la machine(axe de tressage)
rayon moyen de circulationde la première couronne
r1
ρρρρ(t) and αααα(t) angularposition for the spindle
ρρρρ(t)ρρρρ(t)αααα(t)αααα(t)
γγγγ(t)
h
Braidingpoint
mandrel(diam. Dm)
Movingcurvesfor spindles
Spindle
Braidingaxis
braidingpoint position h=h(D m, Vt, ωωωωr),
contact angle of yarnson mandrelγ(γ(γ(γ(t))))=γ(γ(γ(γ(t, ρρρρ, Dm, h)))),
h
γγγγ(t)γγγγ(t)
ρ(t)
α(t)
roue à ouches (rayon r1)sur la première couronne
fuseau
centre de la machine(axe de tressage)
rayon moyen de circulationde la première couronne
r1
radial position ρρρρ(t) and αααα(t) angularposition for the spindle
ρρρρ(t)αααα(t)
ρ(t)
α(t)
roue à ouches (rayon r1)sur la première couronne
fuseau
centre de la machine(axe de tressage)
rayon moyen de circulationde la première couronne
r1
ρ(t)
α(t)
roue à ouches (rayon r1)sur la première couronne
fuseau
centre de la machine(axe de tressage)
rayon moyen de circulationde la première couronne
r1
radial position ρρρρ(t) and αααα(t) angularposition for the spindle
ρρρρ(t)ρρρρ(t)αααα(t)αααα(t)
γγγγ(t)
h
Braidingpoint
mandrel(diam. Dm)
Movingcurvesfor spindles
Spindle
Braidingaxis
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contact angle of yarnson mandrelγ(γ(γ(γ(t))))=γ(γ(γ(γ(t, ρρρρ, Dm, h)))),
h
γγγγ(t)γγγγ(t)
ρ(t)
α(t)
roue à ouches (rayon r1)sur la première couronne
fuseau
centre de la machine(axe de tressage)
rayon moyen de circulationde la première couronne
r1
ρ(t)
α(t)
roue à ouches (rayon r1)sur la première couronne
fuseau
centre de la machine(axe de tressage)
rayon moyen de circulationde la première couronne
r1
ρρρρ(t) and αααα(t) angularposition for the spindle
ρρρρ(t)ρρρρ(t)αααα(t)αααα(t)
ρ(t)
α(t)
roue à ouches (rayon r1)sur la première couronne
fuseau
centre de la machine(axe de tressage)
rayon moyen de circulationde la première couronne
r1
ρ(t)
α(t)
roue à ouches (rayon r1)sur la première couronne
fuseau
centre de la machine(axe de tressage)
rayon moyen de circulationde la première couronne
r1
ρρρρ(t) and αααα(t) angularposition for the spindle
ρρρρ(t)ρρρρ(t)αααα(t)αααα(t)
Main technological parameters considered for
braiding machine pilotingGeometrical parameters for braiding process
Secondary technological parameters
Figure 4 Différents paramètres de tressage
Le dispositif de fabrication conduit à la production en continu de poutres ou de poteaux ou de plaques telles que celles décrites par la figure 5. La dimension et la géométrie des sections ainsi que la longueur des éléments structuraux peut varier en fonction de la géométrie des têtes de pultrusion et des longueurs de coupe et des paramètres de tressage retenus.
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5
Reference Section Longueur Composition
P.02
P.03
P.04
P.05
Reference Section Longueur Composition
P.02
P.03
P.04
P.05
10 mm plat pultrudé PU
10 mm plat pultrudé PU
2 m2 m
2 m2 m
1 mm tressage (± 45°)
10 mm plat pultrudé PU
4 mm stratification
10 mm plat pultrudé PU
4 mm stratification
10 mm plat pultrudé PU1 mm tressage (± 45°)4 mm stratification
10 mm plat pultrudé PU1 mm tressage (± 45°)4 mm stratification
2 m2 m
2 m2 m
Figure 5 Différentes géométries de poutres fabriquées suivant le procédé LAMTEXTRESS
3. CARACTERISATION DU COMPOSITE ET EVALUATION DES P ERFORMANCES DES ELEMENTS STRUCTURAUX PREFABRIQUES
Les lois de comportement et les mécanismes d’endomagement des composites fibres-matrices minérales sont directement dépendants des mécanismes d’adhésion, d’adhérence entre les fibres et la matrice. Des formulations spécifiques de traitement de surface sont susceptibles d’augmenter de plus de 30% les résistances en traction. Comme le montre la figure 6, nous pouvons distinguer trois domaines de comportement en fonction du niveau de fissuration de la matrice.
Phase 1: élastiquePhase 1: élastique
Phase 3: matrice fissuréePhase 3: matrice fissurée
Phase 2: apparition et propagation des fissures
Figure 6 Loi de comportement en traction de composite UD pultrudé (% %20=fV )
Par contre, en compression, si la méthode d’essai limite les mécanismes de flambage ou micro-flambage, nous obtenons des lois de comportement quasi-linéaire jusqu’à rupture (Figure 7).
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MATMATMCMC
PUPU
PCPC
Figure 7 Lois de comportement en compression de composite UD pultrudé
Le dimensionnement des éléments structuraux a été développé d’une part en appliquant la théorie des plaques stratifiées [Réf. 3] au composite fibres-matrice minérale. Comme le montre la figure 8, il est possible d’établir pour chaque formulation la matrice de rigidité de la couche élémentaire dans ses axes d’orthotropie et ensuite de déterminer la matrice transformée en fonction de l’orientation de la couche par rapport au repère de la structure considérée. Ces jeux de données peuvent ensuite être introduits dans des codes de calcul numérique classiques (éléments finis).
MC
PC
MC
PC
Lois de comportementMatrices de rigidité (phase I)
MPa
MPa Figure 8 Matrice de rigidité du composite dans ses axes d’orthotropie
La prise en considération du confinement et du renforcement vis-à-vis de l’effort tranchant par la technique de tressage considère une approche proche de celle du béton armé [Réf. 5]. Les expression de calcul données dans la figure 9 permettent d’évaluer les efforts repris en cisaillement par des tresses en fonction de leur orientation, de leur section et du pas de tressage. La validation de l’ensemble de la démarche de dimensionnement [Réf. 5] a été confirmée par des expérimentations sur des poutres testées en flexion circulaire (Figure 10) jusqu’à rupture.
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� Approche de la rupture
– effort tranchant résistant de la poutre renforcée
Poutre renforcées
Poutre non renforcées
Renforcement par tressage
Renforcement par stratification
Poutre renforcées
Poutre non renforcées
Renforcement par tressage
Renforcement par stratification
Figure 9 Prise en compte du tressage vis-à-vis du renforcement au cisaillement
Figure 10 Augmentation des charges de ruine des poutres en fonction des modes de renforcement
4. APPLICATION A LA REALISATION D’UN DEMONSTRATEUR POUR JUGER DE LA DURABLITE DES COMPOSITES DANS DES CONDITIONS D’ENVI RONNEMENT REELLES
Au terme du projet Contex-t, nous avons réalisé un bâtiment expérimental instrumenté et implanté en zone lyonnaise pour suivre le vieillissement du matériau et des éléments structuraux (Figure 11). Les premiers résultats confirme la très grande stabilité du composite établie au laboratoire ([Réf. 1]. Le suivi de l’ouvrage sera assuré pendant dix ans.
Figure 11 Différentes étapes de construction du bâtiment expérimental exposé en Région Lyonnaise
CONCLUSION
� Approche de la rupture
– effort tranchant résistant du renforcement par stratification
– effort tranchant résistant du renforcement par tressage
(Khalifa, 98) (Chen, 03) (Triantafillou, 06)
Méthode EuroCode 2
EuroCode 2EuroCode 2
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Le procédé LAMTEXTRESS permet de produire industriellement suivant des technologies de transformation spécifiques à la plasturgie des éléments structuraux (poutres, poteaux, panneaux sandwich) en composites fibres-matrices minérales (TRC). Il faut souligner l’intérêt de ces matériaux vis-à-vis des conditions d’hygiène et de sécurité lors de leur ellaboration (pas de solvants, pas d’emission de gaz), leur parfaite stabilité et résistance vis-à-vis des conditions d’incendie et la possibilité de les recycler en fin de vie après broyage comme charges au sein de matériaux de construction.
BIBLIOGRAPHIE
[1] H. Cuypers, Van Ittebeek, E. De Bolster, J. Wastiels, Durability of cementitous composites, Composites in construction (CCC 2005), 3rd International Conférence, France, Lyon, 2005, p. 1205-1212. [2] Brevet LAMTEXTRESS, Brevet N° 2921-394, 07 06597, Comp osant de construction renforcé, Spiraltex Industrie. [3] J-M. Berthelot, Matériaux composites : comportement mécanique et analyse des structures, 3ème édition 1999, Edition TEC et DOC, Paris. [4] G. Promis, A. Gabor, P. Hamelin, Comportement de poutres renforcées par composites à matrice minérales, Compte rendu des Journées Nationales sur les Composites, JNC16, Toulouse, 2009. [5] P. Hamelin, G. Promis, A. Gabor, 3D-2D braiding technology for composite beam confinement, 10th International conference on textile composite, Texcomp, octobre 2010, Lille.