Méthode d'évaluation non-destructive de la qualité du collage des composites de renforcement ...

321 Pages·2017·22.16 MB·French

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HESE

Présentée par :
Astrid BILLON

Pour obtenir le grade de :
DOCTEUR DE L’UNIVERSITE PARIS-EST

Spécialité :
Génie Civil

Sujet de la thèse :
Méthode d’évaluation non-destructive
de la qualité du collage
des composites de renforcement pour le génie civil

Thèse présentée et soutenue le 08 décembre 2016 à Marne-la-Vallée devant le jury composé de :

Emmanuel FERRIER Professeur – Université de Lyon Président du jury
Frédéric JACQUEMIN Professeur – Université de Nantes Rapporteur
Julien JUMEL Maître de Conférences – Université de Bordeaux Rapporteur
Yvon GICQUEL Ingénieur – Sika France SAS Membre invité
Jean-Paul BALAYSSAC Professeur – Insa Toulouse Examinateur
Marc QUIERTANT Chercheur – IFSTTAR Examinateur
Romain MAURIN Ingénieur de recherche – EDF R&D Examinateur
Frédéric TAILLADE Ingénieur de recherche – EDF R&D Co-directeur de thèse
Karim BENZARTI Directeur de recherche – IFSTTAR Directeur de thèse

Résumé de la thèse
Dans le secteur du génie civil, le renforcement structural et la réparation des ouvrages en béton
par collage de polymère renforcé de fibres de carbone (PRFC) sont des techniques désormais
répandues. Les performances et la durabilité du système de renforcement sont intrinsèquement liées
à la qualité du collage entre le matériau composite et le béton. Or, en pratique, les conditions
environnementales et les contraintes liées au chantier ne permettent pas toujours d’assurer l’intégrité
de ce collage, dont les propriétés évoluent par ailleurs dans le temps en raison des phénomènes de
vieillissement. L’évaluation in-situ par une méthode non-destructive de la qualité du collage est donc
une étape importante pour garantir les propriétés d'usage tout au long de la vie du renforcement.
Une méthode d’évaluation non-destructive est développée dans le cadre de cette étude. Elle
s’inspire de l’essai standard d’arrachement en traction directe bien connu sur le terrain. La méthode
repose sur un essai mécanique qui caractérise le comportement charge – déplacement de
l’assemblage, et permet d’exprimer un critère d’évaluation appelé raideur d’assemblage qui dépend
notamment du module d’Young de l’adhésif utilisé.
La faisabilité en laboratoire de cette méthode est vérifiée sur un dispositif d’essai entièrement
conçu pour les fins de l’étude. Un travail d’analyse et de dimensionnement basé sur une modélisation
numérique par éléments finis permet de sélectionner des capteurs et une chaîne d’acquisition adaptés.
Une formulation analytique partielle de la raideur d’assemblage est énoncée.
Une campagne expérimentale sur des éprouvettes de béton renforcées par lamelles de PRFC
avec trois adhésifs époxy différents est ensuite mise en œuvre. Les résultats sont interprétés en
suivant une approche statistique qui prend en compte les variations de tous les paramètres d’influence.
Les performances de détection de l’essai dans le cadre de notre application en laboratoire peuvent
ainsi être exprimées.
Des éléments contribuant à l’élaboration d’une méthodologie d’essai applicable in-situ sont
apportés, et les performances de l’essai sont rediscutées en vue de cette transposition sur le terrain.

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Abstract
Over the last 30 years, repairing and strengthening techniques of concrete structures using
externally bonded carbon fiber reinforced polymer (CFRP) composites have gained much popularity
and are now widespread. The effectiveness of the strengthening systems highly depends on the level
of adhesion between the composite material and the concrete surface. Therefore, on-site evaluation
of the bond quality is crucial to assess the performance and predict the durability of the reinforcement
system.
It is proposed to determine the bond properties of the adhesive layer within the reinforcement
system by using a nondestructive test (NDT) method derived from the standard and well-known pull-
off test. This method consists in analyzing the linear load vs displacement behavior of the adhesive
joint, in order to determine an assembly stiffness which can be related to the Young’s modulus of the
adhesive layer.
In order to investigate the feasibility of the test method, a laboratory implementation is carried out
on a mechanical device fully designed for the purpose of the present study. Suitable displacement
sensors and an appropriate measurement chain are chosen based on a finite element modeling and a
mechanical analysis of the test. A partial analytical form of the assembly stiffness is also expressed.
The test method is then applied to concrete slabs reinforced with CFRP plates using three different
epoxy adhesives. A statistical assessment of all identified parameters of influence sheds light on the
results. In the end, the performances of the test performed in laboratory conditions are discussed.
Finally, foundations for a relevant test methodology on real field conditions are laid, and the above-
mentioned performances are reviewed.
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Remerciements
Je tiens tout d’abord à remercier l’ensemble des membres du jury de soutenance pour avoir bien
voulu examiner ce travail, et en particulier M. Emmanuel Ferrier pour avoir accepté de présider ce jury,
et mes rapporteurs, MM. Frédéric Jacquemin et Julien Jumel, pour leurs critiques, commentaires et
suggestions constructives.
Je souhaiterais également exprimer toute ma gratitude à mon directeur de thèse,
M. Karim Benzarti, à mon co-directeur de thèse, M. Frédéric Taillade, ainsi qu’à mes conseillers
d’étude, MM. Jean-Marie Hénault, Marc Quiertant et Romain Maurin, pour m’avoir accompagnée
pendant ces trois années et pour tout ce que j’ai appris à leurs côtés au cours de ce cheminement.
Je voudrais aussi adresser mes remerciements à MM. Pierre Marchand et Arnaud Barthet, pour
m’avoir accueillie dans leurs unités et m’avoir permis de travailler dans de bonnes conditions, ainsi
qu’à M. Christophe Aubagnac pour avoir rendu possible la réalisation d’une partie des essais dans son
équipe. Merci également à M. Jean-Luc Clément pour avoir veillé au bon déroulement de cette thèse.
Au long de ce chemin, j’ai rencontré trois personnes, qui m’ont fait profiter de leurs grandes
qualités techniques et humaines : Jean-Claude Renaud, Arnaud Rolland et Jean-François Bouteloup.
Un grand merci à eux, ce travail est aussi le leur.
Je souhaiterais remercier, d’une manière générale, l’ensemble des techniciens avec qui j’ai eu la
chance de travailler, dont les grandes compétences techniques sont essentielles à toute activité
expérimentale. Celles de Joël Billo, Marc Estivin et Franck Guirardo de l’IFSTTAR, et d’André Fléty,
du Cerema à Autun, ont été cruciales pendant cette thèse. Merci également pour leur bonne humeur
contagieuse.
Un grand merci à Erick Merliot pour le temps et la patience qu’il m’a accordés pour me former à
la CAO.
J’aimerais également remercier Gaël Jan et Hervé Delcroix de Solartron – Ametek pour cette
collaboration fructueuse, et pour leur assistance pendant la campagne expérimentale.
Des remerciements chaleureux vont à mes trois stagiaires, Rachel Osmundsen, Elodie Dangla et
Sophie-Ingrid Kwamou, pour leur investissement et la qualité des résultats obtenus pendant leur stage.
J’ai beaucoup appris d’elles.
Je pense également à mes co-bureaux et compagnons de labeur. Leur présence à mes côtés a
été très précieuse pendant ces longs mois : Pierre Lecomte, Ting Yu, Hajer Rebai et Amaury Herrera.
Je souhaite toute la réussite méritée à ceux qui vont soutenir !
Merci à tous mes collègues de la dalle d’essai : Renaud-Pierre, Florent, Lénaïc, Yolaine, Olfa,
Lucas, Badreddine, Sébastien, Anne-Sophie, Benjamin, Nina, Nissrine, Claude, André, Yannick,
Franziska, Jean-François,… et des autres laboratoires de l’IFSTTAR : Fabienne, Dinarzed, Issam,
Nadia, Stéphane, Franck, Bruno, Marion, Anaïs, Ousseynou, Chi-Wei, Matthieu, Aiman, Dominique…
pour leur agréable compagnie pendant ces quelques mois passés avec eux.
Merci à mes collègues d’EDF, dont certains ont aussi apporté une contribution précieuse à ce
travail, pour leur compagnie non moins agréable : Barthélémy, Alexandre, Pascal, Hoël, Denis,
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Nicolas, Didier, Camélia, Maciej, Vincent, Emmanuel, Benjamin, Hervé, Clothilde, Fabrice, Guy, Bruno,
Edouard, Jennifer, Côme, Louis, Marie, Jérôme, Laurent, Mario, Gautier, Jean,…
Merci aux membres de l’équipe d’Autun pour m’avoir accueillie parmi eux pendant ces quelques
jours d’essai : Corentin, Arnaud, Jérémy, Olivier,…
Je tiens aussi à remercier les assistants, aussi bien à EDF qu’à l’IFSTTAR, pour leur aide et leur
patience rare dans la résolution des problèmes administratifs (et pour les séances de coaching avec
certaines) : Aurélie, Stéphanie, Maryté, Pascal, Morgane, Isabelle, Valérie, Minh, Agnès, Cécile…
Enfin, j’adresse un remerciement tout particulier à mes proches, famille et amis, et à mon
compagnon, Pierre-Louis, pour leur soutien indéfectible.

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