Béton de résine polyester application au domaine du génie civil

B6ton de r6sine polyester Applicat ion au domaine du g6nie civil

D. PRIN (') et J.C. CUBAUD (~)

Cette Otude contribue gt la mise au point d'un mat~riau nouveau : le bOton de rOsine polyester, et ~ son utilisation clans la rOalisation d'une structure en voile mince autoportante.

Quelques donnOes bibliographiques sur les liants et les bdtons de rgsines synth&iques conduisent au choix des r~.sines polyesters en raison de leurs performances et de leur prix.

La mise au point du matOriau bOton de rOsine polyester est entreprise : en premier lieu sa composition, sa technologie de fabrication, puis ses propriOtOs physico-chimiques, enfin ses propri~tOs m~caniques sous diverses sollicitations et en Jonction de divers fiwteurs (~tuvage, catalyse, agents anti-retrait, @rouvettes t~moins, temperature, temps).

Ce matc~riau est utilisO pour la r~;alisation d'une structure en voile mince de 12 m de portOe.

AprOs la construction d'un moule et la mise au point de la Jabrication des pidces, des coques sont expdriment~es en vraie grandeur . sous moment constant, sous charge r@artie et sous un gradient de temperature. Une comparaison du comportement expOrimental et de sehOmas th~oriques de calcul des structures est eff~,ctu~;e.

I. I N T R O D U C T I O N : MATERIAUX NOUVEAUX

ET BATIMENT

Les applications des mat6riaux composites dans l'industrie se d6veloppent rapidement pour des applications non structurales mais avancent tr6s lentement vers les applications structurales.

Dans le domaine de l 'Habitat et de l 'Urbanisme, le principal frein ",k l'utilisation des mat6riaux composites nouveaux est la difficult6 de la caract6risation structurelle et le manque de sch6mas permettant de prdvoir le comportement ult6rieur des structures. Les applications des mat6riaux nouveaux sont donc limit6es h des fonctions non porteuses (protection anti-usure, anti-corrosion, remplissage), ou ~t des 616- ments fi sollicitations simples (tubes, tuyaux, r6servoirs). Une bonne connaissance des lois de comportement autoriserait des utilisations dans des formes "h fonction porteuse (couverture, dalle de grande port6e par exemple).

En outre, ces mat6riaux permettent potentiellement de ne pas fixer les formes structurales et donnent

~') Ing+nieur INSA, Docteur lng6nieur, Maitre-Assistant, Laboratoire des B6tons et Structures, D6partement G+nie Civil et Urbanisme, Institut National des Sciences Appliqu6es de Lyon.

(2) Ing6nieur [NSA, Docteur ~s Sciences, Professeur, Labo- ratoire des Betons et Structures, D6partement Gdnie Civil et Urbanisme, Institut National des Sciences Appliqu6es de Lyon~

ainsi libre cours ",k la recherche architecturale des ~ modes d'habiter ~ adapt6s aux exigences de qualit6 et de mieux 6tre de nos contemporains.

2. BI~TONS ET MORTIERS DE RI~SINE SYN- THI~TIQUE

L'adh6rence et le pouvoir de colle remarquable des r6sines les a fait utiliser comme enduits pour la protection des surfaces dans des combinaisons o6 entraient de plus en plus de charges min6rales. L'id6e est naturellement venue de r6aliser des ~ mortiers et b6tons de r6sines ~ dont le liant est constitu6 uniquement par les polym6res thermodurcissables en remplacement du ciment et de l'eau.

Le b6ton de ciment est lourd, on utilise une grande partie de sa r6sistance fi porter son poids propre; il a un temps de prise tr6s long et il est tr6s peu r6sistant

la traction. Au contraire, les r6sines sont des mati6res d'assem-

blage aux excellentes propri6t6s m6caniques capables de transmettre les efforts de traction et de cisaillement. Suivant la nature du liant synth6tique, les r6sistances

la compression peuvent 6tre 3 ~ 4 fois plus 61ev6es que celles d 'un beton fi liant de ciment (r6sistance moyenne ~. la compression simple ",k 20 ~ d'un b6ton polyester : i 000 bars, 1 200 bars pour un b6ton 6poxy) et les r6sistances en traction h 20 ~ 5 fi 7 fois plus grandes (en moyenne 300 bars en traction-flexion

291

V O L . 8 - N ~ 4 6 - M A T I ~ R I A U X E T C O N S T R U C T I O N S

pour un b6ton polyester, 280 bars pour un b~ton 6poxy) ce qui conf~re aux structures en b~ton de r6sine une plus grande ldg+ret~ dans la mesure o/1 la formulation du liant est correcte et la granulom6trie des charges bien 6tudi6e [1].

Le temps de prise est tr6s court : on obtient un pourcentage ~lev6 de la r~sistance maximale 24 heures seulement apr~s la mise en oeuvre et Ie d~moulage peut se faire entre quelques minutes et quelques heures apr6s le coulage suivant les proportions de durcisseur utilis~es. Les b6tons de r~sines sont plus plastiques, plus collants et poss6dent une bonne adh6rence sur b6ton de ciment et sur eux-mames. Ils sont en g6n6ral 6tanches et poss6dent une bonne inertie chimique.

Les caract6ristiques particuli6res de ces b6tons, ~i savoir les r6sistances m6caniques, l'imperm6abilit6 /t l'eau, le durcissement rapide, la r6sis.tance/t l'usure, etc., se situent exactement 1/~ oti.~elles du b6ton de ciment se trouvent limit6es.

Les agr6gats susceptibles d'atre utilis6s sont le gravier, la poudre de quartz et le sable quartzeux, la silice et le calcaire, la craie ainsi que le laitier de haut fourneau, les argiles expans6es.

L'excellente adh+sivit~ des polym6res qui constituent la matrice d'assemblage des grains min&aux permet donc d'obtenir des compounds aux propri6t6s m6caniques exceptionnelles capables dans une structure de reprendre par eux-m6mes les efforts de traction et de cisaillement. Outre ces r6sistances m6caniques, les betons de r6sine offrent des qualit6s propres teIles que leur inertie chimique (r6sistances aux intemp6ries et aux atmosph6res corrosives), leur 6tanch~it6 parfaite, leur r6sistance fi l'usure et leur isolation thermique et 61ectrique qui permettent de r6aliser des 616ments de structures r6pondant fi des exigences fonctionnelles diversifi6es.

2.1. Principales propri~t~s du b~ton de r~sine synth~- tique sur la base'lie polyesters non satur~s

Suivant la composition granulom6trique, le type de r6sine, la teneur en r6sine et le degr6 de compactage, on obtient, apr+s durcissement un mat6riau dont les caract6ri.stiques prennent les valeurs suivantes (fig 1 et 2) :

- - R6sistance ",i la compression . . . . . . . . . . . . . . . . . 700 fi 1 500 daN/cm2;

1 0 3 7

22O

10OO

10o(

m

800 ]

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/ / . o o , o s vo,ome,*,Ooe

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1 S 10 15 2 0 3 0 4 0

m a t i e r e de charge / l i a n t | on p o i d s )

F i g . l . - - B~ton de r~sine polyester. Caract~ristiques m~caniques.

292

%

D, P R I N - J. C. C U B A U D

% 0,5_

0,4_

0 ,3 .

o,2_

0,1

x x

" ~ E: m o d u l e d 'e las t i c i te m o y e n i / \ \ [ p o u r c o n t r a i n t e jusqu'~l H

i / ! ! " \

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d y n a m i q u e ~ ~

~ : c o e f f i c i e n t de P o i s s o n m o y . p o u r c o n t r a i n t e j u s q u ' a H p o u r c o n t r a i n t e j usqu '& H

3 ,i

I I I I" I $ lO i s '~o "~o

m l t l l i r l d a � 9 / l i i n t ~ e n p o l d l )

Fig. 2. - - B6ton de r~sine polyester. Caract6ristiques mficaniques.

r-,--........, j f

" ~ - - - - - - - - _ _ _ _ . _ _ _ _ ~

, i / G : m o d u l e m o y e n en c i s a i i l e m e n t

4 0

- - resistance 5_ la traction- flexion . . . . . . . . . . . . . . . 180 5_ 350 daN/cm 2;

- - coefficient de dilatation thermique . . . . . . . . . . . . 10 5_ 18.10- 6 mm/oC;

- - coefficient de conducti- bilit6 . . . . . . . . . . . . . . . . 0,8 ~ 2 kcal/mh ~

- - densit6 . . . . . . . . . . . . . . 1,4 5_ 2,4 kg/dm3; - - imperm~abilite, absorp-

tion d'eau . . . . . . . . . . . 0,05 %; - - module d'61asticit6

(Young) . . . . . . . . . . . . . 200 5_ 400 000 daN/cm 2; - - coefficient de fluage.. . < 3; - - friabilit6 . . . . . . . . . . . . . 0,025.cm3/cm 2 suivant

DIN 52.108.

Une absorption d'eau de moins de 1% du poids signifie que le beton polyester n'absorbe que l'eau adherant 5_ la surface et qu'il ne penetre point d 'eau dans le matbriau; ceci garantit la tenue au gel du beton de polyester.

2 . 2 . L e s l i a n t s d e s b 6 t o n s d e r 6 s i n e .

Parmi les resines thermodurcissables, les resines uree-formol ont une mauvaise tenue 5_ rhumiditS; les resines furaniques doivent ~tre polymerisees 5_ des temperatures certes peu 6levees (30 5_ 35~ mais pendant plusieurs jours et leurs proprietes mecaniques sont mediocres.

Les rSsines phenoliques demandent une polymerisation 5, chaud p o u r offrir de 15onnes proprietes mecaniques mais elles vieillissent mal (friabilit6 et farinage de la surface, coloration).

Les resines 6poxydes et polyesters offrent des proprietes intSressantes souvent proches (excellentes pro- priet~s rnecaniques et chimiques, bon vieillissement). Si les premieres sont les plus onereuses, les secondes ont un retrait plus important.

Le durcissement d'une resine 6poxyde fait appel 5, une reaction de polyaddition avec un durcisseur par ouverture des liaisons qui attachent l'oxygene ~poxy en bout de chaines. S'agissant de la combinaison de deux molecules differentes, il est primordial que resine et durcisseur soient melanges dans leur juste proportion stochiometrique. On ne peut alors se rendre maitre du temps de prise qu'en agissant sur la temperature.

Le durcissement peut etre obtenu en 48 heures environ 5, 20~ il est fortement differ6 si la temperature descend en-dessous de 15~ et quasi-stopp(? au-dessous de 10~ L'apport d'un accelerateur se revele souvent necessaire pour obtenir le durcissement complet et un caractare prononc6 de thermodurci, mais cela conduit 5_ une fragilit6 plus grande du produit durci.

En revanche, le durcissement des resines polyesters fait appel 5_ une rSaction de polymerisation par ouver-

293

V O L . 8 - N ~ 46 - M A T F R I A U X ET C O N S T R U C T I O N S

ture d'une double liaison du polyester vrai et du monom6re solvant sous l'impulsion d'un catalyseur.

L'emploi d'un acc616rateur permet d'obtenir plus rapidement le durcissement "a froid. En jouant sur les proportions de ces initiateurs suivant les conditions ambiantes on peut se rendre maitre du temps de pri+e de quelques minutes A plusieurs jours.

Les r6sines polyesters ont par ailleurs une viscosit6 plus faible: Elles permettent donc une mise en oeuvre plus simple que les 6poxydes. Or pour des utilisations dans le domaine du B+atiment et du G6nie Civil, il est n6cessaire de promouvoir des mat6riaux de bas prix et de mise en oeuvre facile. Ce crit~re bconomique a conduit/t la mise au point de b6tons de r6sines 6poxy /t tr~s faible teneur en liant obtenus par laminage et vibro-compactage A chaud (commercialis6s sous le nora de Beruc), donc suivant une mise en oeuvre difficile qui ne pennet la r~alisation que d'616ments plans ou A g6om~trie de translation.

Notre laboratoire a orient~ ses recherches vers les liants polyesters dont le prix est quatre fois plus faible que les liants 6poxydes qui nous ont pennis de formuler suivant une mise en oeuvre simple des b6tons aux propri6t6s tr~s voisines des b~tons 6poxydes.

Fig . 4. - - R 6 s i s t a n c e en c o m p r e s s i o n d ' u n b~ton de r+sine polyester en fonction du pourcentage de liant (rGsine Rhodester 3016) et du pourcentage de f i l lers) .

3. BI~TON DE RI~SINE POLYESTER

3.1. Composition granulaire des b~tons de rGsine polyester

La composition du b6ton s'effectue sur les bases de 'la MOthode Faury [3] en remplar le volume des vides par la r6sine polyester et le ciment par des fillers (silice d 100). Les charges sont constitutes par des granulats de silice (D .... = 10 mm).

Une 6tude [2] ~ partir de divers liants polyesters en faisant varier les pourcentages de r+sine et de fillers

.1 - - 300 b a r

RESISTANC E

- 2 s o /

2.330 . ... /

2.310 " ,1SO " ....

: - /

/ -.,o+,+/ .'q 2.270 [ ///..., / '

/ / ' ' , / t .b , /1

r z -

Fig . 3. - - R ~ s i s t a n c e en t r a c t l o n - t t e x l o n d ' u n b~ton de r~sine polyester en fonction du poureentage de fiant (r~sine Rhodester 3016) et du pourcentage de f i l lers .

294

a permis de s61ectionner les liants polyesters les meilleurs sur les crit6res de la compacit6 du b6ton et des r6sistances ~ la rupture en compression et en traction- flexion (fig. 3 et 4).

Les deux probl6mes les plus pr6occupants li6s aux r6sines polyesters sont leur retrait important et leur sensibilit~ ~ la temp6rature qui les rend d6formables.

�9 ~ K t

m+ .+i+ _ ,+__

3 - - ~ - ~ i~!

5 - - - -77 ~ "

9 - - ++~ ~ 1 0 - - ~:! i : + ~ !

m ~ 5?+? i~+{ 1 6 - - =: :::++::=

in, ~:. i i 18--. .:;r :~+++++.. ~ - - - ~ i ~ 2 2 - - - - ~ 24-- ~ P+~

2 8 - - - -~+ ........ ~:+tt+++i:: ao--}ilN 3 2 - - iiii

60 ~ ::::m::

Fig . 5. - - V a l e u r s du c o e f f i c i e n t K' .

TABLEAU I Valeur~ du Coefficient K

D. P R I N - J. C. C U B A U D

Consistance

du

b~ton

Moyens de mise

en ~uvre du

b6ton

2 2

Piquage Damage 0,31 A 0,34 0,32 ~ 0,36 0,33 h 0,38 MoUe

Vibration faible 0,29 ~ 0,30 0,30 A 0,31 0,31 ~ 0,32

Vibration moyenne 0,28 ~t 0,29 0,29 h 0,30 0,30 h 0,31 Normale

Vibration pouss~e 0,27 0,28 0,29

Ferme Vibration puissante ~< 0,26 ~< 0,27 ~< 0,28

Mat6riaux utilis~s

gxanulats < D r~ <2-D concass~s

> Droul6s granulats > D concass~s

Ces deux facteurs sont lids 5. la nature organique du liant; ils ont d'autant moins d'influence que le taux de resine est faible.

Dans cette optique et sur les bases de l'6tude prece- dente, nous avons mis sur pied une methode de composition adaptee aux betons de resine.

Nous determinons la quantite de liant en fonction de l'indice des vides de M. Caquot, de la viscosite du liant, de la consistance desiree du beton frais et des moyens de vibration. Le volume du liant en metre cube est 6gal ',i

K VL--,x~ + K',

formule darts laquelle D (dimension du grain le plus gros) est en millimetres; K est un coefficient numerique dont la valeur est prise dans le tableau l; K' est fonction de la viscosite v du liant 5. la temperature de raise en oeuvre (v en poise). Sa valeur est lue sur l'echelle fonctionnelle de la figure 5.

Le dosage des fillers est obtenu en pourcentage de volume absolu par la formule :

v 2 v~ (%) = PL ~ - - (/o) + 6 100'

PL est le pourcentage en poids du liant et v la viscosit6 du liant en poise.

La composition des autres granulats s'obtient par methode graphiqud(A. Joisel [4]) en regard d'une courbe de reference du type << Faury >>.

la vitesse de polymerisation (en abaissant la temperature 5. laquelle le catalyseur est susceptible de livrer les radicaux libres amorqant la reaction), et amene le durcissement du liant au bout d'un temps plus ou moins long suivant sa quantit6, la temperature de l'ambiance ou des materiaux en presence, s'ils sont 5. une temperature differente de celle ambiante.

I1 convient de melanger le liant fi la main ou mieux au moyen d'un agitateur jusqu'5, une parfaite homo- gdndite, avant de l'introduire dans le malaxeur.

Les granulats courants peuvent atre calcaires ou siliceux. Ils doivent atre depourvus de tout element pulverulent, inferieurs 5. 20g environ (argile par exemple). En outre, ils doivent presenter une teneur en eau <1% o au risque de voir les resistances mecaniques chuter.

3.2. Technoiogie de fabrication

Le liant est constitue de la resine polyester fi laquelle on ajoute le catalyseur (peroxyde).

Le melange resine-catalyseur peut se conserver pendant plusieurs jours (environ 3 jours fi 20~ 5. la temperature ordinaire. Par elevation de la temperature au-dels, de 80~ la resine polymerise et se durcit (environ 2 heures 5. 80~ et 1 heure 5. 120~

A la temperature ordinaire, pour obtenir un durcissement rapide, on ajoute au melange resine-catalyseur un accelerateur qui comme son nom l'indique, au~nente Fig. 6. - - Malaxeur pour mortiers et b&ons de rdsine.

295

V O L . 8 - N ~ 4 6 - M A T E R I A U X E T C O N S T R U C T I O N S

Pour le malaxage le type d'appareil le mieux adapt6 est constitu6 d'une cuve cylindrique horizontale fixe avec bras raclant vertical tangent anita6 d'un mouvement circulaire et une vis h~licoidale animde d'un mouvement plan6taire sensiblement tangent 5. la cuve pour la fabrication des mortiers et d6centr~e pour celle des b6tons (fig. 6). Une parfaite homog~n6it6 est obtenue pour un temps de malaxage de 30 secondes /t 1 minute. I1 convient en effet, de limiter le temps de malaxage pour obtenir le minimum d'air occlus dans le b6ton.

Le b6ton ou le mortier peut ~tre dam6 ou vibr& L'6nergie de vibration doit atre d'autant plus forte que la consistance du b6ton est ferme et la dur6e de la vibration d'autant plus longue que l'air occlus est important.

La vibration par aiguille pneurnatique est fi d6conseiller car son efficacit6 est faible, sauf en vibration d'appoint. La vibration peut s'op6rer par des vibreurs ext6rieurs fixds au moule ou par l'intermddiaire d'un marbre sous lequel sont fix6s les vibreurs et sur lequel est fix~ le moule.

En fait, une raise en place efficace ne peut 6tre obtenue qu'en utilisant la technique de vibro- compactage du b6ton.

3.3. Variations dimensionnelles pendant le durcissement

Le retrait important des r6sines polyesters entraine des variations dimensionnelles du b6ton lors de sa prise qui peuvent donner lieu 5. une fissuration et parfois marne 5_ la ruine d'une piece massive ou 5.

296

F i g . 7. - - l~tude du retrait volumique d'un mortier agents antiretrait.

polyester. Action de difl'~rents

,-F~

-2

Variatlr In t %oVOlUlT Iques�9 ~

-8

F i g . 8. - - Etude du

\

t '

,~rature~ des dit ~rents

fort bole 1

I

retrait volumique d'un mortier polyester. Action du monom~re M Z .

D. PR IN - J. C. C U B A U D

variation brutale de section. Nous avons donc recherch6 des agents gonflants susceptibles de contrecarrer ce retrait sans nuire aux qualit6s m6caniques du mat6riau.

Les variations volumiques d'un 6chantillon sph6rique sont suivies durant sa prise par mesure de la variation de la pouss6e d'Archim+de de l'6chantillon sur une balance hydrostatique en enceinte adiabatique.

Sur la figure 7 rassemblant divers agents anti- retrait, nous notons que le monom6re de styrene MZ offre la meilleure efficacit6 puisqu'il permet de limiter le retrait voire m~me d'assurer un 16ger gonflement comme le montre la figure 8.

3.4. Caract~ristiques m~caniques

Le mat6riau formula, l'6tude technologique nous ont permis d'en mahriser la raise en oeuvre et de passer ~ l'analyse de son comportement une fois durci. Son comportement m6canique sous les sollicitations simples d6note des domaines d'61asticit6 quasi-lin6aire pour des vitesses de chargement rapides.

En compression simple ce domaine d'61asticit6 s'6tend jusqu"a un taux de contrainte moiti6 de celui de la rupture. En traction simple ce domaine s'6tend jusqu'fi. rupture. En flexion ce phenom6ne varie avec l'61an- cement de l'6prouvette. Si l'on note une fonction contrainte-d6formation lin6aire sur des 6prouvettes

faible 61ancement sur des poutres de 3 m de port6e libre il n'en est plus de m~me. Nous observons un gauchissement faible des sections droites et surtout la position de l'axe neutre au-dessus du CDG de la section du c6t6 comprim6.

Le traitement des r6sultats par analyse statistique, nous permet de cerner les diff6rents parametres influen- r propri6t6s m6caniques du b6ton polyester.

Le systeme de catalyse intervient sur la vitesse d'acquisition des r6sistances m6caniques mais pe u sur les valeurs des r6sistances finales.

La pr6sence d'agents anti-retrait dans le liant augmente 16gerement la r6sistance ~ rupture en flexion et traction mais diminue de 20 ~o environ la r6sistance

la rupture de compression.

Le mode de conservation (6tuvage-conservation b. temp6rature ambiante) a une influence sur la vitesse de durcissement : l'6tuvage permet d'obtenir en quelques heures les r6sistances m6caniques optimales qui sont 16g6rement plus faibles en conservation ambiante et ceci d'autant plus que la temp6rature est basse.

Enfin une 616vation de la temp6rature du b6ton durci am6ne une chute des caract6ristiques m6caniques plus ou moins prononc6e suivant les r6sines polyesters. La pr6sence des agents anti-retrait accentue cette sensibilit6 & la temp6rature.

Nous notons pour finir l'influence de la forme, des dimensions�9 des 6prouvettes et de la nature de l'essai pratiqu6 sur les valeurs des r6sistanc~s m6ca- niques 'a rupture.

Par exemple,, darts l'essai de flexion trois points, la r6sistance h rupture diminue lorsque l'61ancement de l'6prouvette croh (fig. 9).

Ou encore dans l'essai de compression sur cubes, la r6sistance 5. rupture d+croit lin6airement lorsque la section du cube augmente (fig. 10).

.R6sistarlce .~\ I~ 'u ure en tract,onTl~,a upt~r.

320 \ \

= \ l

e),4 t-t

2 2 0

~)~lancement ~carternent des 1Ocm

app~is

[ \

10

. . . . .

I I

---...._j

30cm

F i g . 9. - - R ~ s i s t a n c e en t r a c t i o n - f l e x i o n d ' u n b~ton polyester en f o n c t i o n de I ' ~ l a n c e m e n t de I ' ~ p r o u v e t t e .

=Re~Sten~l ~ a la rupture

11OO

\

%, L s

i

5 0 10 Section du cuL e en cm 2 2q ~0 F i g . 10. - - R ~ s i s t a n c e en c o m p r e s s i o n d ' u n cube en b~ton de r~s ine

polyester en f o u c t i o n de s a s e c t i o n .

Enfin, la r6sistance ~ rupture en traction simple est de l'ordre de la moiti6 de la r6sistance ft. rupture en flexion.

I~es d6formations diff6r6es sous charge de longue dur6e sont limit6es si la maturation du mat6riau est

297

V O L . 8 - N ~ 4 6 - M A T F R I A U X ET C O N S T R U C T I O N S

compldte (polymdrisation du liant) et la tempdrature de l'ambiance normale (infdrieure 5. 30~ Par exemple sous une contrainte d'utilisation moitid de la contrainte de rupture les ddformations diffdrdes sont infdrieures aux ddformations instantandes et la stabilisation est rapide (1 /~ 3 mois).

4. UTILISATION DU BI~TON DE Rl~SINE POLY- ESTER POUR LA RI~ALISATION DE STRUC- TURES ~ TRAVAILLANTES 7>

Nous disposons d'un matdriau offrant des performances mdcaniques intdressantes - - rdsistance dlevde 5. la compression, rdsistance en traction non ndgligeable, module d'dlasticitd ldgdrement supdrieur 5. celui d'un bdton hydraulique - - rdsistant seul aux diverses sollicitations et d'une grande souplesse de raise en oeuvre.

La matidre organique crde trois probldmes importants qui s'opposent 5. une utilisation sore :

- - le retrait important des bdtons de rdsine polyester peut donner naissance 5. des contraintes internes de traction, occasionner la fissuration des sections fragiles et par suite entraTner la ruine de la structure. II est possible d'y remddier par l'adjonc- tion d'agents gonflants;

- - la sensibilitd 5. la tempdrature et l'inflammabilitd des polyesters sont souvent ddnoncdes; les bdtons de rdsine polyester ne sont pas facilement inflam- mables, mais leur sensibilit6 5. la tempdrature est bien le point le plus prdoccupant:

- - leur durabilitd, leur comportement sous charge de longue durde est satisfaisant 5. la tempdrature ambiante, pour des contraintes d'utilisation de l'ordre du tiers 5. la moitid de la contrainte de rupture, mais le comportement d'une structure soumise 5. de nombreuses variations de-tempdrature saisonnidres est encore inconnu. Celui-ci est lid au caractdre visqueux de la rdsine et 5. ses propridtds de << thermodurci 7> plus ou moins prononcd.

Le fluage et,'la sensibilit6 5. la tempdrature (jusqu'5. la tempdrature de fldchissement sous charge de la rdsine utilisde) peuvent etre rdduits au minimum :

- - par l'abaissement du taux de liant pour diminuer la matidre organique;

- - par la recherche de la plus forte compacitd de la granulomdtrie pour rendre plus difficile le glissement des grains;

- - par une polymdrisation compldte au moyen d'un dtuvage si ndcessaire pour amener 5. son opti- mum le caractdre <~ thermodurci >> du matdriau.

Des expdriences montrent que l'on obtient la ruine d'un dldment sous effort de longue durOe pour des ddformations diffdrdes trds peu supdrieures 5. la ddformation instantande provoquant la rupture corres- pondante.

Nous sommes donc en prdsence d'un matdriau dont le caract~re dlastique est trds prononcd; lorsque dans la section la plus sollicitde d'une structure, la ddformation de rupture est ddpassde, aucun dpanouissement de la ddformation sur les sections voisines ne se produit. Le matdriau ne << s'adapte pas >7 du fait de ses ddformations diffdrdes relativement limitdes meme sous

contrainte 61evde. La ruine intervient par amorce de rupture dans cette section.

Nous voyons 15. la ndcessit6 de disposer de mdthodes de calcul fiables pour dimensionner correcternent les sections d'une structure; l'effort dans une section trop faiblement dimensionnde n'ira pas se reporter vers les sections plus rdsistantes.

Si l'on ajoute 5. cela le coot 61ev6 du matdriau - - cinq 5. sept lois le prix d'un bdton hydraulique - - qui ne permet pas un surdimensionnement inconsiddr6 des sections par sdcuritd ou par crainte de la complexitd d'un calcul thdorique, il nous faut disposer de mdthodes de calcul avancdes permettant d'assurer un coefficient de sdcuritd rdel.

Ces mdthodes doivent tenir compte de l'ensemble des paramdtres thermodynamiques gdndraux, principalement les facteurs temps et tempdrature.

Nous voyons jaillir 5. ce niveau deux difficultds. D'une part le nombre de paramdtres importants n~?cessite des mdthodes de calcul lourdes et obligatoi- rement un support informatique et d'autre part les caractdristiques du matdriau constituant les donndes de ces mdthodes doivent 8tre ddtermindes en fonction du temps et de la tempdrature.

Nous ne disposons pas actuellement de telles md- rhodes de calcul permettant de traiter le probldme dans route sa gdndralitd.

Ceci nous fait ressentir la ndcessit6 d'une expdrimentation en vraie grandeur de toute structure pour accrdditer l'expdrimentation et contribuer fi mettre au point la mdthode de calcul soit au niveau thdorique, soit au niveau des paramdtres.

La bonne connaissance du matdriau associde fi une mdthode de calcul dvolude constitue un outil stir pour l'utilisation du bdton de rdsine suivant deux optiques :

- - rdpondre fi une exigence fonctionnelle au-del5. des limites actuelles des matdriaux traditionnels (planchers et surfaces de grande portde, structures 5. points porteurs 61oignes);

- - rdpondre fi une exigence architecturale en permettant la rdalisation de formes structurales libdrdes des contraintes imposdes jusque 15. par les matdriaux traditionnels. La mise en oeuvre souple et l'absence d'armatures permettent de gdndrer des formes quelconques sans avoir 5. y inscrire des droites.

Matdriau coOteux, le bdton de rdsine ne peut trouver d'utilisation qu'en faible masse. Cela conduit 5, drive- lopper soit des profilds minces,-soit des voiles minces.

C'est ce dernier type de structure que nous choisissons sous forme de coques minces fi double courbure de 12 m de portde libre. En effet le bdton de rdsine polyester possdde l'ensemble des qualitds que l'on demande 5. une couverture : d'excellentes performances mdcaniques permettant l'utilisation en faible dpaisseur et donc un alldgement de la couverture; une 6tan- chdit6 parfaite; un excellent vieillissement et une isolation thermique moyenne.

Chaque dldment de coque couvre une surface rectan- gulaire de 12,60 m x 2 m (fig. 1 1).

En l'absence d'une mdthode de calcul permettant de ddterminer une forme optimale et afin de faciliter la fabrication du mould, nous choisissons une surface

298


i~ - -12 ,60 m

Fig. I1. - - El6ment de coque en b6ton de r6sine polyester.

de translation d6finie par deux arcs de cercle dans des plans orthogonaux parall4les "a la longueur et "a la largeur du rectangle. Les concavit4s sont dirig6es en sens contraire de fagon ti ce que la courbure totale de la coque soit en tout point n6gative, facteur important de la stabilit6. Cette disposition permet l'6vacuation des eaux pluviales par les extr6mit6s. L'6paisseur de la coque est constante sur tout le p rof i le t ~gale 5. 50 mm.

Les principaux avantages de cette solution sont : - - la faible 4paisseur du profil transversal et donc

peu de mati6re inutile au niveau des fibres neutres; - - la grande rigidit6 due "a la courbure totale n~ga-

tive. Le moule est 4tudi6 pour effectuer verticalement

le coulage des coques. I1 est r6alis4 'a partir de 4 tronqons matrices et quatre tronqons poinqons en stratifi6 verre-polyester, rigidifi4s par une couche de b6ton de r6sine polyester. Les 4 trongons matrices assembl& constituent la pattie fixe du moule.

Les quatre tronqons poinqons sont indhpendants et viennent s'accrocher sur la partie fixe (.fig. 12).

L'implantation du chantier et la formulation du b4ton ne posent pas de difficult4s particuli4res.

La composition du b4ton est fare h partir d'agr6gats de nature siliceuse de qualit6 moyenne et de la r6sine Rhodester 3016 (tableau II).

TABLEAU I1 Composit ion d'un b6ton de r~sine polyester

pour la fabrication de coque mince

Granulats Composition en poids

5-8mm 2-5mm

0,1 - 2 mm

(SK) F 2 Fillers 840

Liant

Manom~tre

Styrene

Rhodester 3016

45 %

9% 12,5 % 10% 14 %

9,5 %

1,25 %

1,25 % 7%

Fig. 12. - - Moule pour la fabrication de coques en b6ton de r6sine polyester.

Cette composition permet d'obtenir la consistance d6sir6e. Les caract&istiques m6caniques du b6ton durci sur 9 6prouvettes prismatiques 7 x 7 x 2 8 cm et 10 cylindriques if5 16x 32 cm apr~s un 6tuvage de 8 heures ~ 60~ sont rassembl6es dans le tableau III.

Apr4s mise au point de la fabrication les coques prdsentent Un aspect tout "a fait satisfaisant, nous les destinons fi l'expbrimentation sur la dalle d'essai du Laboratoire des B&ons et Structures de I'INSA.

La mesure de leurs caract&istiques g6om6triques montre que la trop grande souplesse des moules poin~ons ne permet pas d 'obtenir une epaisseur constante des pi6ces.

La temp&ature ambiante lors de la raise en oeuvre (temp4rature des constituants) est de 8~ pour la coque n ~ 1, 14~ pour la coque n ~ 2 et 4~ pour la coque n ~ 3. Le degr6 d'humidit6 relatif de l 'air ambiant est respectivement de 95 o{ pour les coques n ~ 1 et n ~ 2 et 98 % pour la coque n ~ 3. Malgr6 ces conditions atmospheriques mauvaises, les caract6ris- tiques m6caniques du bdton mesurhes sur 6prouvettes t6moins sont satisfaisantes (tableau IV).

Le programme d'essai est le suivant :

Tout d 'abord un convoi transporte les coques du lieu de fabrication ~ la dalle d'essai de I ' INSA off

299

V O L . 8 - N ~ 4 6 - M A T E R I A U X E T C O N S T R U C T I O N S

TABLEAU I I I Caract~ristiques m6caniques d'un b&on polyester de r~f~rence pour la fabrication de coque mince

Caract6ristiques m6caniques

Contrainte de rupture en bars Moyenne Intervalle de conflance

Traction-flexion (4 points) 6prouvette 7 x 7 x 28 cm 230 20

Traction par fendage 6prouvette ~ 16 x 32 cm 75 12

Co .repression 6prouvette ~ 16 x 32 cm 880 65

Module d'61asticit6 longitudinale (en bars) 6prouvette 7 x Tx 28 cm (SIMRUP) 280.000

TABLEAU IV C.aract6ristiques m6caniques du b6ton de r6sine des coques

20.000

Con~amtes ~ la ruptu~ en bars

Traction-Flexion Traction par ~ndage Compression (4 points sur 7 x 7 x 28 cm) sur 6prouvettes 0 16 cm sur 6prouvettes O 16 cm

Moyenne Inteff~le de M o y e n n e Interv~le de M o y e n n e Intervalle de -confiance confiance confiance

Coque n ~ 1 210 40 72 12 870 70

Coque n ~ 2 230 .30 78 10 920 80

Coque n ~ 3 180 30 68 13 820 60

Module d'61asticit6 longitudinale en bars

Moyenne ln te~ le de confiance

Coque n ~ 276.000 18.000

Coque n ~ 2 282.000 14.000

Coque n ~ 3 264.000 20.000

elles reposent Iibrement sur des appuis simples. L'une subit un essai sous moment constant ~ l'aide de 2 v6rins hydrauliques (fig. 13), la seconde est soumise fi une charge uniform6ment r6partie rSalis6e au moyen de tuyaux poly&hyl6ne remplis d'eau dispos6s sur route sa surface (fig. 14). La troisi6me est soumise fi diverses variations de temp6rature dans une enceinte.

La mesure des d6formations est effectu& au m0yen de jauges 61ectriques, les d6placements au moyen de capteurs inductifs et de comparateurs (fig. 15).

Les r6sultats des ,essais [analyse de la d~form6e (fig. 16), des d&ormations longitudinales et trans- versales (fig. 17 et 18), des contraintes normales, etc.] des coques 1 et 2 montrent la naissance d'effets de cloquage, de torsion et de voilement dont l'influence conduit fi la rupture des coques sous des contraintes de traction de 85 bars.

La coque n ~ 3 est soumise ~ des cycles d'&ha.uffe- ment-refroidissement dans une enceinte.

Nous remarquons (fig. 19) en premier lieu l '&hauffement lent du b&on : la d6formation devient impor- tante lorsque la tempSrature du b&on lui-mSme d6passe 50~ La rupture n'est obtenue que lorsque la temp6rature du b&on dSpasse la temp6rature de fl&hissement sous charge de la r6sine soit 70~ pour la r6sine 3016.

300

L'inflammabilit6 des liants organiques est souvent cit&, aussi avons-nous &udi6 l'action d'une flamme sur une demi-coque n ~ 2.

Nous disposons d'un brfileur propane-oxyg6ne d 'un d6bit de 5 m3/heure qui plac6 20 cm en dessous des 616ments r6alise un foyer circulaire de 80 cm de dia- m&re avec une temp6rature de la flamme de 3 000~ environ.

Instantan6ment se produit l ' inflammation de la couche superficielle (gell-coat). AprSs 10 minutes de chauffe, le b6ton commence ~ brfiler uniquement sous l 'activation de la flamme du brfileur. Les granulats de silice se d6composent et la face oppos6e ~ celle expos6e "~ .la flamme ne s'&hauffe pas.

Apr& 30 minutes, m~mes constatations, nous notons un d6but d'6chauffement de la face opposSe ~ 1 a flamme (10~ au-dessus de la temp6rature ambiante).

Apr6s 1 heure, l '&hauffement est plus p.rononc6 ( + 30~

L'essai est interrompu. Une observation de la face expos6e ~ la flamme montre une d6gradation sur 5 mm environ limit& fi la surface de la flamme.

Nous retenons de cet essai que : - l'inflammabilit6 sous l'action d'une flamme limi-

t~e est tr6s difficile;


Fig. 13. - - Coque en b6ton de r6sine polyester sur ses appuis.

F i g . 1 4 . - - Coque n ~ 2 en cours de chargement .

- - l a propagation de la chaleur fl l'int6rieur du mat6riau est tr& lente (faible conductivit6 thermique) et celle de la flamme est ",i peu pr& nulle.

Quoique cela soit rassurant, il n'est pas possible d'en d6duire si la tenue au feu de ces 616ments est satisfaisante. L'essai n'a pu &re men+ faute d'une installation suffisante pour enflammer l'ensemble d'une coque.

Nous avons recherch6 une interpr6tation th6orique de notre mat6riau. Le sch6ma de calcul retenu est celui de la th6orie des coques par la m6thode des ~l~ments finis fl partir d'un assemblage d'~16ments rectangulaires identiques a courbures normales et g6od6siques.

Nous avons voulu savoir si une approche simple, en admettant les hypoth6ses de l'61asticit6 lin6aire dans notre mat~riau considdr~ comme isotrope pouvait rendre compte de son comportement exp6rimental sous charge r6partie, sollicitation courante du type de la structure choisie.

Les r6sultats exp6rimentaux traduits en contrainte se situent entre les r~sultats du calcul en coque et

F i g . 15 . - - Syst~mes de mesures : comparateurs , capteurs, jauges de contraintes .

301

VOL. 8 - N ~ 46 - MATERIAUX ET CONSTRUCTIONS

Fleehe en n~m. et!t3 etlt4 etat I et~ t 2

C : comparate Ir ~ ~ ' / S : c a p . . . . in Juctif / / / C~

/ . / / <

r

Charge 0 ~ 4~ L5 ~] 8 1, ~1 1] '3 e n daN/ml

Fig. 16. - - Fl~che de la coque n ~ 2 sous c h a r g e un i fo rm~men t r~par t i e .

Fig. 17. - - R~partition des d~formations Iongitu- dinales le long de la f ibre m o y e n n e Iongitndinale de la coque n o 2 sous c h a r g e un i fo rm~men t r~par t i e .

celui d 'un calcul en poutre (ce qui n'est pas 6tonnant pour ce dernier).

L 'approche du calcul des coques, la meilleure du point de vue th6orique, ne rend pas compte de facteurs dont l'influence n'est pas n6gligeable.

Certains tiennent au mat6riau : - - a n i s o t r o p i e m6canique - - par diff6rence des

modules en zone tendue et comprim6e; - - d~formations diff6r6es;

- - influence de la temp6rature.

D'autres sont g6om6triques : - - voilement - - cloquage - - grands d6placements

dus en grande pattie aux variations des caract6- ristiques g6om6triques de nos 616merits.

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Fig. 18. - - D~formations Iongitudinales des jauges dans la section t r an sve r sa l e milieu de la coque n ~ 2 sous c h a r g e u n i f o r m ~ m e n t r~par t ie .

302

+

ii ...... !~gt~gg~iHgggY:!ii! ggig~gg

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N FLECKE au Centre DE LA

D. PRIN - J. C. C U B A U D

COqUE en ram.

F i g . 19 . - - E s s a i en ~tuve d e la c o q u e n ~ 3.

5. CONCLUSION

La methode de composition granulaire permet de formuler au plus faible cofit un beton offrant les meilleures caracteristiques mecaniques pour une technologie simple et en repondant aux conditions diverses de toute mise en oeuvre. L'analyse sous les diverses sollicitations mecaniques permet de penser que, dans une structure, le materiau beton de resine polyester peut travailler dans un domaine d'elasticite quasi- lin+aire si le facteur temperature n'intervient pas. De l'analyse statistique des caracteristiques mecaniques nous retenons que le param&re le plus preoccupant est la sensibilite 5_ la temperature. Si des temperatures elevees peuvent etre atteintes dans une structure en baton de resine, il convient d'utiliser comme liant une resine polyester dont la temperature de flechisse- ment sous charge est encore plus elevee.

Maitrisant le materiau et sa technologie, nous avons pu concevoir, realiser et experimenter une structure mince en beton de rdsine montrant les possibilites et les limites de ce materiau.

D'autres structures (poutres, cuves) ont 6te con~ues et experimentdes et ont conduit ~ leur utilisation dans le monde operationnel, principalement le secteur de la chimie oO le b&on de resine apporte ~ la fois une reponse aux problemes de structures et de corrosion.

SUMMARY

Polyester polymer concrete. Application in civil engi- neering.--The investigation reported here contributes to the development of a new material." a polyester polymer-concrete, and to its utilisation in the manufactu- ring of a thin structure.

The literature on binders and on synthetic polymer- concrete shows that these products may replace some of the hydraulic concretes, which frequently need electric or chemical protection.

The epoxy and polyester binders are the ones with the most interesting properties, but because of the high cost of the epoxy binders, only polyester resins were used in the research.

To develop the polyester polymer-concrete !ts 9ranular composition was considered. This permits to obtain with the lowest percentage of synthetic binder a concrete offering the best mechanical characteristics for manu- facturing as well as for use.

Anti-shrinkage agents are added to the binder to reduce the shrinkage during the hardening of concrete.

The mechanical properties are analysed when the material is subjected to different b6~mdary conditions, in terms of drying, catalysis, anti-shrinkage agents, characteristics of test-tubes, temperature, timE,.

303

V O L . 8 - N ~ 4 6 - M A T C : R I A U X E T C O N S T R U C T I O N S

The material when subjected to rapidly applied h)ad is elastic. Its creep is not very pronounced even under static loading. Since the material is expensive the polymer- concrete is Used only for small volumes. This fact made it advisable to conduct the testing on thh2 shells o f double curvature (12 m span, 2 m wide and 50 mm thick).

The mould was made of a glass-fiber reinforced polyester. Three shells were cast and tested." one under constant moment, the second one subjected to a distri- buted load (applied by means o f polyethylene pipes filled with water and set on the whole surface) and the third one subjected to several variations o f temperature. A comparison is made between the testing behaviour and theoretical results obtained using finite elements and theory of shells. The elements are all identical and

are limited by two .[amilies of lines (?]" normal and geodesic curvature. 7he material is considered to be elastic and isotropic.

REFERENCES

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304

Documents

Béton de résine polyester application au domaine du génie civil