Enduits de façade auto-renforcés

Les possibilités au 3SR

• Présentation 3SR• Possibilités expérimentales• Possibilités en modélisation

FédéRAMS – Laboratoire 3SR

• 38 chercheurs et enseignants-chercheurs permanents

• Expertise• Comportement à la ruine

(non linéarités, endommagement, instabilités, localisation, sollicitations extrêmes,…)

• Couplages, transferts• Mécanique des interfaces• Etudes mathématiques en mécanique

(homogénéisation, milieux enrichis,…)

• Méthodes numériques (MEF, MED,…)

• Méthodes expérimentales multiphysiques et à plusieurs échelles• Milieux complexes

(granulaires, poreux, enchevétrés, biomatériaux, matériaux du vivant,…)

• Ouvrages (Analyse in situ, Simulation physique, Simulation numérique,…..)

Laboratoire Sols-Solides-Structures-Risques (3SR) Mécanique des solides et systèmes complexesGéomécanique et Risques Environnementaux

FédéRAMS – Laboratoire 3SR

• 2 Pr UJF: D. Favier & C. Geindreau + 1 Pr. Émérite : J.-L. Auriault

• 1 MCf UJF: G. Chagnon

• 1 CR1 CNRS: L. Orgéas

• 2 Postdocs

• 9 Doctorants, école doctorale “Mécanique & Energétique”

• Chercheur et enseignants-chercheurs permanents

• Chercheurs non permanents (en cours)

Équipe MC2MH Mécanique & Couplages Multiphysiques dans les Milieux Hétérogènes

Thèmes de recherche

• Milieux hétérogènes• Matériaux industriels : composites à fibres, papiers

• Matériaux naturels : sols, matière vivante

• Biomatériaux : alliage à mémoire de forme NiTi, élastomères, membranes osmotiques, muscles artificiels

• Couplages multiphysiques • Transferts dans les milieux poreux déformables

• Propagation d’ondes

• Changements de phase solide/liquide, solide/solide

Équipe MC2MH Mécanique & Couplages Multiphysiques dans les Milieux Hétérogènes

FédéRAMS – Laboratoire 3SR

Enduits de façade auto-renforcés

Les possibilités au 3SR Partie expérimentale

• Microtomograhie RX• Mesure de champs locaux• Rhéométrie

Partie expérimentale

Analyse des microstructures - Microtomographie RX

Exemple : échantillon de composite fibreux avec charges minérales (SMC, 40% de CaCO3 + 30% fibres de verre + Resine polyester)

e3

e1

e2

10 m

m7mm

(c)e3

e1

e2

(a)

10 m

m

7mm

Distribution et taille des pores Distribution et orientation des fibres

Partie expérimentale

Analyse des microstructures - Microtomographie RX

Pourquoi ?

– Porosité, orientation et distribution du renfort fibreux

a) Génie matériaux – mise au point de l’enduitb) Corrélation avec propriétés effectives

(perméabilité, conductivité, élasticité,…)

- Essais mécaniques in situ (compression, flexion…)

a) Analyse des mécanismes d’endommagement locauxb) Corrélation avec endommagement macro

Partie expérimentale

Analyse des microstructures - Microtomographie RX

Les outils

– Un microtomographe de laboratoire au MATEIS (opérationnel)

– Un microtomographe de laboratoire au 3SR (en place dans l’année)

– Possibilité de travailler à l’ESRF

Tester la faisabilité dans les mois qui viennent

Partie expérimentale

Mesure de champs cinématiques lors des essais mécaniques

Les outils– Une caméra visible CCD (12801024 pixels, 25Hz) + optique– Un logiciel de corrélation d’images (7D, P. Vacher, Annecy)

Principe– Filmer la zone utile d’un échantillon au cours de l’essai– Calculer les champs de déplacement et de déformation locaux

Pourquoi ?a) Analyse des propriétés élastiques localesb) Analyse des mécanismes d’endommagement

locaux

Partie expérimentale

Mesure de champs cinématiques lors des essais mécaniques

Premier test faisabilité sur enduit renforcé (1%) en flexion 4 points

10 mm

Partie expérimentale

Mesure de champs cinémtiques lors des essais mécaniques

a) Analyse des propriétés élastiques locales

Etat initial

Déformation dans zone « élastique »

Zone de corrélation

Déformation de flexion 11

e3

e1

Système pas assez précis!Nécessité d’une caméra plus fine

(achat prévu lors de la thèse)

Partie expérimentale

Mesure de champs lors des essais mécaniques

b) Analyse des mécanismes d’endommagement locaux

Etat initial

Déformation dans zone « inélastique »

Zone de corrélation

Déformation de flexion 11

e3

e1

Pas de fissure observée à l’œil, Endommagement local détecté

A poursuivre…

Partie expérimentale

Rhéologie de l’enduit à l’état frais

La problématique

– Enduit = suspension granulaire très concentréeRhéologie complexe, non-NewtonienneDifficile à caractériser (glissement aux parois)

– Renforts fibreux de 5 à 15mmRhéomètres traditionnels inutilisablesMicrostructures évolutives

– Plage de vitesses de sollicitation très grande (enduit en pose et posé)10-4 s-1 < vitesses de cisaillement < 103 s-1

– Sollicitations variées : élongation et cisaillement

– Evolution des propriétés avec le tempsTransition fluide-solide

Partie expérimentale

Rhéologie de l’enduit à l’état frais

Les outils envisagés

– Rhéomètres de grandes tailles

Compression SimpleCompression Plane

300 mm

300

mm

80 mm

Cisaillement Simple

300 mm

A développer lors de la thèseGlissement par lubrification

20 m

m

Partie expérimentale

Rhéologie de l’enduit à l’état frais

Exemple : Rhéomètre compression plane

e1

e2

e3

Axial load cell F3

Lateral load cells F2

Sample

v3

5-1

0 m

m

280mm

80mm

CCD Camera 12801024 pixels

25Hz

Partie expérimentale

Rhéologie de l’enduit à l’état frais

Exemple : Compression plane d’un composite à matrice transparente chargé de fibre de verre

Partie expérimentale

Rhéologie de l’enduit à l’état frais

Faisabilité en compression simple sur enduit renforcé (1% de fibres)

Assez bonne homogénéité de la déformation Essais envisageables

Partie expérimentale

Rhéologie de l’enduit à l’état frais

Quelques tendances préliminaires, A CONFIRMER

a) Influence de la vitesse de déformation

Assez peu d’influenceFluide essentiellement

plastique ?

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

33

s33

(M

Pa

)

0.01/s

0.1/s

0.3/s

Partie expérimentale

Rhéologie de l’enduit à l’état frais

Quelques tendances préliminaires, A CONFIRMER

b) Influence du temps d’attente

Très forte influence, épaississement

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

33

s33

(M

Pa

)

Etat frais

Etat frais + 30 min

Etat frais + 1h 15 min

Enduits de façade auto-renforcés

Les possibilités au 3SR Partie modélisation

• Calculs de microstructures

• Approche discrète• Approche continue

Partie modélisation

Calculs de microstructures

Pourquoi ?– Etude des propriétés rhéologiques à l’état frais (visco-plasticité)– Etude des propriétés physiques et mécaniques à l’état solide

(perméabilité, conductivité, thermo-hygro-élasticité)

Principe– Simuler des chargements thermomécaniques sur des

Volumes Elémentaires Représentatifs des microstructures– Prise de moyennes pour en déduire les propriétés effectives

Les outils ?a) Rhéologie : approche discrèteb) Propriétés à l’état solide : approche continue

Partie Modélisation

Calculs de microstructuresa) Rhéologie – Approche discrète

Hypothèse : Enduit = « tas de cailloux et de fibres » lubrifiés en

contact

Modélisation par approche discrète

Exemple des composites fibreux SMC, vus comme des« tas de fibres enchevêtrées » reliées par des liaisons visqueuses

Volume Elémentaire Représentatif d’un SMC idéalisé

Partie Modélisation

=> Etude des couplages rhéologie / microstructure

Calculs de microstructuresa) Rhéologie – Approche discrète

Exemple : déformation d’un SMC en élongation (vue de dessus)

Partie Modélisation

Calculs de microstructuresb) Propriétés physiques à l’état solide – Approche continue

1) Construire des VER soit par processus purement numériquesoit à partir de microtomographies

2) Calculs numériques sur ces VER

Exemple : simulation d’écoulement à partir de cliché 3D de microtomographiepour calcul de perméabilité dans un papier