Comportement d'adhérence contrainte-glissement de l'interface PRFC-béton
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L’application externe (AE) de polymères renforcés de fibres de carbone (PRFC) afin de renforcer les structures en béton armé (BA) déficientes est largement reconnue dans l’industrie de la construction. Le comportement d’adhérence contrainte-glissement de l’interface PRFC-béton régit l’efficacité des systèmes AE-PRFC, puisque le décollement interfacial entraîne une défaillance prématurée de ces modes de renforcement. Cette étude vise à évaluer les relations contrainte-glissement de PRFC-béton sous charges monotones au moyen d’une série d’essais d’arrachement. Les résultats démontrent que les feuilles de tissu en PRFC au lieu des lamelles en PRFC peuvent améliorer la capacité de la charge d’adhérence. En outre, une analyse des bases de données dans la littérature nous porte à proposer un modèle bilinéaire d’adhérence contrainte-glissement. Mots clés : composite de PRFC ; structures en béton armé ; interface PRFC-béton ; essai d’arrachement ; modèle d’adhérence contrainte-glissement.
Application de polymères renforcés de fibres de carbone sur le béton
L’application externe (AE) de polymères renforcés de fibres (PRF) destinés à renforcer les structures en béton armé (BA) est largement reconnue dans le monde entier. Un mode de défaillance courant dans les structures en AE-PRF est le décollement des PRF du substrat de béton. Ceci a pour effet d’empêcher les composites de PRF d’atteindre leur pleine capacité de traction.
Selon des essais concordants, un spécimen typique de PRF-béton soumis à une charge monotone peut s’effondrer, principalement en raison du décollement de la couche de béton sous l’adhésif, entraînant la séparation de la surface du béton [1-3]. On a étudié un large éventail de paramètres pour mieux comprendre le comportement de l’adhérence PRF-béton : résistance, préparation de la surface, longueur d’adhérence de PRF, rapport des largeurs PRF-béton, propriétés et épaisseur de PRF, adhésif époxy appliqué et systèmes d’ancrage [4, 2, 5-12].
Dans le cadre de cette étude, nous avons réalisé un programme expérimental sous forme d’essais d’arrachement à double plan. L’objectif était d’examiner le comportement d’adhérence de l’interface PRFC-béton en appliquant deux types de PRFC (lamelles « L » et tissus « S »), différentes longueurs d’adhérence et différentes largeurs de PRFC. Les résultats des essais sont principalement présentés sous forme de relations contrainte-glissement, et d’autres discussions sont incluses pour comparer les effets des variables expérimentales. En outre, sur la base d’analyses de données expérimentales dans la littérature, un modèle bilinéaire d’adhérence contrainte-glissement est proposé.
Essais expérimentaux d’arrachement
Trois séries d’essais d’arrachement à double plan ont été réalisées sur 12 blocs de béton de configuration AE-PRFC (voir le montage de l’essai à la figure 1 (a)). Les variables, présentées à la figure 1, comprennent le type de PRFC (lamelles ou tissus), la longueur d’adhérence, Lb (50 mm, 100 mm, 150 mm, 200 mm) et la largeur de PRFC bf , (25 mm, 75 mm, 112 mm). Les propriétés mécaniques des PRFC sont résumées au tableau 2. Plusieurs jauges de déformation ont été installées sur la longueur collée du PRFC pour mesurer les déformations, εi, pendant les essais (voir Fig. 1 (b), (c), (d) et (f)).
Fig. 1. Essais d’arrachement et configurations des jauges de déformation sur des spécimens de différentes longueurs d’adhérence : a) spécimen L-200-25 ; b) Lb= 50 mm ; c) Lb= 100 mm ; d) Lb= 150 mm ; et f) Lb= 200 mm (toutes les dimensions sont en mm).
Tableau 1 : Détails expérimentaux des spécimens
Tableau 2. Propriétés des matériaux PRFC
Observations expérimentales du comportement d’adhérence PRFC-béton
Le principal mode de décollement des spécimens était dû à une séparation de la surface du béton (voir Fig. 2). Ce mode de défaillance se manifeste par la rupture de la couche de béton visible sur le PRFC décollé. En effet, ce phénomène est attribué à la faible résistance à la traction du substrat en béton par rapport aux composites époxy et aux PRFC. Des études similaires ont également révélé que la rupture des spécimens PRF-béton sous charges monotones est principalement due à la rupture initiale du substrat de béton [1-3].
Fig. 2. Mode de séparation en surface de béton
La figure 3 montre la force d’arrachement (c.-à-d., la résistance d’adhérence) en fonction de la longueur d’adhérence des spécimens. La résistance d’adhérence augmente généralement avec l’augmentation de la longueur d’adhérence, jusqu’à une longueur d’adhérence effective. En d’autres termes, la force d’arrachement maximale, Pu (pull out), des spécimens dont la longueur d’adhérence est supérieure à la longueur d’adhérence effective reste quasiment invariable. En outre, les spécimens renforcés à l’aide de tissus en PRFC ont atteint des résistances d’adhérence plus élevées que ceux renforcés à l’aide de lamelles. Enfin, l’augmentation de la largeur de PRFC s’est avérée améliorer la résistance d’adhérence de l’interface PRFC-béton.
Fig. 3. Force d’arrachement (Pull-out, Pu) comparativement à la longueur de l’adhérence (Bond length, Lb)
Les relations contrainte-glissement du spécimen S-150-112 sont illustrées à la figure 4. Comme nous pouvons le constater, les courbes, à différents intervalles de la longueur d’adhérence, présentent généralement un segment ascendant suivi d’un segment descendant. En outre, les intervalles les plus proches de l’extrémité chargée présentent des contraintes d’adhérence plus élevées que les intervalles proches de l’extrémité libre.
Fig. 4. Courbes contrainte-glissement du spécimen S-150-112
Un modèle bilinéaire d’adhérence contrainte-glissement a été proposé à la suite d’une étude analytique pour prédire les réponses d’adhérence contrainte-glissement. La figure 5 montre la relation expérimentale moyenne contrainte-glissement des spécimens de la série 1, ainsi que les relations des prédictions correspondantes dérivées du modèle proposé par rapport à d’autres modèles existants dans la littérature [14-17]. Comme nous pouvons le constater, les résultats prédits par le modèle proposé concordent mieux avec les données expérimentales que les autres modèles.
Fig. 5. Courbes bilinéaires moyennes de glissement-adhérence des échantillons de la série 1
Conclusion
Nous avons réalisé une étude expérimentale sur le comportement d’adhérence contrainte-glissement de l’interface PRFC-béton sous charges monotones. Nous avons constaté que le substrat de béton est le maillon le plus faible lors de la rupture par décollement. De plus, parmi tous les spécimens testés, ceux renforcés à l’aide de tissus en PRFC et ayant une plus grande largeur d’adhérence ont montré les meilleures performances en termes de résistance d’adhérence. Enfin, une étude analytique nous a menée à proposer un modèle bilinéaire d’adhérence contrainte-glissement et ses prédictions ont été vérifiées avec des données expérimentales. Les résultats de cette recherche peuvent mieux renseigner les ingénieurs civils sur les techniques de renforcement AE-PRFC des surfaces en béton, et ainsi améliorer la conception de ces systèmes pour la réhabilitation des structures en béton armé déficientes.
Complément d’information
Pour plus d’information sur cette recherche, veuillez consulter l’article suivant : Fathi A, El-Saikaly G, Chaallal O. Experimental and Analytical Study of Bond Stress-Slip Behavior at the CFRP-to-Concrete Interface. Journal of Composites for Construction. American Society of Civil Engineers (ASCE). https://doi.org/10.1061/JCCOF2.CCENG-4074. 2023; Volume 27, Issue 2.
