Contribution à l'étude des bétons plaqués

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<ul><li><p>Contribution &amp; I' tude des b tons plaques </p><p>Y. G IL IBERT (~), J.P. DELMAS (~), C. COLLOT (~). </p><p>Les constituants du b6ton plaqu6 sont le b6ton, la colle et l'acier. L'6tude syst6matique du mat~riau composite doit 6tre men6e en faisant varier un certain nombre de param6tres, difficiles ~t isoler, du fait que les forces d'adh6sion se d6veloppent entre des substances de nature diff6rente. </p><p>Nous avons cherch6 b. 6laborer des mod61es exp6rimentaux, qui soient reproductibles. La mesure de l'6tat de surface des subjectiles, en particulier, a 6t6 effectu6e avec une tr6s grande pr6cision. </p><p>Dans ce travail, nous d6crivons deux types d'essais qui per- mettent d'~tudier des ruptures par cisaillement en traction et en compression. Les d6formations des 6prouvettes ont 6t6 mesur6es b. l'aide de capteurs b. jauges ~lectriques. Les facies de rupture ont ~t6 observds au microscope ~lectronique b. balayage. Nous relatons quelques r~sultats exp6rimentaux obtenus dans la derni6re partie. </p><p>PR INCIPALES NOTATIONS UTILISI~ES </p><p>A : gme, composant en mortier (ou en b6ton). </p><p>ea : 6paisseur de l 'gme entre les t61es 7"1 et 7"2. F : effort de traction (ou de compression). </p><p>J : jo int adh6sif. L : longueur des subjectiles. Lt : largeur des subjectiles. T : T61e d'acier. </p><p>(1) Ing6nieur C.N.A.M. - Maitre-Assistant b. I'I.U.T. de Reims, D6partement G6nie Civil (France). </p><p>(2) Assistant b. I'I.U.T. de Reims, D6partement G~nie Civil (France). </p><p>(3) Professeur sans chaire ~t I'I.U.T. de Reims, Chef du D6par- tement G6nie Civil (France). </p><p>INTRODUCTION </p><p>Notre laboratoire s'int6resse b. l'adh6sivit6 b6ton- acier, notamment b. t'6tude des b6tons plaques. Cette expression d6signe un nouveau proc6d6 de liaison b6ton-acier au moyen d 'un jo int de r6sine synth6tique [1 ,2 ,3 ,4 ,5 ,6 ] . </p><p>Le b6ton ordinaire travail le mal au cisail lement et ~t la traction. Pour lui permettre de r6sister ~t de tels efforts ou pour am61iorer l 'ensemble de ses propri6t6s m6caniques on peut l 'armer : les armatures m6tall iques sont enrob6es dans le b6ton; une fois le durcissement accompli, leur ancrage est excellent. </p><p>Par contre, l 'adh6rence d'une touche de b6ton coul6e directement sur une plaque d'acier est tr6s m6diocre. La liaison ne devient effective que si l 'on interpose une faible 6paisseur de r6sine entre les deux mat6riaux (7, 8, 9, 10]. </p><p>On peut aussi coller des t61es sur du b6ton durci : ce proc6d6 permet le renforcement [11] d'ouvrages appel6s b. supporter des efforts sup6rieurs h ceux pour lesquels ils ont 6t6 init ialement conqus. </p><p>C'est ce dernier type de collage que nous 6tudions et en particul ier les forces de liaison qui, par l ' inter- m6diaire de la r6sine, s 'opposent au g!issement relatif de l 'acier par rappor t au b6ton. Les forces sont dues dans ce cas au ph6nom6ne d'adh6sion. L 'adh6si- vit6 d6pend : </p><p>- -de la structure et des qualit6s de la r6sine employ6e; </p><p>- -des 6tats de surface des subjectiles et avant tout de leur rugosit6; </p><p>- - des propri6t6s de ces surfaces. </p><p>319 </p></li><li><p>VOL. 7 - N ~ 41 - MAT I~RIAUX ET CONSTRUCTIONS </p><p>Son 6tude est tr6s complexe : en effet, la structure cristalline des colles est assez real connue, les diff6rents auteurs ne d6finissent pas la rugosit6 d'une surface de mani6re identique; en outre, les propri6t6s des subjectiles sont susceptibles d'~voluer dans le temps. Nous avons donc cherch6 b. construire des mod61es exp6rimentaux stables, qui conduisent 5. des r6sultats reproductibles pour des conditions bien d6termin6es, afin d'isoler le r61e des facteurs pr6pond6rants de l'adh6sivit&amp; </p><p>Comme Bresson [3, 5], nous cherchons ~ 6valuer la contrainte de cisaillement tangentielle critique qui entraine la ruine du b6ton plaqu6. Les scissions se calculent b. partir de microd6forrnations enregistr6es, gr~tce ~ des jauges d'extensom6trie, coll6es sur l'6prou- vette. </p><p>Ce premier travail d~crit les techniques exp6ri: mentales utilis6es (essais de traction et de compression), pour caract6riser l'adh6sivit6. Nous avons effectu6 les essais correspondants en choisissant des mat6riaux de structure contr616e : acier de composition et d'aspect mierographique homog6nes, mortier de granulom6trie bien d6finie; ces deux constituants pr~sentent un ~tat de surface dont on a calcuI6 les crit6res de profils d6finis par la norme NF E 05-015 ~t partir de la m6thode R.N.U.R. - - E.N.S.A.M. [12, 13, 14, 15]. Nous avons observ6 ensuite les faci6s de rupture au microscope 61ectronique b. balayage. </p><p>Nous avons commenc6 h 6tudier, ~t partir de ces premiers essais, l'influence de la rugosit6 exprim6e quantitativement sur l'adh6sion acier-b6ton, ainsi que le r61e de la structure et des constantes 61astiques des diff6rents constituants et en particulier de la nature de la r6sine. </p><p>I. CHOIX DES MOD~,LES EXPI~RIMENTAUX </p><p>A l'aide d'un joint adhdsif J de rdsine, nous collons des t61es d'acier T sur une ~me A de mortier ou de b6ton durci (fig. 1). </p><p>Nous effectuons des essais de cisaillement en traction et des essais de cisaillement en compression. </p><p>1.1. Essais de eisai l lement en traction </p><p>I. 1.1. Le moddle </p><p>Nous utilisons des 6prouvettes comparables /t celles qui ont ~t6 d6finies par J. Bresson [3], mais </p><p>ooi? o, I-- de peslne i </p><p>W/l~~~~~~//////M Ame (A) de b~.ionlou mo~ll, v) </p><p>Fig. 1, - - Eliments eonstimant le module experimental, </p><p>Toles ( T ) d "ac~er </p><p>TtetT2 i i~il ilt I io. </p><p>I </p><p>I </p><p>Y !i ._ej </p><p>}1 ;I </p><p>Fig. 2 . - Eprouvette pour essai de cisaillement en traction. </p><p>de dimensions plus petites. L'fime A est constitu6e par du mortier normal. Les cotes finales obtenues par finition ~t l'outil meule sont les suivantes : </p><p>l = 160 -4- 0,1 ram, /1 = 39,2 0,1 mm, ea -- 39,4 4- 0,1 mm, </p><p>Le sch6ma des diff6rents 616merits de l'assemblage (A, 7"1, /'2, Jz, ,/2) est reprdsent6 sur la figure 2. </p><p>Le collage de T1 et Tz sur A 6tant r6alis6 par l'inter- mfdiaire de J1 et ,/2, l'essai consiste h appliquer suivant la direction yy', axe de sym6trie de A, un effort de traction F. Celui-ci s'exerce : </p><p>- - uniform6ment sur la surface S1 de Fame (CA, ll), il est dirig6 de haut en bas; </p><p>- - sur les deux t6les T1 et 7"2, effort dirig6 de bas en haut. 7"1 et T2 sont identiques et supportent chacune 1:/2. </p><p>Notons que la technique de collage de T1 et 7"2 sur A doit assurer : </p><p>- - le parall61isme entre les subjectiles de 7"1, T2, A et yy'; </p><p>- - et l'orthogonalit6 entre le plan de r6f6rence S1 (ea,/1) et les t61es 7"1 et T2. </p><p>320 </p></li><li><p>I </p><p>I </p><p>i </p><p>I , </p><p>[ I </p><p>@ </p><p>1 </p><p>Coupe AA </p><p>Coupe B B </p><p>Fig. 3. - - Adaptation de l'~prouvette sur la machine de traction. </p><p>1.1.2. Rkalisation de l'adaptateur. </p><p>L'adaptateur d6crit ~t la figure 3 permet d'appliquer l'effort F suivant yy" (fig. 2 et 3) perpendiculairement au plan 5'1 (ca, /1)- II a 6t6 r~alis6 avec minutie en respectant les principes de l'isostatisme. </p><p>L'ensemble des pi6ces (1), (2), (5), (6), (7), (9) et (11) poss6de un plan de sym6trie P passant par yy', parall+le aux subjectiles de T1, T2 et A. </p><p>Le parall61isme entre les faces des pi6ces (2), (5), (7) et (9) a 6t6 obtenu par rectification plane. Les rainures de (5) et (7) doivent ~tre sym6triques par rapport h P, aussi ont-elles 6t6 frais6es en utilisant une m&amp;hode de retournement. </p><p>Les boulons sp~ciaux ~t t~te sph6rique (8) sont identiques. En tours d'essai, ils doivent s'aUonger de la m~me quantit6 pour un effort F donn&amp; Ils ont 6t6 tourn6s entre pointes ~t partir de morceaux bruts pr61ev6s dans la m~me barre et usin6s ~t leur cote finale </p><p>l'outil meule de pr6cision. L'6crou sph6rique (10) est r6alis6 de telle fagon que </p><p>le centre de sa port6e soit situ6 sur l'axe g6om&amp;rique de son al6sage A (fig. 3). A est ajust6e sur la tige (8). </p><p>Les axes g6om6triques des al6sages des pi6ces (5) et (9) sont dans P et sym&amp;riques par rapport ~t yy'. Ils ont 6t6 r6alis6s au Laboratoire de m&amp;rologie de l'Institut Universitaire de Reims avec une machine ~t pointer et ~t al6ser, qui permet d'appr6cier, ~t l'aide </p><p>Y . G IL IBERT - J . P . DELHAS - C . COLLOT </p><p>de verniers optiques, des d~placements de l'ordre de quelques microns. </p><p>Les axes g6om6triques des port6es sph6riques des pi~ces (5) et (9) sont dans (P) et sont sym6triques par rapport ~t y'y. L'axe de la port6e centrale de (9) est confondu avec y'y. </p><p>La piece (7) a la m~me 6paisseur que A et est centr6e avant collage sur A ~ t'aide de cales d'6paisseurs 6talonn6es, plac6es entre 7"1, T2 et les bords lat6raux de (7) (fig. 4). </p><p>L'6trier form6 par les pi6ces (5), (8) et (9) s'articule sur (7) par l'interm6diaire de l'axe cylindrique (6); ainsi l'effort est tr+s bien r6parti sur $1 (ea, 11). La longueur des boulons (8) est r6gl6e au moment du montage sur la machine de traction. La pi6ce (2) a la m6me largeur que les t61es 7"1 et Tz et son 6paisseur est 6gale ~t celle de A augment6e de deux fois l'6paisseur de J, soit 40,2 ram. </p><p>En prenant appui sur le plan d'un marbre, nous disposons la piece 2 sur 7"1 et T2 ~t l'aide des vis (13) et des boulons (14), dont le blocage final est effectu6 </p><p>l'aide d'une clef dynamom&amp;rique. Nous alignons les axes de (1) et de (i1) en faisant </p><p>glisser sur l'axe (6) les ensembles auxquels ils sont lids et en plaqant deux entretoises d'~gale ~paisseur entre (7) et les deux tiges (8). </p><p>Quand l'effort F est appliqu6 suivant y'y, les t6les T1 et 7"2 travaillent gt la traction, transmettent l'effort d l'~prouvette de mortier par l'interm~diaire des joints de rgsine J1 et J2 eisailHs et A est eomprim~. </p><p>1.2. Essa i de c isa i l lement en compress ion </p><p>1.2. I. Le modkle </p><p>Deux tbles identiques d'acier, 7"1 et 7"2, sont coll6es sur les faces oppos6es de l'6prouvette A de mortier normal, conform6ment au sch6ma de la figure 4. </p><p>Les dimensions de A sont : l = 98 0,1 ram, ll = 95 + 0,1 ram. eA = 95 0,1 ram. </p><p>Fig. 4. - - R~alisation des ~l~ments constituant I'~prouvette de compression. </p><p>321 </p></li><li><p>VOL. 7 - N ~ 41 - MAT I~RIAUX ET CONSTRUCTIONS </p><p>1,4- </p><p>Joint,/2. (dttate) </p><p>O~Srnm </p><p>\Y </p><p>i -,..,-,i_ </p><p>y," </p><p>tales </p><p>entretoisee, </p><p>dolnt J1 </p><p>T~ </p><p>F ig . 5. - - R~a l i sa t ion du collage des t61es T~ et Te sur le mortier. </p><p>Les plateaux sup6rieur et inf6rieur de la machine de compression s'appuyent respectivement sur le mortier et sur les tSles, de telle faqon que le joint de r6sine soit sollicit6 par des contraintes de cisaille- ment. </p><p>La rnatrice sup6rieure M, usin6e it l'outil-meule de pr6cision, est centr6e sur le mortier par des cales cali- braes (fig. 5). </p><p>1.2.2. R6alisation. </p><p>Les t61es 7"1 et T~ sont assembl6es avec l'~me A par I'interm6diaire des joints de colle J~ et J~ d'6pais- seur sensiblement constante (fig. 5). </p><p>I1 faut assurer le parall61isme des plans P~, Pz, P3, P4 et leur orthogonalit6 par rapport aux subjectiles de T let T2. </p><p>Les plans Pz, puis P3, et enfin P4 apr~s collage de la matrice M, sont successivement rendus parall~les au plan P1 par rectification plane (fig. 6). </p><p>1.2.3. Adaptation sur la machine de compression. </p><p>La compression de l'6prouvette suivant son axe de sym6trie y'y s'accompagne d'une dilatation trans- versale due it l'effet Poisson. Cette dilatation est limit6e par le frottement entre les extr6mit6s de l'6prouvette et les plaques de la presse. </p><p>Dans le cas de notre essai, le seul moyen de traiter cette liaison d'extr6mit6 consiste tt lubrifier les surfaces de contact. </p><p>Les pressions sont tr~s ~lev6es, aussi faut-il utiliser des lubrifiants sp6ciaux, d6termin6s empiriquement, tels que la paraffine et les huiles au graphite. </p><p>Les r6sultats sont cependant assez incertains parce que le lubrifiant tend it s'6couler vers l'ext6rieur sous l'effet de la pression (it froid, un corps de viscosit6 homog6ne risque m6me d'etre 6ject6 brutalement [16]). </p><p>Dans ces conditions, la lubrification est tr6s d61icate et tr6s peu reproductible. C'est pourquoi, de mani6re classique, nous n'avons pas tent6 d'61iminer la liaison d'extr6mit6 : la standardisation de la pr6paration des surfaces de contact la rend aussi constante que possible [16, 17, 18]. </p><p>II. TECHNOLOGIE DE L'I~TAT DE SURFACE </p><p>La d6termination des profils d'6tat de surface est effectu6e avec un appareil Perthen [19] 6quip6 d'un palier b. air L.C.A. [20] et de capteurs PHK [19] dont les courses sont 4- 0,25 #m, 4- 0,50 Fm et 4- 500 #m. </p><p>Les donn6es sont enregistr6es sur bandes it l'aide d'une perforatrice associ6e ~t un convertisseur digital (50 voies) et sont trait6es par ta m6thode R.N.U.R.- E.N.S.A.M. [14] sur un ordinateur I.B.M. 1130 muni d'une imprimante et d'un traceur de courbes. Nous exp6rimentons actuellement la m~thode Nicolau- </p><p>k. , ( </p><p>\ </p><p>L </p><p>, C t </p><p>F ig . 6. - - R6alisation du parall61isme des plans d'appui P3 et P4. </p><p>=-.to l </p><p>t . . . . . . . / </p><p>@ I </p><p>de m~ur~ </p><p>F ig . 7. - - Schema de principe d'un capteur constitu~ par des jauges ~lectriques months en pont de Wheatstone. </p><p>322 </p></li><li><p>~ Condit; . . . . . . ~--{ 5cutoleur ~ Ampliflcateur </p><p>I i Comm~nde de l scmJtOtio n et d "rmpression </p><p>[ Alimen~ation J </p><p>IMPRIMANTE J----' Fig. 8 . - Sch6ma du syst6me de mesure des d6formations </p><p>relatives. </p><p>Solex [21]; nous jugerons si elle peut s'adapter, ult6rieurement, &amp; un contr61e de fabrication industriel </p><p>Les r6sultats fournis nous permettront de d6terminer le ou les param6tres actifs qui favorisent l'adh6sivit6 sur les subjectiles. </p><p>HI. MESURE DES DI~FORMATIONS </p><p>I I I .1. Capteurs /t jauges 61ectriques </p><p>Un capteur est un instrument destin6 b. transformer une grandeur physique quelconque en une grandeur 6tectrique, qui peut 6tre mesur6e facilement &amp; l'aide d'un enregistreur. Cette transformation est des plus avantageuses, en raison de la pr6cision, de la fid61it6, de la souplesse d'emploi des dispositifs 61ectroniques et 61ectrom~caniques. Les performances les plus 61ev6es peuvent ~tre envisag6es, avec la condition toutefois de disposer de jauges fid~les rant pour elles-m~mes que pour les proc6dds de collage utilis6s, techniques r6solues actuellement [22]. </p><p>Nous mesurons donc les d~formations relatives de nos modules, en de nombreux points, &amp; l'aide de </p><p>Y. G IL IBERT- J.P. DELMAS- C. COLLOT </p><p>Fig. 9. - - Essais de compression. </p><p>{, </p><p>capteurs constitu6s par des jauges 61ectriques &amp; ills [23] ou &amp; trame pelliculaire [22, 24, 25], mont6es en pont de Wheatstone (fig. 7). </p><p>La longueur des jauges coll6es sur le mortier dolt 6tre cinq fois sup6rieure /t la dimension du plus gros grain, de fa?on que l'erreur de mesure reste inf6rieure &amp; S % [26]. </p><p>III.2. Le pont de base </p><p>I1 est du type 20 AML [24] et s'ins~re duns un sys- t~me sch6matis6 sur la figure 8. La mesure se fait par une m6thode d'61ongation visualis6e par voltm~tre digi- tal. Les jauges sont aliment6es par un courant d'inten- sit6 constante, ce qui donne une lin6arit6 sup6rieure ~t celle des ponts &amp; tension constante. Les lectures des mesures s'effectuent sans intervention manuelle, directement en #m.m -1. L'amplificateur du pont n'est pas affect6 par les effets capacitifs des c&amp;bles. Enfin, ce pont a une tr~s haute stabilit6. </p><p>~cr~es erm ~onne5 </p><p>EPROUVE'rTE ~'2 </p><p>5 </p><p>I I I deFor-mat ion s </p><p>o. / / , , , , , ."'"'?."'-. 100 200 300 </p><p>Fig. 1Oa. - - Courbe exp~rimentale effort d6formation-Hyst6r~sis. </p><p>10 </p><p>chGr'~@$ en...</p></li></ul>