un document de Polymer et Compozite

1. POLYMERES
ET
COMPOSITES

2. A. Guidoum Matériaux de Construction 2
Plan
1. DEFINITON
2. QUELQUES PEOPRIETES
3. EMPLOI EN CONSTRUCTION
4. ADJUVANTS
5. COMPOSITES A MATRICE
POLYMERIQUE
6. APPLICATIONS DES COMPOSITES
POLYMERES EN GENIE CIVIL
7. DURABILITE

3. A. Guidoum Matériaux de Construction 3
1. DEFINITON
Sous le nom générique de polymère ou de matière
plastique, on désigne une vaste gamme de matériaux
extraits artificiellement de substances organiques et qui
présentent la propriété de pouvoir être formé par
échauffement.
Caractéristiques communes des matières plastiques :
• Ils sont appelés plastiques, car, à un certaine étape, ils
sont plastiques
30 à 40% de la production via le Génie Civil
Il existe des polymères naturels et de synthèse.
Exemples :
caoutchoucs
matières plastiques
bitumes
bois
cuir
paille
Etats :
massifs
expansés
fibres
textiles
feutres
liants

4. A. Guidoum Matériaux de Construction 4
Basse densité Détérioration par UV
En faisant varier les
liaisons des atomes de
carbone, on peut une
variété infinie de matière
plastique
Sensible à la température
Généralement inertes Mou (bas module
d’élasticité)
Facilité de mise en forme
et de moulage
Susceptible au feu
Bon isolant thermique Matière première limitée
2. QUELQUES PROPRIETES
2.1. Température de transition vitreuse
Pour la plupart des polymères, il existe une température
appelé la température de transition vitreuse, Tg, qui
marque une frontière entre deux états fondamentaux :
• l’état caoutchoutique : mou, liquide visqueux (hautes
températures)
• l’état vitreux : dur et cassant (basses températures)

5. A. Guidoum Matériaux de Construction 5
Figure 6 : Variation du volume spécifique en fonction de la température pour
des polymères amorphes, partiellement cristallin et cristallin
2.2 Aspects mécaniques
Figure 7 : Variation du module de cisaillement en fonction de la température
pour un polymère amorphe.

6. A. Guidoum Matériaux de Construction 6
Figure 8 : Variation du module d’élasticité
du polystyrène atactique
linéaire et réticulé et du
polystyrène isotactique semi-
cristallin.
2.3 Paramètres influençant la valeur de Tg
Les paramètres les plus importants :
• la flexibilité des chaînes
• la taille et la polarité des groupes latéraux
• la masse moléculaire
PE : -80ºC, PS : 100ºC, PP : -20ºC

7. A. Guidoum Matériaux de Construction 7
3. EMPLOI EN CONSTRUCTION PAR TYPE
DE POLYMERE
Applications non structurelles :
Composants dans l’enveloppe du bâtiment, étanchéité,
adhésifs, réparation, finition intérieure
3.1 Thermoplastes
• Polyéthylène (PE)
polymérisation de l’éthylène par compression de 1000 à
2000 MPa et à une température de 150 à 300°C, utilisé
pour la fabrication de feuilles barrière, récipients
domestiques, canalisation des eaux usées (HD)
fragilisé par UV=>noire de carbone
Monomère: C2H4 ou CH2=CH2
ouverture de la double liaison :
Polymère: -CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-
• Polytétrafluoroethylène (PTFE: Téflon)
-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-

8. A. Guidoum Matériaux de Construction 8
Forte attraction des chaînes et cristallisation => grande
stabilité, peu de friction mécanique, peu inflammable et
point de fusion élevé structure hélicoidale => stabilité
du cristal, T =350°C, comme ruban dans les joints des
tuyaux, mélangé avec fibres de verre, dans des toitures
Millennium dome
• Polychlorure de vinyle (PVC)
-CH2-CHCl-CH2-CHCl-CH2-CHCl-
Dur, inflammable, résistant à l’attaque des acides et des
bases ; se ramollit à 80°C. A T élevée (200°C), le PVC
prend une fluidité trop basse pour l’injection ; on lui
adjoint des plastifiants ; selon leur quantité, on peut
obtenir des produits rigides, semi-rigides, flexibles ou
élastiques.

9. A. Guidoum Matériaux de Construction 9
Revêtement de sol en PVC
Fenêtre en PVC
Emplois : tuyauterie d’eau potable et d’eaux usées,
gaines de ventilation, les profilés de menuiserie, les
stores et les revêtements muraux et des sols.

10. A. Guidoum Matériaux de Construction 10
• Polypropylène (PP)
-CH2-CHCH3-CH2-CHCH3-CH2-CHCH3-
Dur et insoluble dans n’importe quel solvant organique.
Sa résistance mécanique et chimique au-dessus de
100°C permet son usage pour les appareils sanitaires et
les conduites d’eau. Ajouté au béton sous forme de
fibre, il améliore les propriétés mécaniques.
• Polystyrène (PS)
Se prête facilement au moulage et à l’extrusion, objets
domestiques et éléments électriques. Il est aussi utilisé
pour les peintures. En réchauffant les granulés de
polystyrènes contenant un agent gonflant, on obtient un
matériau expansé, utilisé pour les isolations thermiques.

11. A. Guidoum Matériaux de Construction 11
• Résine acrylique
S’obtient par la polymérisation des d’esters de l’acide
acrylique et de l’acide métacrylique. On obtient d’une
part, des résines polyacryliques pour la fabrication
d’isolants et de colle et d’autre part, les résines
polymétacryliques, commercialisé sous le nom
plexiglas. Ce produit a une bonne résistance chimique et
mécanique ; il est transparent et se laisse facilement
travailler ; il remplace souvent le verre, car il est plus
léger et incassable. Egalement utilisé dans les peintures,
comme liant dans le béton de polymère, réparation des
fissures. Inflammable !

12. A. Guidoum Matériaux de Construction 12
3.2 Thermodurcissables
Résines :
Phénol (PF) production industrielle : bakélite.
Fabrication des laminés comme Formica. Adhésives
résistants à l’eau (utilisation industrielle car très acide)
Mélamine (MF); inflammables, résistants aux solvants,
peuvent être colorés et émaillés ; fabrication des
stratifiés.
Polyester (UP) pour les peintures ou sous forme textile
pour la fabrication des panneaux, souvent renforcé avec
des fibres de verre. Citerne d’eau froide, piscine
préfabriquée, …

13. A. Guidoum Matériaux de Construction 13
Epoxyde (EP) : très bonne résistance aux agents
chimiques et à l’usure ; sont utilisés pour les
revêtements de sol sans joints. Colles de qualité
(araldite), très bonne capacité d’adhérence à l’acier et au
bois. Béton de résine. Composite. Coût élevé mais très
bonnes performances.
3.3 Elastomères
Grande capacité de déformation (>100%), faible E
Utilisés comme produit d’étanchéité et appui
déformable
• caoutchouc naturel, NR
Appuis pour les ponts, diminution de la vibration dans
les bâtiments

14. A. Guidoum Matériaux de Construction 14
• caoutchouc silicone
Pour étanchéité
bonne adhésion, bonne propriétés élastiques, bonne
durabilité, hydrophobe
JOINT D’EXTENSION EN SILICONE POUR UN POINT (TIGE
D’APPUIS) EN MOUSSE DE POLYETYLENE

15. A. Guidoum Matériaux de Construction 15
4. ADJUVANTS
Malgré la grande variété des polymères, pour satisfaire
les exigences de l’utilisation plusieurs additifs peuvent
entrer dans la composition d’un polymère entraînant des
variations importantes de leurs propriétés :
1.Plastifiants : molécules à bas poids moléculaire,
diminuent la force de liaison entre les chaînes,
améliorent la souplesse d’un polymère rigide.
2.Lubrifiants : facilitent les qualités de frottement .
Ex. : poudre de téflon et talc
3.Stabilisants : ralentissent la dégradation des
polymère pendant la mise en œuvre ou l’utilisation
en améliorant la résistance aux effets de chaleur,
radiation et oxydation
4.Ignifugeants : lors de combustion les polymères
libèrent des gazes toxiques, les ignifugeants rendent
plus difficile l’amorçage ou la propagation de la
combustion
5.Fillers : ajout de 5 à 60 % de filler permet de
renforcer les propriétés mécaniques telles que la
dureté, la résistance et la résistance à l’abrasion,
diminuent le prix. Ex. noire de carbone ou

16. A. Guidoum Matériaux de Construction 16
carbonate de calcium
6.Renforts: pour des applications structurelles
5. EMPLOI EN CONSTRUCTION PAR
DOMAINE
Béton avec des polymères :
• béton imprégné de polymère
• béton de polymère
• béton de ciment et de polymère
•
PVC, PMMA, polyester, etc.
Revêtements de sol :
• PVC, résistance à l’usure et aux agents chimiques
• résines
Appuis déformables :
Supports élastomères PTFE, caoutchoucs

17. A. Guidoum Matériaux de Construction 17
Tuyaux, gaines :
PVC, PP, PB, fabriqués par extrusion
Adhésives et produits d’étanchéités :
étanchéités
bonne adhérence au support, grande déformabilité,
bas module d’élasticité, bonne résistance au
vieillissement.
joints : PU, silicones, polyacriliques
Joint d’étanchéité à base de PU
colles et adhésifs

18. A. Guidoum Matériaux de Construction 18
mouiller les surfaces collées, être chimiquement
compatible avec les surfaces
être résistant dans le milieu ambiant (ex. résine
époxy, polyuréthannes, polyester, etc.)
Mousses :
• mousses rigides et semi-rigides comme âme de
panneaux sandwich (aluminium + PS ou plâtres aux
fibres + PS) pour paroi de séparation légère
• isolants thermiques : volume de l'air immobile dans
les bulles avec λ = 0.024 W/mΚ, λ de 0.030 à 0.050
W/mK
expansion d’un gaz dans un polymère à l’état fluide ou
visqueux : addition d’un agent moussant ou gaz produit
lors d’une réaction (ex. polymérisation de
polyuréthanne par l’eau produit du CO2)
• polystyrène
• polyuréthannes
• phénoliques
• PVC rigide
Fibres :
renforcement (polyéthylène, polyamides), Kevelar
Géotextiles :

19. A. Guidoum Matériaux de Construction 19
Matelas en matière plastique souvent renforcé par un
tissu. Les géotextiles sont utilisés pour empêcher la
pénétration d’eau dans le sol (stockage des déchets) ou
dans une structure (isolation des toits ou des ponts). Une
autre application concerne la stabilisation du terrain.

20. A. Guidoum Matériaux de Construction 20
5. COMPOSITES A MATRICE
POLYMERIQUE
Composites sont dotés des propriétés physiques et
mécaniques que ne possède pas chacun des constituants
pris séparément.
- grande rigidité dans une direction
- très haute résistance
- rapport résistance/poids élevé
Principalement deux catégories :
• matériaux composites à base de fibres
• matériaux stratifiés

21. A. Guidoum Matériaux de Construction 21
5.1 Composites à base de fibres
Constitués d’une matrice continue renforcée par des
fibres.
5.1.1 Matrice
matrices thermodurcies ; résine époxyde, polyester
insaturé
matrices thermoplastiques ; résistance thermique si
semi-cristallin, permettent le thermoformage au départ
de
5.1.2 Fibres
fibres de carbone
fibres de verre
fibres de kevlar
composites fibreux unidirectionnelles propriétés
mécaniques analogues aux aciers avec une densité de 1
à 2 contre 7.8 (sollicitation parallèle aux fibres).
Fibre Densité
g/cm3
E
GPa
Rm
GPa
verre
kevlar
carbone Hm
carbone
2.50
1.45
1.95
1.75
86
130
400
250
4.4
2.7
2.2
2.7

22. A. Guidoum Matériaux de Construction 22
Longueur des fibres
Déformation de la matrice autour d’une fibre soumise à une contrainte de
traction (Callister)
Longueur critique
!
lc =
" f d
2#c
lc : longueur critique de la fibre
d : diamètre de la fibre
σf : résistance à la rupture de la fibre
τc :la plus petite grandeur entre la résistance
de la liaison fibre-matrice ou la limite
d’élasticité en cisaillement de la matrice
Répartition du transfert de charge lors de la traction
l > lc
l = lc
l < lc
σ

23. A. Guidoum Matériaux de Construction 23
Orientation des fibres

24. A. Guidoum Matériaux de Construction 24
5.2 Stratifiés
• Plaques et coques stratifiées
dans une plaque sollicitée en flexion, les couches
externes sont les plus sollicitées. Minimum trois
couches (2 peaux, 1 âme).
peaux : matériau rigide avec résistance à la flexion
élevée (composite ou non).
âme : matériau léger, faible rigidité, faible résistance.
Différence de rigidité, contrainte de cisaillement à
l’interface, risque de délamination.
Ex. : panneaux Al-bois de balsa dans aéronautique,
ski, bois lamellé-collé.
• structures sandwiches
rigidité, résistance mécanique élevée et légèreté
Ex. : toit, plancher, mur, queue d’avion

25. A. Guidoum Matériaux de Construction 25
6. APPLICATIONS DES COMPOSITES
POLYMERES EN GENIE CIVIL
Composites polymères renforcés de fibres ont un
grand potentiel pour être intégrés dans le génie civil
• longue durée de vie
• léger
• facile à construire
• bon rapport résistance /poids
• fonctionnent dans des conditions agressives pour
d’autres matériaux
• résistance élevée à la fatigue et à la corrosion
Domaines d’application :
Réparation de pont, renforcement structural
bandes de polymères renforcés de fibres de
carbone (PRC) pour le renforcement des ouvrages
de construction.

26. A. Guidoum Matériaux de Construction 26
Broadway Bridge (1913 mais rénové)
dalle du tablier est réalisée en panneaux de composites
renforcés de fibres.

27. A. Guidoum Matériaux de Construction 27
Panneaux de composite renforcés de fibres
Utilisations structurales
Ponts haubanés (câbles et dalle)

28. A. Guidoum Matériaux de Construction 28
Stork Bridge à Winterthur
Utilisation comme Plateforme des ponts au lieu de
béton armé généralement fibres de verre + résine
de polyester grande facilité et rapidité de mise en
place.
résine renforcée de fibre de verre

29. A. Guidoum Matériaux de Construction 29
Coquille en fibre de carbone remplie de béton utilisé comme élément structural
et comme coffrage qui reste en place
Poutre pour la construction de pont à base de polymère recyclé : PE HD et PS
Ces nouvelles technologies recèlent toutefois aussi
des risques. Du fait de leur faible masse, les ponts
réalisés à l’aide de composites armés de fibres
sont sujets aux vibrations.

30. A. Guidoum Matériaux de Construction 30
Dans la construction, éléments de toit translucides,
dôme de radar, silos et réservoirs (bonne résistance aux
produits chimiques), conduites.
7.DEGRADATION
Les facteurs qui influencent la durabilité des polymères
:
• environnement chimique (oxygène de l’atmosphère,
fumée et pluie acides, humidité)
• chaleur et chocs thermiques
• rayonnements ultraviolets
• radiations de haute énergie
structures polycarbonées sont instables à température
élevée.
la résistance des polymères à la dégradation dépendent
de la composition et de la suprastructure.
formation des radicaux libres par apport d’énergie et/ou
de molécules réactives :
∆
C—C  C •
+ C •

31. A. Guidoum Matériaux de Construction 31
diminution de la masse moléculaire  détérioration des
propriétés mécaniques. Phénomène accéléré par la
présence d’oxygène.
Stabilisation
On peut utiliser des stabilisants (antioxydants,
stabilisants UV) qui permettent d’inhiber la formation
des radicaux libres soit de les détruire et augmenter
ainsi leur longévité.