Le renforcement des structures de génie civil par matériaux composites

1. MATERIAUX COMPOSITES
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Sommaire
Introduction………………………………………………………………….….5
I/ Définition…………………………………………………………….……….6
II/ Les Composites dans le génie civil……………………………………….….6
1) Fibres minérales ou organiques……………………………………….….7
2) Stratifiés…………………………………………………………………13
III/ Applications des composites en génie civil………………………………..14
IV/ Matériaux composites et construction écologique…………………………19
1) Introduction…………………………………………………………..19
2) Réutiliser des sous-produits de l’industrie forestière dans les
composites bois/plastique……………………………………………19
3) Exemples de matériaux composites écologiques………………….….22
Conclusion……………………………………………………………………...23
Bibliographie…………………………………………………………………...24

2. MATERIAUX COMPOSITES
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Liste des tableaux
Tableau 1: caractéristiques des fibres et matrices usuellement employées dans la fabrication
des matériaux composites [5]..................................................................................................... 8
Tableau 2:Caractéristiques des fibres et matrices usuellement employées dans la fabrication
des matériaux composites [5]................................................................................................... 10
Tableau 3:Caractéristiques des fibres de carbone [6]............................................................... 12

3. MATERIAUX COMPOSITES
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Liste des figures
Figure 1: Principaux renforcements [6] .................................................................................... 5
Figure 2: les principaux matériaux de renfort [5] ...................................................................... 9
Figure 3: Les matrices [5] ........................................................................................................ 10
Figure 4: Courbes contrainte-déformation typiques des composites [6].................................. 11
Figure 5: Différents types de composite : (a) tissu de fibre de verre ; (b) deux feuillets de fibre
de carbone ; (c) plat préfabriqué de fibre d’armide [6]............................................................ 12
Figure 6: structures sandwiches [5].......................................................................................... 13
Figure 7: renforcement en fibres de carbone [6]...................................................................... 14
Figure 8: Décapage [7]............................................................................................................. 15
Figure 9: Brossage de l'élément [7].......................................................................................... 15
Figure 10: Injection de la résine [7] ......................................................................................... 16
Figure 11: lissage de la surface de renforcement [7] ............................................................... 16
Figure 12: Decoupage de la tissue [7]...................................................................................... 16
Figure 13: Application et accrochage [7]................................................................................. 17
Figure 14: Enroulement par les fibres[7] ................................................................................. 17
Figure 15: Application de la couche d'accrochage[7] .............................................................. 17
Figure 16: Panneau en laine de bois [8] ................................................................................... 20
Figure 17: Panneau en fibres de bois [8].................................................................................. 21
Figure 18 La brique de chanvre [8]......................................................................................... 22
Figure 19: application de l’isolation composée d’un béton végétale [8]. ................................ 22

4. MATERIAUX COMPOSITES
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Remerciement
Autant de phrases et des expressions aussi éloquentes et aussi sincère soient
elles ne peuvent suffire à exprimer notre reconnaissance et notre appréciation
pour toute l’aide et le soutient qui ont fait de ce projet une expérience aussi
enrichissante sur plusieurs plans.

5. MATERIAUX COMPOSITES
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Introduction
Les composites, produits de synthèse, donnent des concurrences aux métaux parce qu’ils
sont légers, inaltérables et que leur résistance dépasse celle de l’acier (leur rapport
résistance/poids est très élevé), en effet les plaques de PRF (polymères renforcés de fibres) sont
normalement au moins deux fois et peuvent être 10 fois plus résistantes que les plaques en acier
tandis que leur poids est seulement 20 % celui de l'acier. Depuis une dizaine d’années, ils sont
présents dans le secteur de la construction, en particulier pour des interventions de renforcement
d’ouvrages. Les matériaux composites composés des fibres de verre, d’aramide ou fibres de
carbone, de par leur souplesse, leur facilité d’installation et leurs caractéristiques mécaniques
adaptées, permettent d’intervenir sur des ouvrages de formes complexes. Ils s’adaptent à toutes
les formes de supports et ne requièrent aucun placage sous pression et apportent une
performance à la structure que l’on ne retrouve pas avec les méthodes traditionnelles (béton
armé ou plats métalliques collés). Toutefois, la pose, d’une apparente simplicité, est en fait très
technique et nécessite une grande minutie au niveau de la préparation lors de l’encollage [1].
Figure 1: Principaux renforcements [6]

6. MATERIAUX COMPOSITES
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I/ Définition
Un matériau composite est, par définition, tout alliage ou matière première comportant un
renfort sous forme filamentaire. Il nécessite l’association intime d’au moins 2 composants: le
renfort et la matrice, qui doivent être compatibles entre eux et se solidariser, ce qui introduit la
notion d’un agent de liaison, l’interface. Contrairement aux matières premières classiques dont
on connaît à l’avance les caractéristiques mécaniques, celles des composites ne sont réellement
connues qu’après fabrication, car on réalise, en même temps, le matériau et le produit.
Actuellement, les composés à matrice organique représentent plus de 99% des matériaux
composites (Berreur et al, 2002); ils sont constitués par :
 Une matrice organique, résine thermoplastique (TP) ou thermodurcissable (TD),
 Une structure de renfort constitué de fibres, qui peuvent être de verre, de carbone,
d’aramide ou de fibres naturelles (lin, chanvre, sisal…) [6].
En plus de ces deux constituants de base, il faut rajouter : une interface qui assure la
compatibilité renfort-matrice, qui transmet les contraintes de l'un à l'autre sans déplacement
relatif. Il existe plusieurs types d’arrangement de fibres. Le rôle de la matrice est double : elle
conserve la disposition des fibres et leur transmet les sollicitations auxquelles est soumise la
pièce. Un composite est très hétérogène et fortement anisotrope.
On distingue, généralement, deux grandes familles de composites :
 Les composites de grande diffusion (GD), peu coûteux, occupent une large part de
marché,
 Les composites hautes performances (HP), assez onéreux, avec un marché encore
réduit [5].
II/ Les Composites dans le génie civil
Les matériaux composites sont utilisés par l’homme depuis des millénaires dans le
domaine de la construction. Le pisé de paille et d’argile est un des plus anciens matériaux dont
l’idée première est exactement celle des composites : exploiter la résistance à la rupture des
fibres, en laissant à une matrice de « qualité mécanique » inférieure le soin de maintenir ces
fibres dans la forme voulue [5].

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Depuis des millénaires, l’homme a cherché à se protéger dans un bâtiment. Pendant des
siècles, sa sécurité dépendait de protections dures, massives donc lourdes. La notion de
constructions légères et souples ne date que de quelques décennies [5].
Les matériaux composites en polymères renforcés de fibres « PRF » sont des produits de
synthèse constitués principalement de renforts fibreux, supportés par un liant appelé matrice.
Leur comportement dépend principalement du pourcentage de fibres et des propriétés
mécaniques des constituants. Ce sont les renforts fibreux qui donnent aux composites leurs
propriétés hautement directionnelles, leur imposant un comportement anisotrope et
essentiellement linéaire élastique jusqu'à la rupture [6].
3) Fibres minérales ou organiques
Parmi les fibres les plus connues en génie civil, on peut citer : le carbone (haut module
élastique et résistances mécaniques importantes à la fatigue), le verre (résistances moyennes,
très utilisé pour renforcer les bétons) et l’aramide (de haute résistance à la traction, utilisée en
câbles de hautes performances).
- Carbone : Les fibres de carbone sont caractérisés par un module d’élasticité élevé et
qui varie entre 200 et 800 GPa. L’allongement ultime est de 0,3 à 2,5 %. Les fibres de
carbone n'absorbent pas l'eau et elles résistent à plusieurs solutions chimiques. Elles
présentent une excellente résistance à la fatigue, et une faible relaxation comparée à
celle des aciers extensibles précontraints. La fibre de carbone est un conducteur
électrique et, par conséquent, peut donner la corrosion galvanique si elle est en
contact direct avec l’acier. Il faut signaler également le mauvais comportement au
choc et à l’abrasion des stratifiés renforcés par des fibres de carbone. Les fibres de
carbone se différencient par le taux de carbone plus ou moins élevé qui modifie les
allongements et les contraintes à la rupture et les modules d’élasticité [5].
On trouvera des fibres dites « à haute résistance » HR et des fibres « à haut module » HM ou
même « à très haut module » THM, et des fibres intermédiaires.
- Verre : Les fibres de verre sont moins chères que les fibres de carbone et les fibres
d'aramide. Par conséquent, les composites en fibres de verre sont devenu la solution la
plus utilisée dans plusieurs applications, tel que le génie civil, l'industrie des bateaux

8. MATERIAUX COMPOSITES
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et d’automobiles. Les modules d’élasticité des fibres varient entre 70 et 85 GPa avec
un allongement ultime de 2 à 5 % selon la qualité. Par contre les fibres de verre
peuvent avoir des problèmes de relaxation. Elles sont aussi sensibles à l’humidité,
mais avec le choix correct de la matrice les fibres sont protégées [5].
- Aramide : Appelés aussi polyamide aromatique, Les modules d’élasticité de ces
fibres varient entre 70 et 200 GPa avec une haute énergie de fracture et un
allongement ultime de 1,5 à 5 % selon la qualité. Les fibres d'aramide sont sensibles
aux températures élevées, à l’humidité et aux radiations « ultraviolet » et par
conséquent, ne sont pas largement utilisées dans les applications de génie civil [5].
Tableau 1: caractéristiques des fibres et matrices usuellement employées dans la fabrication
des matériaux composites [5]
Renforts
Les renforts contribuent à améliorer la résistance mécanique et la rigidité des matériaux
composites et se présentent sous forme filamentaire, allant de la particule de forme allongée à
la fibre continue qui donne au matériau un effet directif. Ils sont caractérisés par :
 la nature de la fibre : minérale ou organique,

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 Architecture du renfort [4] :
Figure 2: les principaux matériaux de renfort [5]
Les matrices
La matrice fournit le mécanisme nécessaire au transfert de la charge de part et d’autre des fibres.
Elle protège également les fibres des risques d’abrasion et des autres attaques
environnementales et chimiques.
Il existe deux types principaux de matrices :
 Résine thermodurcissable (TD) : polymère transformée en un produit essentiellement
infusible et insoluble après traitement thermique (chaleur, radiation) ou
physicochimique (catalyse, durcisseur). La transformation est irréversible.
 Résine thermoplastique (TP) : polymère pouvant être alternativement ramollie par
chauffage et durci par refroidissement dans un intervalle de température spécifique du
polymère étudié. Les Résines thermoplastiques présentent l’aptitude à l’état ramolli, de
se mouler aisément par plasticité. La transformation est réversible [5].

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Figure 3: Les matrices [5]
En génie civil, les résines thermodurcissables (thermosets) sont utilisées presque
exclusivement, telles que les matrices vinylesters.
Tableau 2:Caractéristiques des fibres et matrices usuellement employées dans la fabrication
des matériaux composites [5]
L’intérêt des utilisations des polymères renforcés de fibres dans le génie civil se trouve
essentiellement dans:
- Sa faible densité ;
- Ses propriétés mécaniques longitudinales ;
- L’absence de corrosion ;
- Sa très bonne tenue à la fatigue ;
- Sa facilité de manipulation [5].
Les composites sont dotés des propriétés physiques et mécaniques que ne possède pas chacun
des constituants pris séparément [3]. Tel que :

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- Grande rigidité dans une direction
- Très haute résistance
- Rapport résistance/poids élevé
-Principalement deux catégories
- Matériaux composites à base de fibres
- Matériaux stratifiés
Figure 4: Courbes contrainte-déformation typiques des composites [6]
Fibres de carbone
Suivant les conditions de fabrication, il existe toute une variété de fibres de carbone qu’on
peut actuellement classer selon trois types :
 Les fibres haute résistance HR,
 Les fibres à module intermédiaire IM,
 Les fibres à haut module HM.
Les caractéristiques physiques et mécaniques des fibres de carbone varient, mais elles sont
incluses dans les limites données par le tableau 3.
Deux méthodes pour la confection des composites en fibres de carbone ont été employées
pour le renforcement des structures en béton armé. La première, qui est le plus généralement
employé, consiste en l'application in situ de la résine sur une toile tissée (wet lay-up method)
(Figure 5.a) ou deux feuillets unidirectionnels (Figure 5.b). La deuxième méthode est la
préfabrication du composite dans des formes variées (Figure 5.c).

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La première méthode est plus souple et permet la réparation sur les surfaces incurvées et
déformées et même autour des coins, alors que la préfabrication permet un meilleur contrôle
de qualité. [5]
Tableau 3:Caractéristiques des fibres de carbone [6]
Figure 5: Différents types de composite : (a) tissu de fibre de verre ; (b) deux feuillets de fibre
de carbone ; (c) plat préfabriqué de fibre d’armide [6]

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4) 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).
Ame : matériau léger, faible rigidité, faible résistance. Différence de rigidité, contrainte de
cisaillement à l’interface, risque de délamination.
Exemple : panneaux Al-bois de balsa dans aéronautique, ski, bois lamellé-collé [5].
 structures sandwiches
Rigidité, résistance mécanique élevée et légèreté Exemple. : Toit,
plancher, mur, queue d’avion.
Figure 6: structures sandwiches [5]

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III/ Applications des composites en génie civil
Réparation de pont, renforcement structural
Bandes de polymères renforcés de fibres de carbone (PRC) pour le renforcement des
ouvrages de construction. Ces fibres peuvent produire une haute résistance capable de
soutenir la structure en béton
Mise en ouvre
Dans le cas de renfort en lamelle de fibre de carbone, en général on applique l'adhésif époxy
en couche de 1 mm sur la surface déjà préparée ainsi que sur la face supérieure des lamelles,
préalablement traitées en usine pour avoir la rugosité adéquate, et qui doivent également être
propres. Dans le délai du temps d'application de la résine époxy, les lamelles seront posées à
l'aide d'un rouleau pour exercer une pression. L'excédent de résine doit être nettoyé. Il est
recommandé d'ancrer les lamelles dans un béton sain et de disposer de la longueur nécessaire
[6].
Préparation de la surface du béton
La surface du béton doit être bien préparée afin d’éviter la rupture à l'interface résine béton
par suivre un procédé adéquat.
Figure 7: renforcement en fibres de carbone [6]

15. MATERIAUX COMPOSITES
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Une bonne préparation extérieure du béton exige une importante maintenance, et que les
surfaces de béton irrégulier sont réglés. [6]
 Préparation du support :
Elle consiste au sablage, on prépare la structure à recevoir le renforcement et assurer
l’adhérence entre les différents matériaux.
Figure 8: Décapage [7]
 nettoyage et brossage des surfaces qui peuvent être humides ;
 Préparation des fissures par injection de la résine de réparation ;
Figure 9: Brossage de l'élément [7]

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 Préparation de la surface du renfort :
Pour les plaques de composites, la rupture peut se produire aussi à l'interface de composite-
résine si la surface de la plaque de carbone n'est pas correctement préparé (par exemple
déplacement inadéquat, des impuretés comme par exemple : graisse sur la surface).
Figure 11: lissage de la surface de renforcement [7]
 Pour les tissues
 Application au rouleau, d’une couche de résine d’accrochage sur la surface à renforcer
Figure 12: Decoupage de la tissue [7]
Figure 10: Injection de la résine [7]

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 Mise en place de la bande ou du tissu ;
 Application au rouleau, d’une couche de résine d’accrochage sur la surface extérieure ;
- renfort éventuel de la fixation des extrémités par mise en œuvre de chevilles TFC ;
- passage de la bande dans l’imprégnateur ;
- passage rouleau du maroufleur imprégnateur ;
Figure 13: Application et accrochage [7]
Figure 14: Enroulement par les fibres[7]
Figure 15: Application de la couche d'accrochage[7]

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Cas d’application
On peut utiliser les PRF collés pour tous les renforcements et toutes les réparations de
structure béton ou bois et plus particulièrement dans les zones d’accès difficile et sur les
ouvrages de formes complexes.

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IV/ Matériaux composites et construction écologique
4) Introduction
La plupart des composites sont à base de polymères thermodurcissables, ce qui les rend
difficilement recyclables. Cette contrainte va donc à l'encontre du développement durable.
On peut aussi voir de nouvelles recherches axées sur les bio-composites notamment avec des
fibres issues de plantes. Les bio-composites sont des matériaux formés par une matrice (résine)
et un renfort de fibres naturelles provenant usuellement des plantes ou de la cellulose (fibre de
bois, chanvre, etc.). De plus, ils contribuent au respect de l'environnement car ils
sont biodégradables, utilisés dans l'ingénierie des tissus, des applications cosmétiques et de
l'orthodontie. Ces bio-composites ne sont pas encore prêts à être mis sur le marché pour des
secteurs de pointe. L'industrie française s'intéresse grandement à ce type de matériau.
Un composite n'est entièrement biodégradable que si la matrice utilisée, en plus de fibres
naturelles, l'est elle-même (exemple : PLA, acide polylactique). Dans le cas où on emploie une
résine de type « classique » (polyester, époxyde, etc.), l'intérêt d'utiliser des fibres naturelles
comme renfort sera le caractère renouvelable de celles-ci, mais on ne pourra pas parler de
composite biodégradable. Les matériaux composites ont un impact sur l'environnement [4].
2) Réutiliser des sous-produits de l’industrie forestière dans les composites
bois/plastique
Une nouvelle méthode pour utiliser des sous-produits liquides de l’industrie du bois comme
additifs dans la fabrication de composites bois/plastique est détaillée dans une publication de
l’Université de Finlande Orientale [7].
L’étude a aussi mis en évidence que la spectrométrie de masse par transfert de proton (proton-
transfer-reaction mass-spectrometry, PTR-MS) était une méthode bien adaptée à la mesure de
composés organiques volatils (COV) émis par les composites bois/plastique [7].
Il existe une demande croissante d’alternatives aux produits à base de pétrole, et dans les
composites bois/plastique, l’un des composés est d’origine naturelle. Ces matériaux sont utilisés
dans le bâtiment et l’automobile leur volume de production devrait croître de 14 % par an d’ici
2019 [4].

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Les propriétés chimiques du bois et du plastique sont très différentes, il est donc nécessaire
de recourir à des additifs pour améliorer leur compatibilité. Les additifs permettent également
d’améliorer, entre autres, les propriétés d’absorption d’eau et de résistance aux intempéries.
Cependant, certains additifs sont assez coûteux, et leur inclusion dans les composites
bois/plastique est complexe. Il existe donc un besoin en nouveaux additifs, efficaces, moins
chers, et basés sur des ressources renouvelables.
Rien ne se perd des liquides issus du bois utilisés comme additifs dans les composites
bois/plastique
Une méthode spécifique d’ajout des sous-produits liquides aux granulés de bois/composite a
été développée par les chercheurs. Les résultats montrent un meilleur comportement lors de
l’injection, et une très bonne homogénéité des échantillons.
De plus, l’ajout de ces additifs liquides a réduit significativement l’absorption d’eau des
composites, et, pour certains additifs testés, a même amélioré leurs propriétés mécaniques [4].
3) Exemples de matériaux composites écologiques
 Panneau laine de bois
Le panneau de laine de bois est appelé ainsi car il est souple, ou semi-rigide. Composé de bois
recyclé, ces panneaux font de 30 à 55 kg/m3
. Ils s'adaptent bien aux irrégularités et sont très
utilisés pour isoler murs et toit entre chevrons ou en caisson. Ces panneaux souple sont
d'excellents isolants thermiques et phoniques et offre une bonne protection contre la chaleur
l'été. Les panneaux laine de bois sont plus souple et moins dense que les panneaux fibre bois.
Figure 16: Panneau en laine de bois [8]

21. MATERIAUX COMPOSITES
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 Fibre de bois
Le panneau de fibre de bois est un très bon isolant thermique et acoustique. Composé de fibre
de bois densifiée de 110 à 260 kg/m3
, ces panneaux sont "rigides" et résistants à la compression.
Ces panneaux rigides sont très utilisés pour isoler le sol, les murs extérieurs et le toit. Ils
protègent aussi très bien contre la chaleur estivale grâce à leur très bon déphasage thermique.
Les panneaux fibres de bois sont plus rigides et denses que les panneaux en laine de bois [4].
Figure 17: Panneau en fibres de bois [8].
 Le chanvre
Le chanvre est une des seules plantes de grande culture n’utilisant aucun herbicide, insecticide
ou fongicide. Le chanvre a acquis depuis dix ans une place prépondérante dans le domaine de
l'éco construction et des isolants naturels.
Efficace, le chanvre a une conductivité thermique faible (0.038W/m.k) ce qui lui donne un bon
pouvoir isolant.
La brique de chanvre est le seul matériau isolant dans la masse permettant d’atteindre la valeur
de référence de la RT 2005 (résistance thermique Rth de 2,5K/w) dès 20 cm. Alors que le béton
cellulaire l'atteint en 25 cm et la terre cuite en 30 cm. Avec la brique de chanvre de densité
300kg/m3
, nous obtenons une conductibilité de 0,075 w/mk. [4]

22. MATERIAUX COMPOSITES
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Figure 18 La brique de chanvre [8]
 Le béton végétal
Composé de structures végétales, de liant de chaux aérienne et de charges minérales,
le béton végétal permet de réaliser des chapes isolantes, ou l'isolation phonique
thermique des murs et planchers. Isolant thermique, le béton de chaux et de chanvre
sera efficace contre le froid et la chaleur estivale, ce sera aussi un bon isolant phonique
en plancher intermédiaire [4].
Figure 19: application de l’isolation composée d’un béton végétale [8].

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Conclusion
Ce projet nous a permis de mieux étudier les matériaux
composites en général, de constater leurs importance en génie civil
spécifiquement, et de connaitre l'évolution de ces matériaux vers
l’écologique. Le progrès scientifique et la recherche ne cesse
d'optimiser ces matériaux pour bénéficier de leurs propriétés.
Il est à noter ainsi que cette occasion nous a été convenable pour
travailler et s'enrichir l'un des connaissances de l'autre et de celle de
notre encadrant qu'on remercie pour ses conseils.

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Bibliographie
[1] AFGC: Association française de génie civil (2003) “Réparation et renforcement des
structures en béton au moyen des matériaux composites”, Documents scientifiques et
Techniques Recommandations provisoires-, Décembre 2003, 148 p.
[2] Bardonnet, P. (1992) “Résines époxys”, Technique de l’ingénieur, Traité Plastiques et
Composites, A 3 465, A 3 466.
[3] Bessière, J.F. (1996) “La potentialité des matériaux composites de synthèse dans
l’architecture”, Mémoire de fin d’études, École d’architecture de Paris Belleville.
[3] Berbain, F., Chevalier, A et Choudin, C. (1997) “Mise en oeuvre des composites,
Méthodes et Matériels”, A 3 720, Technique de l’Ingénieur, Traité Plastiques et Composites,
volume AM 5.
[4] La chimie et l’habitat (Matériaux composites à matrices polymères).
[5] Jean LUYCKX . Composites à fibres de carbone dans le génie civil. (www.techniques-
ingenieur.fr).
[6] www.hal.archives-ouvertes.fr consulté le (20 /11/2017).
[7] https://bu.umc.edu.dz consulté le (23 /11/2017).
[8] http://www.materiaux-naturels.fr consulté le (17 /11/2017).

25. MATERIAUX COMPOSITES
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