PERFORMANCE DES BARRES D’ARMATURE DE TYPE PRFV À LONG TERME DANS LEUR MILIEU NATUREL ET PROPOSITION D’UN PLAN DE RECHERCHE POUR CARACTÉRISER LA DÉGRADATION DEVIS R782.1 RAPPORT FINAL Franck Armel Tchitembo Goma Ahmed El Refai Mario Fafard Départemement de génie civil et génie des eaux Université Laval Mars 2017 Résumé Ce rapport traite de la durabilité à long terme des barres d’armature en polymères renforcés de fibres de verre (PRFV) dont la durée de vie minimale pour une utilisation répandue dans les ouvrages d’art du Ministère des Transports, de la Mobilité durable et de l’Électrification des transports (MTMDET) doit être de 75 ans. D’une part, nous avons effectué une revue et une analyse critique de la littérature sur la durabilité de ces barres et de leur interface avec le béton lorsqu’elles sont soumises à des conditions environnementales de laboratoire et réelles (en service). De l’autre, nous avons exploré les techniques de caractérisation de la durabilité et proposé différents types d’analyses afin de caractériser les barres « dégradées ». Des conclusions et recommandations ont été données. Le vieillissement direct en solution alcaline et aqueuse est beaucoup plus critique que le vieillissement indirect. La première approche ne simule pas les conditions environnementales naturelles. Elle représente par ailleurs la pire condition qu’une armature en PRFV ne pourrait rencontrer en service et ne reflète pas la réalité des barres en milieu naturel. Le modèle d’Arrhenius de prédiction de la durabilité à long terme se base sur une extrapolation de données obtenues à court terme; on prédit des propriétés mécaniques sur une durée de plus de 27 000 jours à partir de données obtenues sur moins de 360 jours. On ne peut donc pas garantir que ce modèle fournisse des propriétés mécaniques fiables de ces barres sur une telle période. De plus, le guide (ACI440.9R-15) recommande que les résultats des essais de campagne de vieillissement accéléré ne soient pas utilisés pour prédire la durée de vie en service tant que la corrélation entre la performance en service et les conditions de vieillissement accéléré n’est pas proprement établie. À ce jour, les analyses physico-chimiques indiquent qu’aucune dégradation significative des barres en PRFV à matrice vinylester n’a été observée au moment de certaines expertises conduites sur les barres mises en service dans les ouvrages d’art. La durée de vie la plus longue observée est de 13 années sur les barres prélevées du pont Crowchild Trail (Alberta). Cependant, ces analyses n’ont pas été corrélées aux propriétés mécaniques. i Les auteurs du présent rapport proposent d’aborder la durabilité réelle des barres en PRFV à partir des informations pouvant être obtenues de prélèvement de petits échantillons de ces barres utilisées dans des ouvrages d’art. La méthodologie proposée consiste à créer une banque de données issue des essais de laboratoire avec vieillissement accéléré (vieillissement direct ou indirect) qui mettrait en corrélation les propriétés physico- chimiques et mécaniques avec un index (ou des index) de dégradation quantifiable sur de petits échantillons. Cette valeur quantitative de la dégradation varierait disons, de 0 (état parfait) à 1 (état complètement dégradé), et doit être mesurable sur des petits échantillons prélevés sur la structure existante. Naturellement, il serait aussi possible d’obtenir cet index (ou ces index) de dégradation à partir des échantillons conditionnés en laboratoire. En procédant ainsi, on pourrait également établir une corrélation indirecte entre le temps de dégradation accéléré en laboratoire et le temps réel in situ permettant d’atteindre le même niveau de dégradation. En définitive, les auteurs du présent rapport croient que les barres d’armature en PRFV ont un avenir probant et recommandent de poursuivre la construction d’ouvrages d’art incorporant ce type de barre, tel que le MTMDET le spécifie dans son devis type « Construction et réparation des structures » (réf. devis type édition 2015 produit par la Direction des structures), afin de continuer le développement des connaissances mais assujetti à un suivi de ces structures. ii Table des matières Résumé ................................................................................................................................. i Liste des figures .................................................................................................................. v Liste de table ...................................................................................................................... vi 1 Introduction ................................................................................................................. 1 2 Revue de la littérature sur la durabilité des barres d’armature en PRFV .................... 5 2.1 Introduction .......................................................................................................... 5 2.2 Mécanismes de dégradation ................................................................................. 5 2.2.1 Généralité ...................................................................................................... 5 2.2.2 Dégradation des fibres de verre .................................................................... 6 2.2.3 Dégradation de la matrice polymère ............................................................. 7 2.2.4 Dégradation de l’interface fibres / matrice ................................................... 8 2.3 Principe du vieillissement accéléré et prédiction de la durée de vie des barres d’armature en PRFV........................................................................................................ 9 2.3.1 Processus du vieillissement accéléré ............................................................ 9 2.3.2 Prédiction de la durée de vie ....................................................................... 10 2.4 Revue de la littérature ........................................................................................ 12 2.4.1 Immersion directe des barres d’armature en PRFV dans des solutions aqueuses et alcalines .................................................................................................. 12 2.4.2 Immersion indirecte des barres d’armature en PRFV dans des solutions aqueuses et alcalines .................................................................................................. 17 2.4.3 Durabilité des barres en PRFV exposées aux conditions environnementales réelles 22 2.4.4 Exposition des barres d’armature en PRFV aux cycles de gel-dégel et/ou mouillage-séchage ..................................................................................................... 32 2.4.5 Étude de la durabilité de l’interface armature / béton ................................. 36 2.4.6 Effet de la haute température sur les barres d’armature en PRFV .............. 38 2.4.7 Coefficient d’expansion thermique (CET) .................................................. 42 3 Méthodes de caractérisation et d’analyse des barres d’armature en PRFV ............... 43 3.1 Généralités .......................................................................................................... 43 3.2 Caractérisation et analyse des propriétés physico-chimiques et de la microstructure................................................................................................................ 44 iii 3.2.1 Généralités .................................................................................................. 44 3.2.2 Propriétés physico-chimiques ..................................................................... 44 3.2.3 Microstructure et endommagement ............................................................ 49 3.3 Caractérisation et analyse des propriétés mécaniques ........................................ 53 3.3.1 Introduction ................................................................................................. 53 3.3.2 Résistance en traction, module élastique, dureté ........................................ 53 3.3.3 Résistance au cisaillement inter-laminaire .................................................. 55 3.3.4 Comportement de l’interface armature/béton ............................................. 56 3.3.5 Le fluage ..................................................................................................... 59 3.3.6 La fatigue .................................................................................................... 61 4 Conclusion et recommandations ................................................................................ 63 5 Références ................................................................................................................. 74 6 Annexe ....................................................................................................................... 82 iv Liste des figures FIGURE 1: MÉCANISMES DE DÉGRADATION DES BARRES EN PRFV EN PRÉSENCE D'UN MILIEU AGRESSIF (WON ET AL. 2008). ................................................................................................................................ 9 FIGURE 2 : COURBES MAITRESSES DE PRÉDICTION DE LA DURÉE DE VIE À PARTIR DU MODÈLE D’ARRHENIUS : (A) BARRES EN PRFV IMMERGÉES DANS LA SOLUTION 1 ET (B) BARRES EN PRFV IMMERGÉES DANS LA SOLUTION 2 (CHEN ET AL. 2006). ......................................................................................................... 16 FIGURE 3 : EXEMPLE DE DISPOSITIF MONTRANT LES BARRES D’ARMATURE EN PRFV NOYÉES DANS DU BÉTON (ALMUSALLAM AND AL-SALLOUM 2006, EL-MAADDAWY ET AL. 2015) . ................................ 17 FIGURE 4 : COURBE MAITRESSE DE PRÉDICTION DE LA DURÉE DE VIE À PARTIR DU MODÈLE D’ARRHENIUS (TEMPÉRATURE MOYENNE DE 6 ̊C) (ROBERT ET AL. 2009). ........................................... 20 FIGURE 5 : OUVRAGES CANADIENS INVESTIGUÉS : A) LE PONT CHATHAM ET B) LE PONT WATERLOO CREEK (MUFTI, BANTHIA, ET AL. 2007). .......................................................................................................... 25 FIGURE 6 : OUVRAGES CANADIENS INVESTIGUÉES : A) QUAI HALL’S HARBOR, B) PONT JOFFRE ET C) PONT CROWCHILD TRAIL (MUFTI, BANTHIA, ET AL. 2007). ........................................................................... 28 FIGURE 7 : PONT SUR L’AUTOROUTE B3 À FRIEDBERG, ALLEMAGNE (MURPHY 2013). ............................... 29 FIGURE 8 : MICROGRAPHIE MEB MONTRANT LA DÉTÉRIORATION DES ARMATURES EN PRFV DANS DIFFÉRENTS ENVIRONNEMENTS. ........................................................................................................... 32 FIGURE 9 : MÉTHODE PERMETTANT D'EXPLOITER LES THERMO-GRAMMES AFIN DE DÉTERMINER LA TG. .... 45 FIGURE 10 : ILLUSTRATION DE L'INSTRUMENTATION ET DE LA GÉOMÉTRIE DES SPÉCIMENS (MASMOUDI ET AL. 2005). ............................................................................................................................................. 47 FIGURE 11 : INSTRUMENTATION DES SPÉCIMENS ET CHAMBRE ENVIRONNEMENTALE: (A) BARRES EN PRFV INSTRUMENTÉES AVEC DES JAUGES DE DÉFORMATION ET DES THERMOCOUPLES; (B) SPÉCIMENS EN PRFV SCELLÉS DAN DU BÉTON; (C) CHAMBRE ENVIRONNEMENTALE (MASMOUDI ET AL. 2005). ......... 47 FIGURE 12 : A) IMAGE MEB PERMETTANT D’IDENTIFIER LA PÉNÉTRATION DES ALCALINS (GOORANORIMI ET AL. 2017) ET B) CARTOGRAPHIE EDX RÉALISÉES SUR DES SECTIONS TRANSVERSALES POLIES DES BARRES PRFV DE RÉFÉRENCE OU VIEILLIES (A. ROLAND 2015) .......................................................... 50 FIGURE 13 : REPRÉSENTATION SCHÉMATIQUE : A) DU LASER ET DU SYSTÈME OCT; B) DE L’ORIENTATION DU LASER ET LES DIRECTIONS D’ÉCHANTILLONNAGE EN FONCTION DU COMPOSITE (DUNKERS ET AL. 1999). ............................................................................................................................................................. 52 FIGURE 14 : ILLUSTRATION SCHÉMATIQUE DE L'EXPÉRIMENTATION AVEC LA TECHNIQUE D'ÉMISSION ACOUSTIQUE (DOKUN ET AL. 2000). ..................................................................................................... 53 FIGURE 15 : PROPOSITIONS D’ANCRAGES POUR ESSAIS DE TRACTION SUR LES BARRES D’ARMATURE EN PRF (ACI440.3R-04). .................................................................................................................................. 54 FIGURE 16 : QUELQUES DISPOSITIFS D’ESSAIS SHORT-BEAM TROUVÉS DANS LA LITTÉRATURE (MICELLI AND NANNI 2004, CHEN ET AL. 2007, KIM ET AL. 2008). ............................................................................. 56 FIGURE 17 : BANC D’ESSAI PULL-OUT ET PRINCIPE D’INSTRUMENTATION (ROBERT AND BENMOKRANE 2010C). ................................................................................................................................................. 57 FIGURE 18 : SCHÉMA REPRÉSENTANT LE PRINCIPE DE L’ESSAI BOND BEAM (ACI440.3R-04). ..................... 59 FIGURE 19 : DÉTAILS DU DISPOSITIF DE PRÉHENSION (ASTM-D7205/D7205M 2006). ............................... 62 v Liste de table TABLEAU 1 : RÉCAPITULATIF DES RÉSULTATS DES ESSAIS SHORT-BEAM. ..................................................... 55 TABLEAU 2 : REVUE DE LA LITTÉRATURE DANS LES CONDITIONS D’IMMERSION DIRECTE EN SOLUTION AQUEUSE OU ALCALINE. ....................................................................................................................... 83 TABLEAU 3 : REVUE DE LA LITTÉRATURE DANS LES CONDITIONS D’IMMERSION INDIRECTE EN SOLUTION AQUEUSE OU ALCALINE. ....................................................................................................................... 84 TABLEAU 4 : SÉLECTION DE LA REVUE DE LA LITTÉRATURE DANS LES CONDITIONS RÉELLES EN SERVICE. .. 85 TABLEAU 5 : SÉLECTION DES DIFFÉRENTS PROJETS DES PONTS EN PRFS DANS LE MONDE (MURPHY 2013). 87 vi 1 Introduction Une des missions du Ministère des Transports, de la Mobilité durable et de l’Électrification des transports (MTMDET) est de construire et d’entretenir des infrastructures routières. Cependant, outre le maintien d’ouvrages sécuritaires sur le réseau routier québécois, une des principales préoccupations du MTMDET concernant ses infrastructures est celle liée à la durée de vie de celles-ci, car ces infrastructures sont régulièrement soumises, dans le temps, à une gamme variée des conditions environnementales, parfois très sévères, et couplées à des sollicitations de service. Ainsi, le milieu dans lequel ces infrastructures sont utilisées contribue inéluctablement à leur détérioration (Nishizaki and Meiarashi 2002, Chen et al. 2006). Bien que l’acier soit toujours utilisé comme renfort interne dans ce domaine, son sempiternel problème lié à la corrosion reste la cause majeure de la détérioration des ouvrages d’art en béton renforcés par ce matériau. Une telle détérioration requiert des coûts supplémentaires d’inspection et d’entretien. Face à cette problématique, les constructeurs de telles infrastructures ont été amenés à trouver d’autres types de matériaux susceptibles de remplacer avantageusement les aciers traditionnels. Ces matériaux devraient être alors insensibles à la corrosion et aussi offrir d’autres propriétés attrayantes. À cet effet, durant ces dernières années, la demande pour la construction et la réhabilitation en service des infrastructures avec des matériaux composites en polymères renforcés de fibres (PRF) n’a cessé d’augmenter. Un tel engouement est, de façon évidente, lié aux performances thermomécaniques bénéfiques des PRFs comparativement aux matériaux conventionnels, tel que l’acier ou le béton armé d’acier. Les armatures en PRF trouvent leur place dans les structures en béton grâce à leur grande légèreté, une rigidité similaire à celle du béton, une résistance élevée à la traction, des bonnes propriétés en fatigue, et principalement leur résistance à la corrosion (Uomoto et al. 2002). Cependant, à cause des applications versatiles du béton dans plusieurs domaines de la construction (ponts, immeubles, structures marines, pavements d’autoroute, etc.), les structures armées en PRF sont souvent exposées, particulièrement dans les conditions environnementales québécoises, à des cycles de mouillage et de séchage, à des conditions de gel et dégel, à des sels de déglaçage ainsi qu’à des températures extrêmes (basse et haute). 1 Notons que de tous les renforts en polymère qui existent, ce sont essentiellement ceux renforcés de fibre de verre (PRFV) qui sont les plus utilisés dans les structures de béton grâce principalement à leur faible coût et à leurs bonnes performances comparativement au ratio coût/performance des autres types de fibre (ex. carbone, aramide, basalte). Nonobstant cela, ils sont sujets à être dégradés par les solutions interstitielles du béton dont les pH sont très élevés (11,5-13,5) (Neville 1996). Cette dégradation réduit inévitablement la durée de vie de ces armatures. Le MTMDET vise à ce que ses ouvrages d’art aient une durée de vie minimale de 75 ans. Toutefois, le manque de consensus sur la durabilité et la performance à long-terme des armatures en PRFV fait en sorte que leur utilisation reste encore très limitée. Dans ce contexte ce rapport comprend deux objectifs principaux:  Émettre un avis d’expert externe sur les résultats de tests effectués à ce jour sur la durabilité des armatures en PRFV à base de résine vinylester publiés dans la littérature accessible ainsi que dans la documentation remise par le MTMDET au responsable du projet : ces tests permettent-ils de garantir de façon satisfaisante que la durée de vie des armatures en PRFV est supérieure à celle de l’infrastructure ayant été construite avec des barres d’acier?  Explorer les techniques de caractérisation de la durabilité et proposer différents types d’analyses afin de caractériser les barres « dégradées ». Ce rapport se divise alors en deux parties. La première s’attaque au premier objectif et la deuxième partie élabore justement sur le deuxième objectif. Par ailleurs, la première partie du rapport comporte les deux étapes suivantes qui répondent aux objectifs généraux et spécifiques cités précédemment : Étape 1 : Une revue et une analyse critique de la littérature ont été effectuées sur le sujet pour bien cerner les connaissances existantes. Étape 2 : Comparer les tests effectués sur les barres PRFV entre eux par différents chercheurs dans le monde et faire des recoupements afin d’émettre une opinion. 2 Pour répondre à cette problématique, nous présentons dans cette partie l’état des connaissances sur la durabilité des armatures en PRFV. Il s’agit d’effectuer une revue et une analyse critique de la littérature afin de mieux cerner les connaissances existantes. La démarche consiste à évaluer la dégradation de ces armatures en comparant les propriétés physico-chimiques et mécaniques, avant et après que ces armatures aient été exposées à un environnement pouvant refléter leur milieu de service. Toutefois, pour des raisons liées aux objectifs du projet, nous nous limiterons aux polymères renforcés de fibre de verre dont le vinylester est la matrice polymère. Ceci nous permettra de présenter une étude bibliographique beaucoup plus concise et focalisée sur un type de fibre qui est associé à un type de matrice. Rappelons aussi que le MTMDET, pour des raisons de durabilité, recommande l’utilisation d’une matrice à base de vinylester au lieu de celle à base de polyester car elle est la plus performante des deux en termes de température de service (T : g température de transition vitreuse élevée et réticulation optimisée) et de cohésion fibre/matrice (meilleure résistance au cisaillement inter-laminaire) (Benmokrane et al. 2015). De plus, dans l’optique où les barres d’armature en polymères renforcés de fibres de verre (PRFV) sont utilisées comme renfort interne dans les structures des ouvrages d’art du MTMDET, la performance à long terme de celles-ci devrait inéluctablement répondre à la condition de la durée de vie minimale de 75 ans pour leurs ouvrages d’art. Autrement dit, la principale performance que ces barres devraient exhiber est leur capacité à résister à une longue période d’exposition à un environnement agressif sans pour autant perdre leurs propriétés physico-chimiques et mécaniques. Rappelons tout de même que ces propriétés physico-chimiques, mécaniques, ou d’interface avec le béton des barres en PRFV sont susceptibles de changer sous l’effet des facteurs environnementaux. Il a été souligné que l’environnement de laboratoire, plus critique, diffère de celui en service, et la corrélation du niveau de dégradation entre ces deux environnements reste difficile à établir (Tchitembo Goma et al. 2016). Ceci est dû en partie à la difficulté de générer des estimations de la durée de vie précise de ces barres lorsqu’elles sont soumises à ces environnements. Bien que dans les conditions de laboratoire, certains auteurs ont extrapolé la durée de vie de ces barres sans pour autant répondre clairement à l’épineuse question de la durée de vie de 75 ans (Chen et al. 2006, Robert et al. 2009, Robert and Fam 2012), dans le cas de conditions 3