Textile reinforced mineral matrix composites : from material to the structure
Composites fibres / matrice minérale : du matériau a la structure
Résumé
This PhD thesis focuses on the development of E-glass reinforced Inorganic Phosphate Cement (IPC) matrix composites for structural applications in Civil Engineering. First, a bibliographical review highlights the main parameters occurring at different scales (nano, micro, meso and macro) influencing the global behaviour of the composite. Mechanical and physico-chemical properties of the different components are presented, followed by a characterization methodology in tension, in compression and in shear. The development of specific experimental procedures in compression and in shear leads to the identification of the constitutive equations and to the assessment of the damage and failure thresholds. The prediction of the different terms of elastic stiffness is assessed using micromechanical expressions. The failure is analysed at the macroscopic scale considering two failure criteria: Tsai-Wu and Mohr-Coulomb. The second part of the study is devoted to the analysis of loadbearing elements in glass reinforced mineral matrix. The realised beams show a height-to-span ratio between 1/15 and 1/50. The experimentation highlights specific failure modes confirming the weak shear performance of the composite in terms of shear force, interlaminar shear and fibre/matrix decohesion. Some technological modifications allow the optimisation of the design: the use of internal reinforcing struts, external confinement by fiber braiding and external wrapping. For each type of structure, we define the validity limits of the usual design methods examining the design hypotheses (Navier-Bernoulli, Saint Venant) and the equilibrium equations in function of the kinematics. In a second time, we consider the development of a force equilibrium model integrating a non-linear behaviour adapted to the internal redistribution of the shear forces.
Ce travail de recherche est axé sur le développement de composites à liant phosphatique et fibres de renfort en verre E pour diverses applications structurales en Génie Civil. Dans une première partie, un bilan bibliographique nous permet d’identifier les principaux facteurs aux différentes échelles (nano, micro, méso et macro) ayant une influence sur le comportement global de composites à matrice minérale. Dans un second temps, les propriétés mécaniques et physico-chimiques des constituants sont présentées. Nous développons une méthodologie spécifique de caractérisation en traction, en compression et en cisaillement. Le développement de procédures expérimentales particulières en compression et en cisaillement permet l’identification des lois de comportement et l’évaluation des seuils d’endommagement et charges de rupture. La prévision des différents termes de rigidité élastique des systèmes composites est évaluée à partir d’expressions reprenant les principes de base de la micromécanique des composites. L’analyse du comportement à rupture est abordée au plan mésoscopique en considérant deux critères de résistance en plasticité, anisotropie (Tsai-Wu) et en contrainte normale, de cisaillement (Mohr-Coulomb). La deuxième partie de la recherche est consacrée à l’étude d’éléments structuraux mettant en oeuvre les formulations pultrudés de ces systèmes composites. L’expérimentation de poutres, présentant un rapport de la hauteur de la section à la portée de la poutre compris entre 1/15 et 1/50, met en évidence des modes de rupture spécifiques confirmant les faibles caractéristiques du matériau vis-à-vis de l’effort tranchant, du cisaillement interlaminaire et de la décohésion fibre/matrice. L’optimisation de la conception et du dimensionnement des poutres se poursuit en considérant des modifications d’ordre technologique : modification des sections par addition d’entretoises, confinement des sections par tressage circonférentiel, application d’un confinement par stratification directe. Pour chaque type de structures, nous cherchons à définir les limites de validité des méthodes de dimensionnement usuelles en examinant plus particulièrement la conformité des hypothèses de calcul (Navier-Bernoulli, Saint Venant), la cohérence des équations d’équilibre au regard de la cinématique dans chaque section. Dans un second temps, nous considérons des développements intégrant les non linéarités de comportement ou des modèles d’équilibre de type force adaptés à la redistribution interne des efforts tranchants.
Origine : Version validée par le jury (STAR)