La technologie permettant de stabiliser les structures en béton avec des plastiques renforcés de fibres de carbone, et donc de les faire durer plus longtemps, a été développée il y a plusieurs décennies, entre autres à l'Empa. Aujourd'hui, les chercheurs de Dübendorf travaillent sur une nouvelle variante à lamelles précontraintes - avec de bonnes perspectives d'application pratique.
La résine époxy utilisée comme adhésif pour les ailettes en PRFC : Niloufar Moshiri, chercheuse à l’Empa, et Martin Hüppi, partenaire industriel, pendant les préparatifs. (Image: Empa)
Poutrelles en béton déformées, fissures sur la face inférieure des ponts, risque de rouille pour les armatures: en Suisse, de nombreux ouvrages prennent de l’âge. Prenez les routes nationales, par exemple: Selon le rapport d’état 2019 de l’Office fédéral des routes (OFROU), une grande partie des ponts ont été construits entre le milieu des années 1960 et les années 1980 du siècle dernier – avec des charges de trafic nettement plus faibles qu’aujourd’hui.
Les plastiques renforcés de fibres de carbone (PRFC) sont utilisés depuis longtemps pour réhabiliter les structures porteuses qui souffrent de leurs charges: des lamelles plates, collées sur la face inférieure, contrebalancent la charge. Dans le cas de la méthode «Ebrog» (armature collée à l’extérieur sur des rainures), par exemple, qui n’est apparue que ces dernières années, des rainures étroites sont fraisées à l’avance dans le sens longitudinal de la poutre. Ceci donne plus de surface pour la transmission des forces, qui agissent également plus profondément dans le béton. Cette méthode a été utilisée pour la première fois en 2018 pour la rénovation d’un pont à Küssnacht.
Réhabilitation d’un des ponts de l’autoroute entre Küssnacht et Brunnen: En octobre 2018, des poutres en béton ont été renforcées pour la première fois avec des stratifiés PRFC selon la méthode Ebrog; toutefois, sans précontrainte. (Image: S&P Cleve)
Les chercheurs de l’Empa poursuivent maintenant le développement de cette méthode dans le cadre d’un projet Innosuisse avec le partenaire industriel S&P Clever Reinforcement Company à Seewen. L’équipe dirigée par Christoph Czaderski, du département de recherche «Structures d’ingénierie», teste des laminés en PRFC précontraints qui renforcent «activement» les poutres en béton: ils sont collés avec de la résine époxy sous contrainte de traction. Une fois que la liaison a durci, les extrémités sont détendues – et les bandes, qui «veulent» se contracter, s’opposent encore plus à la déviation.
Délicat dans le détail
Ce qui paraît simple au premier abord est délicat dans le détail, notamment aux extrémités des bandes, où agissent d’énormes forces de traction pouvant atteindre 14 tonnes. Pour éviter qu’ils ne s’arrachent, ils doivent être fixés de manière fiable. Jusqu’à présent, on utilisait pour cela des plaques d’aluminium, collées et fixées par des chevilles – mais l’équipe de l’Empa a conçu pour cette nouvelle méthode des supports en U spéciaux en PRFC. Les avantages: une transmission des forces plus précisément définie et, surtout, une construction sans métal – à l’abri de la corrosion omniprésente et redoutée.
Pour cette nouvelle méthode, l’équipe de l’Empa a spécialement conçu des étriers en forme de U en PRFC (à gauche sur la photo). Les couleurs indiquent la charge sur le matériau: le jaune signifie une charge élevée, le rouge la plus forte. (Image: Empa)
«Une solution composée d’un seul matériau est toujours meilleure que deux qui se comportent différemment, explique Christoph Czaderski, notamment pour l’ancrage, nous avons fait beaucoup de tests en laboratoire.» L’équipe a bénéficié de l’expérience acquise à l’«Université de technologie d’Isfahan» en Iran. «Une grande partie de la recherche fondamentale y a été effectuée», explique Christoph Czaderski. «Notre associé postdoctoral Niloufar Moshiri est venu nous voir avec l’idée de combiner le processus Ebrog avec la précontrainte.»
Le potentiel est important, comme le montrent les expériences menées en laboratoire: Le procédé avec précontrainte et étriers en PRFC a augmenté la capacité de charge d’une dalle de béton de 77 % par rapport à la méthode de renforcement «classique» sans rainures et sans précontrainte. Même sans précontrainte, l’augmentation était encore de 34 %.
Pour que la technologie soit prête à être commercialisée, des essais à grande échelle sur des dalles de béton d’une portée de six mètres doivent fournir de nouvelles conclusions avant qu’un véritable projet de rénovation ne suive en 2021. Pendant ce temps, le partenaire industriel travaille déjà sur les aspects pratiques. Les experts développent un processus industriel pour les équerres en U, qui étaient auparavant formés à la main à partir de profilés en carbone. Et les équipements avec lesquels les lamelles ont été précontraintes jusqu’à présent «doivent être repensés pour le nouveau procédé», explique Martin Hüppi, qui dirige le projet chez S&P et qui collabore depuis longtemps avec les experts de l’Empa.
Les dalles de béton testées: Les fissures et les déformations en laboratoire montrent que la nouvelle méthode a un grand potentiel. (En haut: méthode Ebrog avec précontrainte, en bas sans précontrainte et méthode classique. (Image: Empa)
Des efforts qui pourraient s’avérer utiles: Toute structure rénovée plutôt que reconstruite permet d’économiser non seulement des coûts mais aussi des émissions de CO2. En outre, le processus serait plus facile et plus rapide à gérer lors de l’installation. «Son prix serait également raisonnable pour les propriétaires de bâtiments», explique Martin Hüppi, qui voit de bonnes possibilités d’applications – non seulement pour le vieillissement de grandes structures telles que les ponts, mais aussi pour la rénovation de logements. «Je vois absolument un marché pour ce matériau», déclare Martin Hüppi, «et le potentiel du matériau n’est que pleinement exploité avec la précontrainte.»
Source: Empa