Abonnez-vous Identifiez-vous

Identifiez-vous

Vos codes d'accès sont erronés, Veuillez les saisir à nouveau. Mot de passe oublié ?

LES COMPOSITES S'IMMISCENT DANS LE B-TP

,

Publié le

Enquête Les composites à matrice polymère et les composites cimentaires ont leur rôle à jouer dans le bâtiment et le génie civil. Mais ils doivent s'adapter aux conditions de mise en oeuvre du secteur, sur les chantiers et en préfabrication.

Légers, résistants, mis en forme par de multiples procédés de transformation, les matériaux composites ont déjà fait leurs preuves dans l'aéronautique, l'automobile, les équipements de sport et de loisirs. Mais le passage de secteurs industriels, souvent de haute technologie, au domaine du bâtiment et du génie civil, n'a rien d'immédiat. « Les composites sont aptes à devenir les matériaux de construction du 21e siècle. Mais cette affirmation doit être relativisée, si l'on prend en compte les conditions de mise en oeuvre des matériaux, la qualification de la main-d'oeuvre, les exigences de durée de vie propres au bâtiment et les contraintes de prix », souligne Patrice Hamelin, directeur du Laboratoire Mécanique Matériaux Structure (L2MS) de l'université de Lyon, et coordonnateur du Projet national de recherche et développement sur les matériaux composites en génie civil. Un projet géré par l'Irex, organisme qui réunit des partenaires sur des programmes de recherche en génie civil, selon une procédure soutenue par le ministère de l'Equipement.

Malgré tout, les composites commencent à faire leur chemin dans le B-TP. Leurs promoteurs s'efforcent - ce n'est pas le plus facile - de démontrer les avantages des composites aux différents intervenants de la filière, du maître d'ouvrage aux entreprises, en passant par les maîtres d'oeuvre, architecte, bureaux d'études et bureaux de contrôle, tous plus enclins à travailler avec les matériaux traditionnels que sont le béton et l'acier. Et les recherches se poursuivent sur les matériaux et leurs applications, comme en témoigne le colloque international « Composites in Construction », qui se tiendra du 11 au 13 juillet 2005 à Lyon.

Deux grandes filières se développent. Les matériaux polymères renforcés de fibres, développés par l'industrie, trouvent dans le B-TP de nouvelles applications. Par ailleurs, le principe du composite est décliné dans des matériaux à base cimentaire, comme les composites ciment-verre, et les bétons renforcés de textiles.

A priori, les composites polymères, renforcés par des fibres de verre, de carbone, ou d'aramide (tel le Kevlar), paraissent les plus éloignés du monde de la construction. Pourtant, ils se sont fait une place dans la réparation ou le renforcement des bâtiments et ouvrages. Il est vrai qu'ils ont des atouts sur ce créneau. « Le composite est mis en oeuvre rapidement, et son coût peut être inférieur au coût de non fonctionnement d'une infrastructure ou d'un bâtiment pour une longue période de réparation. La maintenance est donc un marché d'avenir pour les composites », affirme Patrice Hamelin.

En effet, les besoins sont multiples. La réparation de structures endommagées par accident, ou par vieillissement, mais aussi le renforcement d'ouvrages qui changent de fonction : un pont autoroutier auquel on ajoute une voie, un plancher qui doit recevoir une machine plus lourde que prévu, un bâtiment qui subit des modifications... De plus, l'évolution des réglementations antisismiques, ou de gestion des risques d'explosion, ouvre aussi des pers-pectives aux composites. Sans compter le renforcement des structures mal dimensionnées...

Facilité de mise en oeuvre

« Pour la protection antisismique, les composites ont l'avantage de conserver l'intégrité de la structure et d'éviter son effondrement. Mais plus généralement, le principal atout des composites est leur commodité de mise en oeuvre. Une intervention peut dans certains cas être réalisée en 24 heures », indique Robert Copé, directeur adjoint de la R & D au CSTB (Centre scientifique et technique du bâtiment). « La remise en service est rapide, et le coût global de la solution - matériau et pose - est compétitif », estime Yvon Gicquel, chef de produit Réparation et Renforcement de structures chez le chimiste de spécialité Sika France.

La panoplie des techniques de mise en oeuvre (avec des fibres de carbone, le plus souvent) permet de s'adapter au problème posé : enroulement de fibres imprégnées de résine sur un poteau ou une pile de pont, collage de lamelles ou de « plats » composites pultrudés (qui se substituent aux plats métalliques), moulage « au contact » de tissus en carbone... La branche Construction du suisse Sika, qui dispose d'une palette de techniques de réparation, propose ainsi des solutions à base de fibres de carbone et de résine époxydique, soit sous la forme de tissu, imprégné de résine sur le site de réparation, soit en lamelles composite fabriquées en usine et collées sur la structure à renforcer. De son côté, l'entrepreneur Freyssinet (groupe Vinci) a développé sa propre solution de réparation sur site, par collage d'un tissu de carbone à l'aide d'une résine. Le plus souvent il réalise lui-même l'opération. « Les performances de la réparation dépendent beaucoup de sa mise en oeuvre », souligne Benoît Lecinq, directeur technique de Freyssinet International. En particulier lorsque le mélange de fibres et de résine est réalisé et mis en forme sur le chantier, qui ne bénéficie pas des mêmes conditions qu'un atelier de l'aéronautique !

En fait, la mise en oeuvre peut souvent se révéler délicate. Ainsi, la technique du « plat collé » est bien connue (avec des plats métalliques). Mais l'état initial du substrat à renforcer, son état de surface notamment, n'est pas sans influence sur la durabilité de la réparation à l'aide d'un composite. Autre écueil : « Le degré d'humidité de l'élément de structure peut se traduire par un phénomène de condensation à l'interface avec le polymère, avec des risques de dégradation du renfort », explique Robert Copé. Par ailleurs, ces techniques sont encore relativement jeunes, même si elles sont utilisées depuis une quinzaine d'années, notamment au Japon. Des connaissances fondamentales ont encore besoin d'être approfondies : lois de comportement (fatigue, fluage, vibration), fiabilité et durabilité, méthodes de calcul et de dimensionnement... Des sujets d'études qui sont au programme du Projet national sur les matériaux composites en génie civil. Cependant, le faible développement des solutions composites en France est d'abord lié à l'inertie du secteur, où l'introduction d'une technologie nouvelle prend nécessairement des années. « En France, plus de 90 % de l'utilisation de nos produits concernent le bâtiment, surtout pour renforcer des planchers après ouverture pour le passage de canalisation. A l'étranger, y compris en Europe, les applications sont plus variées, notamment en génie civil », explique Yvon Gicquel de Sika.

Premières expériences européennes

La France n'est pas non plus une référence dans la construction neuve employant des composites. Ce domaine d'application prometteur est encore assez restreint, il est vrai, même au niveau mondial. Les ouvrages réalisés en composites sont essentiellement des ponts et passerelles, dont les poutres, tabliers, et câbles peuvent être fabriqués en résine renforcée de fibres de carbone ou de verre. A titre d'exemple, le danois Fiberline Composites, spécialiste de la pultrusion, a construit récemment près de Dresde (Allemagne) un pont routier entièrement en polymère renforcé de fibres de verre. Une première « sur le continent », selon Fiberline Composites, qui a auparavant réalisé un pont analogue en Grande-Bretagne. Le principal atout de cette solution, par rapport au béton et à l'acier : la rapidité de la mise en place de l'ouvrage et les faibles coûts de maintenance.

D'après l'enquête menée pour la préparation du Plan national, les poutres composites pour passerelles sont devenues assez courantes aux Etats-Unis, et quelques réalisations ont vu le jour en Europe (Pays-Bas, Royaume-Uni, Espagne...). Des tabliers en composite préfabriqués se sont développés outre-Atlantique, ainsi que des armatures de bétons en composites, pour des ouvrages en environnement agressif (eau de mer, industrie chimique...). Enfin, des ponts à haubans en composite ont été installés au Japon, en Amérique du Nord, en Europe, ... et en France, où une passerelle a été construite par Freyssinet à Laroin (Pyrénées-Atlantiques) avec des haubans en fibres de carbone. Un projet réalisé avec son partenaire Soficar, producteur de fibres. « Il s'agissait d'une expérimentation. Mais l'intérêt des fibres de carbone apparaît clairement pour de très grands ponts », indique Benoît Lecinq, qui précise qu'un pont sur le détroit de Messine (3 300 mètres) demanderait 156 000 tonnes de câbles en acier, et seulement 10 000 à 15 000 tonnes de fibres de câbles en carbone ! Sachant que la production mondiale de fibres de carbone est aujourd'hui d'environ 25 000 tonnes/an, ce type de grand projet en carbone risque tout de même de poser des problèmes d'approvisionnement... et de coût : le carbone est nettement plus cher que l'acier, même si les applications B-TP se contentent d'un matériau moins onéreux que les fibres de haute qualité utilisées dans l'aéronautique.

Autre frein : plus la portée des ponts est grande, plus la prudence s'impose sur les innovations techniques. C'est pourquoi Freyssinet mise plutôt, à terme, sur le marché des câbles d'ancrage de plates-formes pétrolières off-shore, notamment en raison du développement futur des fora-ges de grande profondeur.

Développer une « culture composite » dans les écoles d'ingénieurs

Au-delà des grands projets et des expérimentations, pour créer une filière composites dans la construction neuve, « il faut développer une "culture" du composite dans les écoles d'ingénieurs et les bureaux d'études », affirme Patrice Hamelin. Et il ajoute qu'il faudrait aussi promouvoir en France une industrie de la pultrusion, principal procédé utilisé en préfabrication d'éléments composites pour le bâtiment.

Si les composites à matrice polymère doivent s'adapter à l'environnement du B-TP, les matériaux traditionnels de la construction, ciment et béton, s'efforcent de transposer le principe et les avantages du composite. Ainsi, l'addition de quelques pour-cent de fibres métalliques dans une matrice cimentaire donne un béton dont les résistances à la traction et à la flexion, points faibles du matériau de construction, sont sensiblement améliorées. Ce sont les bétons fibrés, tel le Ductal de Lafarge, qui sont aussi plus ductiles, avec un mode de rupture moins brutal.

Les composites ciment-verre, une ma-trice de ciment renforcée par des fibres de verre alcali résistantes (une formulation spéciale qui résiste à l'attaque du ciment), sont utilisés pour réaliser des panneaux de façade ou des habillages de ponts. Pour de grandes surfaces, ciment et fibres (3 à 5 % en poids) sont projetés simultanément. « Les composites ciment-verre permettent de fabriquer des panneaux minces, légers et très résistants. Par ailleurs, en faible quantité, les fibres sont utilisées pour protéger des bétons contre les microfissurations », explique Stephan Liozu, responsable de l'activité Spécialités chez Saint- Gobain Vetrotex, qui produit sous la marque Cem-Fil des fibres de verre pour compo-site cimentaire. Ce type de renfort est aussi utilisé en préfabrication. Par exemple chez Betsinor, une PME basée à Courrières (Pas-de-Calais), qui utilise le composite ciment-verre pour fabriquer en atelier, par coulage ou projection simultanée, des panneaux de façade, des panneaux acoustiques (gares), et des coques minces pour l'habillage de bâtiment ou de tunnel.

A un stade moins développé, au moins sur le plan commercial, les bétons renforcés de textile sont une autre déclinaison des principes développés pour les composites polymères. Cette fois, la matrice cimen-taire est renforcée par un tissu de fibres de verre, de carbone ou d'aramide. Le procédé consiste à remplacer l'armature métallique d'un béton par une « grille » en polymère. Les avantages sont multiples : les fibres de renforcement peuvent être orientées dans les directions souhaitées et le renfort est insensible à la corrosion. Une technique utilisable pour des éléments minces de façade, voire des éléments de structure. Plusieurs instituts allemands travaillent actuellement sur les bétons renforcés de tissus. A l'université d'Aix-la-Chapelle, l'équipe de Josef Hegger (Institut für MassivBau), très active sur le sujet, a testé sur une application pilote (une extension du laboratoire) des panneaux extérieurs en béton renforcé de tissus de verre. Des éléments préfabriqués de 2,5 cm d'épaisseur, dans lesquels deux couches de tissu sont noyées dans le béton. Parallèlement, les chercheurs explorent les propriétés mécaniques des composites, cherchant à mettre au point des méthodes de calculs et de dimensionnement. Car les mécanismes du renforcement ne sont pas entièrement élucidés et maîtrisés. Ainsi, à l'université israëlienne Ben Gourion, le département d'ingéniérie structurale étudie l'influence de la géométrie du tissu : sa structure conditionne fortement l'interaction entre la matrice cimentaire et le renfort, et par conséquent les propriétés mécaniques du composite. Mais déjà, d'autres applications sont envisagées. Des chercheurs de l'université technique de Dresde ont utilisé du béton renforcé de tissu de verre pour réaliser des tuyauteries composites. L'intérieur est en plastique, mais l'extérieur du tuyau est en béton renforcé de textile. L'avantage de cette combinaison : un tuyau où peuvent circuler des fluides agressifs, mais qui présente une forte résistance à la pression intérieure ou extérieure. Cependant, pour les bétons renforcés comme pour les composites polymères, c'est la mise en oeuvre pratique qui conditionne le développement des applications à grande échelle. Dans le cas des bétons, la maîtrise du positionnement des tissus, et plus généralement des conditions opératoires, limite aujourd'hui le passage à une préfabrication industrielle.

Créez votre compte L’Usine Connect

Fermer
L'Usine Connect

Votre entreprise dispose d’un contrat
L’Usine Connect qui vous permet d’accéder librement à tous les contenus de L’Usine Nouvelle depuis ce poste et depuis l’extérieur.

Pour activer votre abonnement vous devez créer un compte

Créer votre Compte
Suivez-nous Suivre Usine Nouvelle sur Facebook Suivre Usine Nouvelle sur Twitter RSS Usine Nouvelle