Matériaux Innovants Composites pour la Réparation d'Ouvrages : Approche fiabiliste du dimensionnement pour leur requalification et la prédiction de leur durabilité – MICRO

La réalisation du programme de recherche s’est appuyée sur 4 tâches spécifiques réparties entre les différents partenaires du projet.
• La tâche 1 a porté sur le développement d'un matériau composite innovant fibres naturelles/matrice biosourcé. Ce travail a été réalisé par IMP –INSA Lyon (mise au point de la matrice époxy biosourcée) et par ARMINES (étude sur le choix du tissu de fibres naturelles et l’influence des traitements de surface des fibres sur les propriétés finales des composites) dans le cadre de 2 post-docs.
• La tâche 2, constituant le cœur du projet, a concerné l’étude de durabilité des composites de renforcement (système de référence carbone/epoxy pétrosourcé et système biosourcé) à travers une approche expérimentale multi-échelle (tâche 2.1) et une exploitation statistique et fiabiliste des résultats expérimentaux (tâche 2.2). Ces recherches ont été menées par le LMC2 et l’UGE/Ifsttar dans le cadre de 3 thèses. En parallèle, le LTDS a travaillé sur le développement de capteurs piézoélectriques destinés au suivi de la polymérisation de la matrice polymère et au suivi de l’endommagement des composites.
• Dans la tâche 3, les lois de fiabilité précédemment établies aux échelles du composite seul et de l'interface composite-béton ont été introduites dans le formalisme du dimensionnement d’éléments de structure renforcés par composites (tâche 3.1). Cette partie a été réalisée par le LARIS dans le cadre d’un post-doc. Le L2MGC a également évalué l’efficacité du renforcement par composites collés à l'échelle de la structure (poutres en béton armé, colonnes) dans le cadre d’une thèse.
• La tâche 4 visait initialement à définir une stratégie d’inspection et de maintenance optimisée par la fiabilité. Le financement associé à cette tâche ayant été supprimé, la tâche a été recentrée sur un effort collectif de valorisation des résultats, notamment à travers l’organisation d’une conférence internationale CICE 2018 qui s’est tenue à l'Ifsttar en juillet 2018.

Au cours du projet, plusieurs avancées majeures ont été obtenues :
• Bilan des potentialités de renforts structurels composites à faible impact environnemental,
• Meilleure connaissance de leurs mécanismes de vieillissement/dégradation
• Constitution d’une base de données expérimentales avec les évolutions de plusieurs indicateurs de performances mécaniques des composites seuls et de l’interface collée béton/composite en conditions de vieillissements réel et accélérés
• Traitement statistique de ces données et établissement de lois comportementales et fiabilistes
• Développement d’une méthode d’évaluation probabiliste de la durée de vie des systèmes composites
• Recalibration des facteurs de sécurité environnementaux dans les principaux codes de dimensionnement internationaux
• Démonstration de l’efficacité du monitoring par capteurs piézoélectriques intégrés, pour le suivi de la polymérisation de la matrice et de l’endommagement.

Certains objectifs ont été partiellement atteints et sont toujours en cours de réflexion. Ils font l’objet de travaux en cours et d’études complémentaires : Modélisation afin d’optimiser le dimensionnement des structures réparées, Actualisation de la fiabilité par les résultats d’inspections, Intégration des résultats dans les codes de calcul afin de calibrer les coefficients de sécurité, diffusion des connaissances et établissement d’un protocole intelligent de suivi des ouvrages. A l’issue de ce projet, les partenaires académiques continuent à travailler ensemble afin de lever quelques verrous restants.
A court terme, les partenaires vont poursuivre la valorisation des connaissances acquises sur les systèmes composites à fibres végétales, sur les méthodes d’essais et les conditions de vieillissement accéléré jugées les plus reproductibles, ainsi que sur l’approche fiabiliste, outil très intéressant pour de nombreux domaines du génie civil.
A plus long terme, les méthodologies développées dans ce projet seront étendues à d’autres matériaux du génie civil.

Les principales productions scientifiques réalisées dans ce projet sont les suivantes :
• 5 thèses soutenues dans le cadre du projet (2 financées par l’ANR, 3 hors financement ANR)
• Valorisation dans le cadre de 27 communications (conférences et publications dans des revues internationales)
• Organisation d’une Conférence Internationale à Paris en juillet 2018 (CICE 2018), avec la participation de l’ensemble des partenaires du projet et des industriels impliqués

Face au vieillissement du patrimoine bâti français, le renforcement structural par collage externe de matériaux composites s’impose progressivement comme une solution de choix pour réhabiliter les ouvrages et prolonger leur durée de vie. En offrant la possibilité de réduire les coûts de maintenance et de rationaliser la gestion des infrastructures, ce procédé revêt un intérêt majeur pour les maîtres d’ouvrages et la société en général.

Le projet MICRO vise à débloquer les derniers verrous limitant l’utilisation de ces matériaux de renforcement en abordant les problématiques suivantes :
- il s’agira d'abord de mieux appréhender la durabilité et la fiabilité de ce procédé constructif à travers une approche fiabiliste et une analyse multi-échelle,
- on s’attachera également à anticiper les évolutions probables de la règlementation européenne, en proposant un système de renforcement composite innovant à empreinte environnementale réduite, basé sur l’utilisation de constituants naturels ou biosourcés et dépourvus de composés CMR.

Le développement d’une méthode probabiliste se justifie par le fait que les matériaux composites à matrice polymère n’ont été introduits que récemment dans le domaine de la construction, et que leurs lois de comportement dans ces conditions spécifiques de service restent encore mal connues. En effet, les performances de ces systèmes hétérogènes dépendent de plusieurs mécanismes complexes pouvant agir en synergie, ce qui rend délicate toute approche déterministe en raison des grandes variabilités observées. Il est donc impératif de pouvoir prédire la durée de vie des ouvrages requalifiés en appréciant leur risque de défaillance exprimé en termes de probabilités.

Le projet MICRO développera donc une approche fiabiliste complète, qui prendra en compte des indicateurs et variables déterminés par analyse statistique dans le cadre d’un plan d’expérience rigoureux. Ce dernier s’appuiera sur un nombre optimal d’essais de vieillissement accélérés, représentatifs des conditions de service. L’analyse multi-échelle permettra quant à elle de justifier scientifiquement le choix des indicateurs de durabilité et d’identifier les différents mécanismes de dégradation de l’assemblage collé (au niveau de la matrice polymère et des interfaces fibre/matrice ou composite/béton).

Les matériaux de renforcement suivants seront considérés :
- le traditionnel système tissu de fibres de carbone / résine d’imprégnation époxy (procédé de référence), couramment utilisé sur chantier,
- des systèmes innovants et plus écologiques : tissus de fibres végétales ou de basalte / polymères « verts » (résine thermodurcissable de type époxy biosourcée). Une attention particulière sera portée au traitement de surface des fibres qui assurera la compatibilité avec la matrice, ainsi qu’au procédé de mise en forme des composites.

Ces matériaux composites seuls ainsi que les ouvrages requalifiés seront étudiés en vue de prédire leurs durées de vie. L’objectif du projet de recherche MICRO sera, in fine, de fournir aux maîtres d’ouvrages tous les éléments scientifiques et techniques d’aide à la conception et au dimensionnement des réparations par composites, en respectant l’approche semi-probabiliste des Eurocodes et en cherchant à satisfaire aux exigences performantielles de sécurité, fiabilité, durabilité et qualité imposées dans la nouvelle démarche Européenne.

Le projet MICRO s’étendra sur 48 mois de recherche bien structurée et coordonnée, et s’appuiera sur l’engagement d’équipes reconnues qui apporteront leurs compétences respectives sur les différents aspects du projet (développement matériau, étude de durabilité, dimensionnement de structures, analyse fiabiliste) en vue de proposer une méthodologie générique adaptée à l’ingénierie et à la requalification d’ouvrages pour des durées de vie de 10 à 100 ans.

Ce projet répond à des problèmes pratiques et sera utile pour l’économie. Ses objectifs ambitieux justifient le coût prévisionnel.