Brevet FR2639955A1 — publié le 19900608

La présente invention concerne un procédé pour améliorer la résistance à l'amorcage, en régime stable, et à la propagation des microfissures dans un joint adhésif composite adhérant à la surface ou subjectile d'un substrat ou d'éléments de renforcement d'un corps en matériau composite ou agrégat. Actuellement les structures collées se développent de plus en plus dans divers secteurs industriels et il est donc de la plus haute importance que les joints adhésifs présentent la plus haute résistance possible. I1 en est de meme dans le domaine des materiaux composites et des agrégats, tels que les ciments auxquels est ajoute du polystyrène expansé ou une argile expansée, les bétons légers renforcés de fibres, de particules métalliques, de particules plastiques (traitées ou non) etc., lorsque ceu.-ci sont soumis å des contraintes enlevées. Ainsi qu'il est bien connu, les matériaux composites comprennent généralement une matrice en résine synthétique dans laquelle sont noyés des éléments de renforcement se présentant sous la forme de particules ou de fibres allongées. Dans le cas du béton les éléments de renforcement, également du type allongé, sont noyés dans le liant hydraulique qui assure par ailleurs la liaison rigide entre les granulats. Les adhésifs couramment utilisés à ce jour comprennent généralement un liant durcissable dans lequel est incorporée une charge constituée par des particules de granulométries différentes, Ces particules de la charge peuvent être d'origine minérale et'dans ce cas elles sont de forme allongée ou cubique ; d'autres particules sont en élastomères et elles ont alors une forme sphérique . Du point de vue granulométrie ces -particules se répartissent essentiellement en deux groupes à savoir des petites particules de dimension moyenne de i'crdre de à 6 m crometres et des grosses particules ayant une dimension moyenne allant sensiblemen de 40 à 100 nicrométres. La présente invention vise à améliorer la résistance d'un tel joint adhésif grâce à une préparatif particulière de la surface ou du subjectile favorisant au rieur l'adhérence mécanique et physico-chimique, inséparables mais complémentaires dans beaucoup d'applications, des particules de charge de tailles diverses de l'adhésif. cet effet ce procédé pour améliorer la résistance a l'amorçage, en régime stable, et à la propagation des microfissures dans un joint adhésif composite adhérant à la surface ou subjectile d'un substrat ou d'éléments de renforcement d'un corps en matériau composite ou agrégat, ce joint adhésif étant composite constitué d'un liant, tel qu'une résine contenant des particules de charge minérales, élastomères ou composites (fibres de carbone/ verre etc...) réparties en particules de petite taille, d'un diamètre moyen allant de 1 à 10 micromètres environ, et en particules de grande taille d'un diamètre moyen allant de 40 à 100 micromètres environ, est caractérisé en ce que l1on traite préalablement le subjectile de manière à lui donner une rugosité moyenne sensiblement égale à la dimension moyenne des petites particules de charge, c'est-à-dire de l'ordre de 1 à 10 micromètres, et à donner en outre au subjectile rugueux une forme ondulée constituée par une succession de creux et de bosses, ces creux ayant une profondeur sensiblement de l'ordre de grandeur de la dimension moyenne des grosses particules de charge. Le procédé suivant l'invention permet d'obtenir une meilleure résistance de l'ancrage mécanique de l'adhésif sur le subjectile du fait que les petites particules de la charge se logent aisément dans les anfractuosités ménagées entre les aspérités du subjectile rugueux. Par ailleurs la résistance -mécanique au cisaillement du joint adhésif est également augmentée du fait que les grosses particules de la charge se logent dans les creux du subjectile rugueux ondulé et que de ce fait le substrat à subjectile ondulé absorbe une partie de la contrainte de cisaillement présente dans le joint. Le procédé suivant l'invention permet également d'augmenter les forces d'adsorption physique réversibles mettant en jeu des liaisons faibles (liaisons de Van der Waals) et il favorise ensuite la chimisorption, c'est-à-dire l'adsorption chimique au cours de laquelle se forment des liaisons fortes du type chimique (covalente, etc.). La force de l'ancrage peut être donc augmentée additionnellement en appliquant au subjectile rugueux ondulé un traitement sulfochromique créant des radicaux libre qui augmentent l'énergie de surface. De ce fait on obtient, à l'interface entre le joint adhésif et le subjectile, non seulement des liaisons mécaniques renforcées mais encore des liaisons chimiques fortes. Il y a lieu de noter que les forces de Van der Waals qui existent à l'interface, sont créées par des réactions réversibles et qu'elles donnent de ce fait une certaine souplesse élastique à l'interface ou plutôt à l'interphase. Ceci se traduit par une augmentation considérable de la résistance à la fatigue et une compacité de l'interphase nettement supérieure, qui, elle, engendre des canaux capillaires beaucoup plus petits et donc une meilleure résistance à la pénétration des agents fluides extérieurs. Dans =e cas le diamètre des canaux capillaires ains obtenus va de C,2 micrométre à quelques micromètres. On décrira ci-après. à titre d'exemples non limitatifs, diverses formes d'exécution de la présente invention, en référence au dessin annexé sur lequel La figure 1 est une vue en coupe schématique partielle., à grande échelle, d'un joint adhésif adhérent à un subjectile d'un substrat traité par le procédé suivant l'invention. Les figures 2,3 et 4 sont respectivement des vues de dessus, en coupe verticale et longitudinale et de dessous d'une éprouvette d'essai de traction utilisée pour la mesure extensométrique du comportement du joint adhésif représenté sur la figure 1. Les figures 5 et 6 sont des vues en coupe schématiques, à grande échelle, des subjectiles de deux substrats destinés à être assemblés par l'intermédiaire d'un film adhésif supporté, respectivement avant et après pressage des deux substrats l'un contre l'autre. La figure 7 est un diagramme illustrant la variation des seuils d'amorçage des fissures et de propagation des criques, dans le cas de subjectiles conventionnels et de subjectiles traités suivant ~'invention. La figure 1 représente partiellement, à grande échelle, la surface ou subjectile 1 d'un substrat 2 auquel adhère un joint adhésif 3. Le substrat 2 peut être une pièce quelconque devant être collée, par l'intermédiaire du joint adhésif 3, à un autre substrat ou bien encore il peut constituer un élément de renfort, tel qu'une fibre, d'un matériau composite ou encore un granulat d'un agrégat tel que le béton par exemple. Le joint adhésif 3 peut être de n'importe quel type connu, tel qu un joint de colle, un film adhésif supporté réversible ou non à la pression, un mat ou tissu imprégné de colle etc. Le joint adhésif 3 est constitué principalement d'une matrice en résine 4 dans laquelle sont réparties des particules de charge minérales et élastomères. Les particules de charge élastomères 5 ont généralement une forme sphérique et elles ont une dimension moyenne qui va de 3 à 6 micromètres, Les particules de charge minérales 6, telles que des particules de magnésium, silicium, calcium, titane, ont, elles, une forme allongée ou cubique et elles peuvent avoir une longueur allant de 10 à 15 micromètres et un diamètre moyen de 5 micromètres. Le joint adhésif 3 contient, outre ces particules 5,6 de petite taille, d'autres particules de charge 7 qui sont plus grosses et qui ont par exemple une dimension moyenne allant de 40 à 100 micromètres. Suivant l'invention on traite le subjectile 1 du substrat 2 de manière qu'il présente une rugosité totale Rt sensiblement égale au diamètre moyen dm des petites particules de charge minérales et élastomères 5,6 contenues dans la résine 4. Cette rugosité Rt peut aller de 1 à 10 micromètres, pour un diamètre moyen des petites particules 5,6 allant de 3 à 6 micromètres. On traite également le substrat de manière à donner à son subjectile rugueux l une forme ondulée constituée par une succession de bosses la et de creux lb. La profondeur Wt de l'ondulation, c'est-à-dire celle des creux lb, est choisie de l'ordre de grandeur de la dimension moyenne des grosses particules 7, ou un peu inférieure à cette dimension moyenne. Cette profondeur Pt peut aller par exemple de 10 à 20 micromètres et le pas A de l'ondulation peut être de l'ordre de 30 à 100 micromètres. L'ondulation la,lb du subjectile rugueux 1 peut être obtenue en soumettant le substrat à l'action abrasive, d'un mélange de sable à répartition statistique déterminée, ce mélange devant contenir des gros grains en petite quantité. Egalement la durée du sablage doit être déterminée et elle est de sept secondes dans le cas de l'exemple étudié ci-après. L'ondulation la,lb peut être aussi obtenue par rectification à l'outil meule de précision, ou par toilage et sur l'ondulation aussi obtenue (au moyen de papier verre, toile émeri, etc..) on applique un sablage fin pour obtenir la rugosité. Pour les granulats on les concasses au moyen d'un appareil comme sous le non de "ROLQBARRE" ou "GIRADISC", qui donne aux granulats la rugosité et l'ondulation désirées. Grâce à la structure précitée du subjectile 1 on obtient une augmentation de la résistance du joint adhésif 3 à l'amorçage et à la propagation des microfissures. En effet les petites particules de charge élastomères 5 s'engagent aisément dans les anfractuosités du subjectile rugueux 1 comme on peut le voir dans la partie agrandie de la figure 1. Les particules de charge minérales 6, auant à elles, s'orientent sensiblement à 45 , si elles sont longues, au voisinage du subjectile 1 et elles s'insèrent également dans les anfractuosités du subjectile 1, entre les aspérités de celuici. Par ailleurs les grosses particules 7 viennent se loger très aisément dans les creux lb pour renforcer l'ancrage dans ces zones.L'ensemble constitue un réseau å compacité optimisée et à adhérence mécanique et physico-chimique optimale. On voit également sur la figure 1 que la contrainte de cisaillement T dans le joint, notamment dans un film adhésif supporté, se décompose en une composante tangentielle t et une composante n perpendiculaire au subjectile 1. Par conséquent le substrat 2 absorbe une partie de la contrainte de cisaillement 1, ce qui contribue à augmenter la résistance globale du joint adhésif. Les figures 2 à 4 illustrent un appareil qui a été utilisé pour effectuer des essais de traction axiale sur un substrat 2 en forme de plaque dont une partie extrême est collée, au moyen de deux joints adhésifs supérieur 3a et inférieur 3b, entre deux autres substrats parallèles à savoir un substrat supérieur 2a et un substrat inférieur 2b. Les essais de traction ont été effectués avec des substrats 2,2a,2b en alliage d'aluminium 2024A4/T3, chacun des joints adhésifs 3a,3b étant constitué d'un film adhésif connu sous le nom de "HYSOL 9628 AR", ayant une épaisseur de 150 micromètres.Après sa mise en oeuvre, c'est-à-dire après compression, les deux substrats 2,2a, à subjectiles rugueux ondulés, et le joint adhésif 3a servant à leur collage sont représentés, à plus grande échelle, sur les figures 5 et 6, respectivement avant et après leur pressage l'un contre l'autre. Le joint adhésif 3a utilisé est du type supporté et il comporte un film plastique ou un tissu de fils ou de fibres 8 sur les deux faces duquel sont respectivement appliquées deux couches adhésives constituées d'une matrice en résine 4 dans laquelle sont réparties des particules de charge 5,6,7 comme il a été décrit en référence à la figure 1.Le joint adhésif composite 3a a, par exemple, avant sa compression, une épaisseur totale allant de 250 à 300 micromètres, chaque couche adhésive ayant une épaisseur d'environ 100 micromètres et le film plastique central 8 ayant une épaisseur allant de 50 à 100 micromètres. Après pressage des deux substrats 2,2a, l'un contre l'autre, le joint adhésif 3 se trouve être déformé de maniée à suivre les ondulations des subjectiles de ces substrats 2,2a. Du fait de la mise en pression, l'épaisseur du joint adhésif 3a se trouve être réduite sensiblement, par exemple à la moitié ou au tiers de son épaisseur initiale, c'est-à-dire à une épaisseur d'environ 100 micromètres dans l'exemple considéré.Du fait de la pression exercée les grosses particules de charge 7 contenues dans la résine 4 pénètrent partiellement dans le tissu ou le film central 8 qui est très plastique, ce qui augmente l'ancrage à cet endroit. Par ailleurs les petites particules de charge 5,6 pénètrent dans les anfractuosités des subjectiles, comme il a été exposé précédemment. I1 est possible de faire varier le module d'Young du joint adhésif 3,3a etc., en faisant varier, à volume constant, les proportions volumiques des charges de différentes natures ou bien en diminuant proportionnellement le volume total des charges par rapport au volume de la résine constituant la matrice. Les charges minérales telles que des particules de silicium, de calcium qui ont un diamètre moyen de 1 à 10 micromètres, entraînent une bonne cohésion de l'interphase, tandis que les charges métalliques, telles que des particules de cuivre, d'aluminium etc., apportent la plasticité et la résistance aux sollicitations de cisaillement longitudinal. Ces particules sont choisies de manière que leur nombre, par unité de surface, dans l'interphase, c'est-à-dire dans la couche du joint adhésif 3 adjacente au subjectile rugueux ondulé 1 soit égal au nombre d'aspérité du subjectile rugueux et il en est de même pour les fibres composites longues, ayant un diamètre allant de 3 à 6 micromètres et une longueur de 10 à 18 micromètres, dont le nombre est également sensiblement égal au nombre d'aspérités du subjectile rugueux. Ces proportions sont ensuite étendues au volume tptal de l'adhésif constituant le joint. Autrement dit on doit retrouver dans chaque couche ou strate de l'adhésif sensiblement le même nombre de particules de charge que celui des particules se trouvant dans l'interphase. On ajoute en outre des charges minérales ou métalliques, c'est-à-dire des particules de silicium, calcium ou de cuivre, d'aluminium, de plus grand diamètre, en nombre sensiblement égal au nombre des creux lb du subjectile ondulé. La détermination du nombre des aspérités du subjectile rugueux et du nombre de creux, par unité de surface, du subjectile ondulé s'effectue à l'aide d'un rugosimètre tridimensionnel dont le logiciel est adapté à ce type de mesures, ou bien -encore ou par observation au microscope à balayage d'une surface initiale représentative de la structure topologique du subjectile. Ainsi le film ou le tissu 8 ondule sur les grosses particules 7 avec un pas égal à celui de l'ondulation du subjectile du substrat. On forme ainsi un réseau à granulométrie continue de compacité optimale qui possède la résistance mécanique maximale à l'amorçage et à la propagation des microfissures. La mesure de la résistance des'joints adhésifs 3a,3b a été réalisée au moyen d'un ensemble de jauges d'extensomètrie Jl..J16 réparties sur les faces supérieures des substrats 2 et 2a comme il est représenté sur la figure 2, et de jauges d'exteflsomètrie J17..J27 réparties sur la surface inférieure du substrat inférieur 2b comme il est représenté sur la figure 4. Ces jauges ont été reliées à un appareil de mesure extensométrique conventionnel et on a mesuré au droit de chaque jauge qui teste la partie du joint qui le sous-tend, le seuil FD de l'effort de traction F auquel s'amorce un changement d'état et/ou l'apparition de la première microfissure, et le seuil FG de l'effort de traction auquel débute la propagation rapide des microcriques en régime instable au voisinage de la rupture ultime. Ce procédé permet de suivre la naissance et la croissance. en régime stable, des microfissures (adhésifs fragiles) ou avant l'apparition des changements d'état pour les adhésifs élastoplastiques ou viscoélastiques (de la plasticité à la fissuration et de celle-ci à la rupture). La figure 7 represente la variation de ces seuils FD et FG pour différentes jauges placées à différentes distances x du plan P contenant les faces frontales des deux substrats 2a, 2b, ces distances étant indiquées en abscisse, en millimètres. L'effort de traction F est porté en kilonewtons en ordonnée. Les courbes FD(I) et FG(I) correspondent aux résultats obtenus dans le cas d'une éprouvette I constituée par un substrat brut 2, non traité suivant l'invention, mais ayant subi simplement un traitement sulfochromique. Les courbes FD(II) et FG(II) correspondent aux résultats obtenus dans le cas d'une éprouvette II constituée par le même substrat brut mais dont la partie extrême est biseautée, ce qui permet d'accroître la résistance en normalisant la contrainte de cisaillement.Les courbes FD(III) et FG(III) correspondent aux résultats obtenus avec une éprouvette III constituée par le substrat 2 traité par le procédé suivant l'invention, c'est-à-dire dont le subjectile 1 a été sablé au 400AVB, avec un traitement sulfochromique. On voit que dans ce cas le seuil de propagation des criques FG s'établit à un niveau supérieur au niveau obtenu dans les deux cas précédent. Les courbes FD(IV) et FG(IV) correspondent aux résultats obtenus avec une éprouvette IV correspondant au substrat du cas III précédent mais qui présente en outre une extrémité en biseau. On peut voir que la prévision de ce biseau donne un seuil de propagation des criques encore supérieur et un seuil de rupture supérieur de l'ordre de 25,5kN. Bien que l'on ait décrit précédemment l'application du procédé suivant l'invention à un joint adhésif constitué par une couche mince de colle il va de soi que ce procédé peut être utilisé avec n'importe quel autre type d'adhésif se présentant par exemple sous la forme d'un mat, dsun film, d'une toile, d'un réseau de charges composites (carbone, verre,...) etc.. On peut également préparer par ce procédé des subjectiles de substrats parallèles entre eux, de formes planes ou courbes, notamment ondulées avec une période d'ondulation allant d'un à plusieurs centimètres, ces subjectiles étant maintenus espacés l'un de l'autre d'une distance constante au moyen d'entretoises d'épaisseurs égales et constantes. Le joint adhésif peut être alors constitué par un film supporté et on obtient un assemblage final constitué par les substrats collés par l'intermédiaire d'un joint adhésif d'épaisseur rigoureusemént constante, les parties des substrats voisines des entretoises étant ensuite éliminées par des opérations de découpe au moyen d'un jet d'eau et/ou d'un faisceau laser. Dans le cas d'agrégats divers tels que le béton, on peut appliquer le procédé suivant l'invention au traitement superficiel des granulats de manière à créer, sur ces granulats, des subjectiles rugueux et ondulés comme il a été indiqué précédemment. On peut alors insérer dans le liant hydraulique de l'agrégat des morceaux de film plastique dont la longueur varie statistiquement comme varie la courbe granulométrique, c'est-à-dire la courbe qui donne la variation du pourcentage des tamisats cumulés en fonction du diamètre des grains du béton. Les morceaux de film plastique insérés dans le liant doivent avoir une surface spécifique sensiblement égale à la surface spécifique des granulats. REVENDICATIONS 1.- Procédé pour améliorer la résistance à l'amorçage, en régime stable, et à la propagation des ricrofissures dans un joint adhésif composite adhérant à la surface ou subjectile (1) d'un substrat (2) ou d'éléments de renforcement d'un corps en matériau composite ou agrégat, ce joint adhésif composite (3) étant constitué d'un liant (41, tel qu'une résine, contenant des particules de charge minérales, élastomères Qu composites (fibres de carbone/verre, etc.), réparties en particules de petite taille (5,6), d'un diamètre moyen allant de 1 à 10 micromètres environ, et en particules de grande taille (7) d'un diamètre moyen allant de 40 à 100 micromètres environ, caractérisé en ce que l'on traite préalablement le subjectile de manière à lui donner une rugosité moyenne (Rt) sensiblement égale à la dimension moyenne des petites particules de charge (5), c'est-à-dire de l'ordre de 1 à 10 micromètres, et à donner en outre au subjectile rugueux (1? une forme ondulée constituée par une succession de creux (lb) et de bosses (la), ces creux ayant une profondeur (Wt) sensiblement de l'ordre de grandeur de la dimension moyenne des grosses particules de la charge (7). 2.- Procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce qu'on crée, dans le subjectile (1), une ondulation dont la profondeur (Wt) des creux est de l'ordre de 10 à 20 micromètres et dont le pas (A) est de l'ordre de 30 à 100 micromètres. 3.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'on applique également au subjectile rugueux ondulé (1) un traitement sulfochromique créant des radicaux libre qui -augmentent l'énergie libre de surface. 4.- Procédé suivant ''une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'on biseaute en outre la partie extrême du substrat (2). 5.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'on utilise un adhésif contenant, par unité de surface, un nombre de particules de charge de petite taille (5,6) sensiblement égal au nombre d'aspérités du subjectile rugueux (1) présentes sur cette même unité de surface et un nombre de particules de grande taille (7) sensiblement égal au nombre de creux (lb) présents sur l'unité de surface du subjectile ondulé (1).