Brevet FR2836502A1 — publié le 20030829

en position grâce à une poignée (15). PROCEDE DE RENFORCEMENT D'UNE STRUCTURE PAR UN MATERIAU COMPOSITE ET RENFORT OBTENU PAR CE PROCEDE La présente invention concerne les renforts structurels composites utilisés dans la construction. El le concerne pl us particu lièrement les renforts à base de fibres q u 'on pose sur certains ouvrages pour augmenter la résistance aux charges auxquelles ils sont soumis. Ces renforts sont souvent plats et collés sur des surfaces d'ouvrages en béton, ou sur d'autres types d'ouvrage. Il peuvent aussi comporter des portions de forme allongée pénétrant dans le volume d'un ouvrage de construction ou d'un massif naturel. Ils se composent typiquement de fibres de carbone noyées dans une résine adhésive synthétique, notamment une résine de type époxy. Les fibres de carbone présentent d'excellentes propriétés mécaniques lorsqu'elles travaillent en traction. Dans ces renforts, elles sont agencées en mèches unidirectionnelles ou en tissus. Dans ce dernier cas, la chane du tissu est orientée selon une direction principale de renforcement et une proportion plus ou moins grande de fibres dans le sens trame permet d'obtenir un certain degré de renforcement perpendiculairement à la direction principale. ' La solidification de la résine est obtenue par polymérisation ou polycondensation de composés qu'elle incorpore. Après solidification, la résine constitue une matrice d'enrobage des fibres qui donne sa cohésion au renfort composite. De façon avantageuse, elle peut aussi servir à assurer l'adhérence du renfort sur le substrat qui en est revêtu. On utilise en effet des résines époxy qui présentent une très bonne adhérence sur les matériaux de construction tels que le béton, ainsi qu'une excellente résistance aux contraintes de cisaillement auxquelles est soumis le plan de collage. Un inconvénient de l'utilisation d'une résine époxy dans ces renforts composites est son comportement médiocre aux hautes températures. Une transition vitreuse de la résine provoque une forte atténuation du renforcement lorsque la température devient supérieure à 50 - 60 C environ. Réglementairement, le comportement structurel de certains ouvrages en cas d'incendie doit être tel que la structure résiste pendant des durces minimales lorsqu'il est exposé à des températures de l'ordre de 100 C. Si des renforts composites plats sont employés, il faut alors prendre des dispositions pour ralentir la progression de la chaleur vers les plans de collage. Ces dispositions sont coûteuses, et elles conduisent à un encombrement indésirable. Un but de la présente invention est de proposer un procédé de renforcement d'une structure dont l'effet de renforcement est conservé dans une large mesure lorsque la température s'élève. 0 L'invention propose un procédé de renforcement d'une structure, dans lequel on applique sur la structure des fibres de renforcement et une substance contenant des micro-organismes, et on fait minéraliser in situ une partie au moins de ladite substance pour produire une matrice d'enrobage des fibres de renforcement. Un avantage du procédé de renforcement selon l'invention réside dans le fait que la matrice d'enrobage des fibres de renforcement est de nature minérale, ce qui permet de bien conserver l'effet de renforcement de la structure quand la température s'élève, par exemple au-dessus de 50 C. Les fibres de renforcement sont typiquement, mais non exclusivement, en carbone. Par ailleurs, le procédé de renforcement selon l'invention est particulièrement adapté lorsque la structure présente en surface un matériau tel qu'un béton, de la brique, un ciment, un mortier ou un conglomérat minéral. En effet, la matrice d'enrobage des fibres de renforcement possède alors une similitude de composition avec le matériau de surface de la structure, ce qui est favorable à une bonne adhérence du renfort composite sur la structure. Dans un mode de réalisation du procédé, on applique au moins une couche de fibres de renforcement sur une surface de la structure, chaque couche étant appliquée avec une quantité de la substance contenant des microorganismes, et on fait minéraliser in situ ladite substance dans chaque couche. Les dispositions avantageuses suivantes sont utilisables dans ce mode de réalisation: - 3 - on applique successivement plusieurs couches de fibres de renforcement sur ladite surface de la structure, et on effectue un séchage eVou une minéralisation au moins partielle dans chaque couche avant l'application de la couche suivante; - on procède à une phase préalable d'application d'une sous-couche de la substance contenant des micro-organismes sur ladite surface de la structure; - on procède à une étape supplémentaire d'application d'une couche superficielle de la substance contenant des micro-organismes, par o dessus la dernière couche de fibres de renforcement; - on oriente les fibres de renforcement sensiblement parallèlement à ladite surface de la structure; - on oriente une majorité des fibres de renforcement sensiblement parallèlement à une direction principale de renforcement parallèle à ladite s surface de la structure; - chaque couche de fibres de renforcement comporte au moins un tissu de fibres. Dans un autre mode de réalisation du procédé, qu'on peut éventuellement combiner au précédent, on introduit au moins une mèche de fibres de renforcement, avec de la substance contenant des micro-organismes, dans un forage présent dans la structure, et on fait minéraliser in situ ladite substance dans le forage. L'invention propose d'autres caractéristiques qui se combinent avantageusement au procédé ci-dessus, notamment: - les fibres de renforcement peuvent étre, avant leur application sur la structure, imprégnées d'une substance contenant des micro-organismes; - une partie au moins de ladite substance contenant des micro-organismes peut contenir en outre une poudre de ciment, ayant de préférence une granulométrie inférieure à 10 m; - une partie au moins de lad ite substance contenant des micro-organ ismes peut contenir en outre des éléments nutritifs pour les micro-organismes. - 4 Un autre aspect de la présente invention se rapporte à un renfort structurel, comprenant un matériau composite incorporant des fibres de renforcement enrobées dans une matrice adhérant à une structure à renforcer, dans lequel la matrice comporte au moins une partie minérale obtenue par minéralisation in situ de micro-organismes. En volume, un tel renfort composite comporte typiquement environ % de fibres de renforcement et 60 % de matrice d'enrobage. D'autres particularités et avantages de la présente invention apparatront dans la description ci-après d'un exemple de mise en _uvre non limitatif, en référence à l'unique figure annexée, qui montre une poutre renforcée conformément à l'invention. Des compositions biologiques contenant des micro-organismes capables de former une matière minérale inactivée sont connues, notamment d'après les brevets européens 0 388 304 et 0 708 836 auxquels on pourra se référer. Ces compositions sont généralement des solutions aqueuses. Elles incorporent des micro-organismes qui assimilent des composés à base d'éléments minéraux, et qui accumulent ces éléments minéraux sous forme solidifiée. De tels micro-organismes sont par exemple des bactéries ou des virus. D'autres structures vivantes, ou parties de structures vivantes, sont aussi capables de telles transformations de composés à base d'éléments minéraux. On peut par exemple citer des plantes dicotylédones ou monocotylédones, des fougères, des algues, des lichens, des champignons, ou des cellules ou des tissus vivants d'origine animale ou végétale. Ces structures vivantes peuvent aussi être utilisées dans le procédé de l'invention, en adaptant éventuellement sa mise en _uvre aux particularités de chaque structure vivante. La composition biologique peut aussi contenir un mélange de micro-organismes eVou des structures vivantes de plusieurs types. Pour la mise en _uvre du procédé de l'invention, une telle composition doit contenir des micro-organismes en quantité suffisante. Pour cela, une o préparation particulière est nécessaire qui comprend une phase de multiplication des micro-organismes. Placés dans conditions favorables, notamment à une température adaptée et en présence d'oxyg-éne et - 5 d'éléments nutritifs appropriés, de tels micro-organismes peuvent se multiplier dans des proportions considérables. Lors de cette phase de culture, leur population peut suivre une évolution exponentielle, si bien que des quantités importantes de micro-organismes peuvent être obtenues dans des délais relativement courts, et avec des coûts réduits. La substan ce utilisée com me précurseu r dans le procédé de l' invention comprend une telle composition blologique. Afin de faciliter son application sur une structure, notamment sur une surface verticale, la composition biologique peut être combinée à des additifs pour former une substance de type liquide, colle, pâte ou gel facilement manipulable. Une fois le précurseur appliqué sur une surface minérale, les micro- organismes se nourrissent des éléments minéraux de cette surface, et les accumulent sous forme solidifiée en constituant un liant minéral dur. Cette accumulation correspond alors à une minéralisation, ou pétrification, de la composition biologique, dont résulte la matrice du matériau composite de renforcement. Un séchage de la solution peut intervenir simultanément. Les éléments minéraux accumulés par les micro- organismes sont par exemple à base de calclum ou de silice. Dans le cas d'éléments à base de calcium, la minéralisation de la composition blologique comprend une calcification des micro-organismes. Selon la nature des micro-organismes utilisés, des éléments nutritifs de complément, assimilables par une partie au moins des micro-organismes présents dans la solution, peuvent être ajoutés à la composition biologique dans le précurseur, avant sa mise en _uvre, de façon que les micro organismes participent plus efficacement à l'accumulation des éléments minéraux, une fois le précurseur appliqué sur la structure. Une poudre de ciment peut aussi être introduite comme additif dans le précurseur avant son application sur la structure, pour améliorer la cohésion de la matrice résultante. Cette poudre de ciment est de préférence broyée finement avant son addition à la composition blologique, par exemple jusqu'à une granulométrie inférieure à 10 m. Le ciment utilisé pour cette poudre peut être de type ciment de Portland artificiel (CPA) ou Klinker surbroyé. Les fibres de renforcement utilisées peuvent être de diverses natures, - 6 notamment des fibres synthétiques ou naturelles, organiques, végétales ou minérales. Les fibres de carbone, en particulier, outre leur résistance mécanique particulièrement élevée, ne participent pas à la propagation d'un éventuel incendie, tant que la température est inférieure à 1800 C. De façon connue en soi, les fibres de renforcement sont tissées entre elles, ou maintenues entre elles par des fils de trame ou par des filaments de colle, pour être facilement manipulées sous forme de nappes. Hormis l'utilisation d'un précurseur contenant des micro-organismes, la formation sur la structure du matériau composite de renforcement peut o reprendre l'une des méthodes couramment utilisées à base de tissus de fibres collés. Une telle méthode est décrite, par exemple, dans la demande de brevet européen 0 799 951. A titre d'illustration, la figure 1 montre une poutre horizontale en béton armé 10 reposant à ses deux extrémités sur des poteaux verticaux 11, 12 et soumise à des charges qui la font fléchir. De façon connue en soi, un renforcement de la poutre 10 peut être apporté par des fibres de carbone collées sur la surface inférieure 1 de la poutre 10 Pour cela, la surface 1 de la poutre 10 est d'abord enduite d'une couche d'un précurseur 2 tel que précédemment décrit. Cette enduction peut être réalisée de diverses façons, telles que, notamment, une application du précurseur au moyen d'une brosse, d'un rouleau d'étalement ou d'une buse d'application. Le précurseur est étalé sur la surface 1 de façon à former une couche 2 approximativement uniforme d'épaisseur comprise entre 0,5 et 3 millimètres environ, et notamment comprise entre 1 et 2 millimètres. Un séchage partiel eVou une minéralisation partielle du précurseur 2 ainsi appliqué sur la surface 1 peut alors être effectué avant d'appliquer les fibres. Afin d'améliorer l'accrochage et le collage de cette couche de précurseur sur la surface 1 de la poutre 10, un traitement préalable de la surface 1 peut être effectué, adapté en fonction de son état de surface (grattage, sablage, nettoyage, traitement chimique,...). Dans une application telle que celle illustrée par la figure 1, il est prévu une d irection principa le de renforcement A correspond ant à la direction - 7 longitudinale de la poutre 10. Chaque couche de fibres de carbone 3 peut alors consister en des mèches unidirectionnelles assemblées par une feuille support amovible ou par quelques fils de trame 3, ces mèches étant orientées parallèlement à la direction principale A. On peut aussi utiliser un tissu de fibres de carbone ayant une plus grande proportion de fibres dans le sens chane que dans le sens trame, en orientant la chane parallèlement à la direction principale A. Un renforcement isotrope dans le plan de collage peut être obtenu en utilisant un tissu ayant ia même proportion de flbres de carbone dans le sens chane et dans le sens trame. Après pose du tissu 3, on lui applique une force de pression au moyen d'un rouleur applicateur pour faire pénétrer le précurseur sousjacent 2 dans des interstices présents entre les flbres de carbone 4. Eventuellement, cette force de pression peut être d'intensité sufffisante pour faire traverser le tissu 3 par le précurseur sousjacent. Le tissu de fibres 3 peut aussi être appliqué la surface 1 après avoir été pré-imprégné d'une substance précurseur contenant des micro-organismes. Cette substance peut être la même que celle du précurseur 2 dont la surface 1 est enduite. Une telle imprégnation des fibres, préalable à leur application sur la surface 1 de la poutre 10, peut être obtenue par différents procédés tel qu'une enduction, un trempage ou un ensimage. Ces procèdés peuvent être éventuellement combinés avec un pompage du gaz amblant de façon à favoriser la pénétration du liquide entre les fibres 4. Un autre procèdé possible consiste en un pressage des fibres 4 et du précurseur entre des rouleaux ... dsposes en lamnor. 2s Une seconde couche de précurseur 2 contenant des micro-organismes peut éventuellement être appliquée sur le tissu 3 de fibres de carbone. Cette seconde couche, par exemple de la même épaisseur que la première, permet de compléter l'enrobege des fibres 4. Un enrobage complet des fibres 4 présente plusieurs intérêts: augmentation du renforcement obtenu, effet esthétique particulier, et protection des fibres de carbone contre des agressions extérieures. De telles agressions sont, par exemple, de nature chimique, provoquées par des polluants en contact avec la poutre 10, ou par - 8 une peinture recouvrant le renfort composite. Plusieurs couches de fibres, pré-imprégnées ou non, peuvent être appliquées successivement, selon la même méthode que précédemment. Le nombre de couche dépendra du renforcement requis et des caractéristiques d'une couche individuelle, notamment en termes de densité de fibres de carbone Un délai de séchage eVou de minéralisation au moins partielle du précurseur de matrice de chaque couche peut être respecté avant l'application de la couche suivante. Le renfort composite résultant comporte approximativement, en 0 volume, environ 40 % de fibres de renforcement en carbone et 60 % de matrice minérale d'enrobege. Selon la composition du précurseur utilisé, le durcissement de la matrice autour des fibres 4 peut nécessiter une durée comprise entre quelques heures et quelques semaines. Cette durée est fonction des conditions atmosphériques ambiantes, notamment de la température et de la quantité d'oxygène disponible. Ce durcissement procède simultanément par un séchage et une minéralisation provoquée par l'activité des microorganismes. Cette activité des micro-organismes doit être poursuivie pendant une durée suffisante pour obtenir une matrice du matériau composite qui présente un bon comportement mécanique. Selon la nature et le type des micro-organismes utilisés, I'adjonction d'éléments nutritifs dans la solution biologique prolonge cette activité. Le procédé de renforcement décrit ci-dessus peut être adapté en fonction de la configuration de la structure destinée à être renforcée, selon sa disposition, sa géométrie, sa constitution, etc. On peut ainsi l'adapter à des agencements du genre décrit dans la demande de brevet européen 0 837 202. Dans ce cas, des forages sont pratiqués dans la structure pour recevoir des mèches de fibres de carbone enduites du précurseur de matrice. Ces forages peuvent servir à traverser des obstacles présents à la surface de la structure, pour éviter que le tissu ait à les contourner. Ils peuvent aussi s'étendre transversalement à la surface à renforcer: on laisse dépasser sur la surface les mèches enfoncées dans la forage, on étale sur la surface les fibres qui dépassent et on les recouvre par le tissu de renforcement. Cet agencement améliore la résistance à la rupture de l'ensemble. Un autre type de renforcement de structure qu'on peut exécuter selon l'invention, est la pose de tirants d'ancrage ou de consolidation dans un massif naturel ou artificiel. Un tirant est posé en réalisant un forage dans le massif et en y introduisant des mèches ou des tissus de fibres de carbone et de la substance précurseur de matrice. Le précurseur agit alors pour sceller le tirant dans la structure. - 10 R E V E N D I C A T I O N S 1. Procédé de renforcement d'une structure, caractérisé en ce qu'on applique sur la structure (10) des fibres de renforcement (4) et une substance (2) contenant des micro-organismes, et en ce qu'on fait minéraliser in situ une partie au moins de ladite substance pour produire une matrice d'enrobage des fibres de renforcement. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on applique au moins une couche de fibres de renforcement sur une surface (1) de la structure (10), chaque couche étant appliquée avec une quantité de la substance contenant des micro-organismes, et dans lequel on fait minéraliser in situ ladite substance dans chaque couche. 3. Procédé selon la revendication2, dans iequel on applique successivement plusieurs couches de fibres de renforcement sur ladite surface (1) de la structure (10), et dans lequel on effectue un séchage eVou une minéralisation au moins partielle dans chaque couche avant l'application de la couche suivante. 4. Procédé selon la revendication 2 ou 3, comprenant une phase préalable d'application d'une sous-couche de la substance contenant des micro-organismes sur ladite surface (1) de la structure (10). 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, comprenant une étape supplémentaire d'application d'une couche superficielle de la substance contenant des micro-organismes, par dessus la dernière couche de fibres de renforcement. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, dans lequel on oriente les fibres de renforcement (4) sensiblement parallèlement à ladite surface (1) de la structure (10). 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel on oriente une majorité des fibres de renforcement (4) sensiblement parallèlement à une direction principale de renforcement (A) parallèle à ladite surface (1) de la structure (10). - 11 8. Procédé selon la revendication 6 ou 7, dans lequel chaque couche de fibres de renforcement comporte au moins un tissu de fibres (3). 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on introduit au moins une mèche de fibres de renforcement, avec de la substance contenant des micro-organismes, dans un forage présent dans la structure, et on fait minéraliser in situ ladite substance dans le forage. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les fibres de renforcement sont, avant leur application sur la structure (10), imprégnées d'une substance contenant des micro-organismes. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel une partie au moins de ladite substance contenant des micro- organismes contient en outre une poudre de ciment. 12. Procédé selon la revendication 11, dans lequel la poudre de ciment a une granulométrie inférieure à 10 m. 13. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel une partie au moins de ladite substance contenant des micro- organismes contient en outre des éléments nutritifs pour les microorganismes. 14. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les fibres de renforcement (4) sont en carbone. 15. Renfort structurel, comprenant un matériau composite incorporant des fibres de renforcement (4) enrobées dans une matrice adhérant à une structure à renforcer (10), caractérisé en ce que la matrice comporte au moins une partie minérale obtenue par minéralisation in situ de microorganismes. 16. Renfort selon la revendication 15 comportant, en volume, environ