Brevet FR3139149A1 — publié le 20240301

Dispositif (20) d’accélération de polymérisation, prévu pour chauffer au moins une bande (30) de tissu sec de fibres de carbone, le dispositif étant fixé sur une zone à renforcer (10) d’un ouvrage de construction et comprenant : - une paire de supports de connecteur (21) comprenant chacun un élément de fixation (25) du support de connecteur à la zone à renforcer, - une paire d’éléments de contact électrique (27) pour transmettre un courant électrique entre une première extrémité (31) et une deuxième extrémité (32) de la bande (30), - un ou plusieurs connecteurs (23) électriques tenus par le support de connecteur (21) et en contact avec l’élément de contact électrique (27), le dispositif comprenant en outre au moins une paire de premier éléments isolant (26, 40) , chacun étant agencé au contact du support de connecteur (21) pour isoler électriquement la zone à renforcer (10) du support de connecteur (21). Figure de l’abrégé : Figure 1 Procédé pour renforcer un ouvrage de construction et dispositif pour un tel procédé La présente divulgation relève du domaine du renforcement d’un ouvrage de construction, tel que par exemple une structure de génie civil, et en particulier un procédé pour le renforcement d’un ouvrage de construction ainsi qu’un dispositif pour la mise en œuvre du procédé. Il est connu certains procédés de ce type, tel que par exemple celui décrit par le document FR 2 747 146 B1, utilisant des bandes de renfort en fibres de carbone mélangées à une matrice de résine époxydique qui est appliquée sur l’ouvrage à renforcer. La résine subit ensuite une polymérisation, ce qui forme un matériau composite et rend les fibres de carbone adhérentes au support. La polymérisation, bien que fortement dépendante des conditions thermiques, est parfois contrainte dans le temps, ce qui est particulièrement le cas lors de travaux de renforcement de poutres ou dalles de ponts en béton armé ou précontraint, type viaduc, de sorte à conserver une circulation routière sur l’ouvrage durant certaines plages horaires, sans toutefois bloquer la circulation le reste du temps. Pour des raisons pratiques, le délai entre la fin de l’application de la bande de renfort et la réouverture du trafic est par exemple d’environ 3 à 4h. Les bandes de renfort collées extérieurement au béton doivent présenter une adhérence au support et une résistance au cisaillement minimale avant d’être soumises à des charges sous peine de glisser sur le support et de ne pas soulager suffisamment les armatures métalliques en place dans le béton. Un critère de valeur minimale d’adhérence du composite au support, mesuré par essai de traction directe, a été fixé à 1,0 MPa, avant d’autoriser la remise en service du trafic sur l’ouvrage. Sur un support en béton sec, les inventeurs ont pu observer que la valeur de l’adhérence en traction directe des résines époxydiques, utilisées pour réaliser des renforts en composites collés sur le béton et d’épaisseur millimétrique, n’atteignent généralement 1,0 MPa qu’après environ 7h à une température ambiante de 20°C et environ 24h à une température ambiante de 10°C. Or en travaux de nuit, et notamment en région occidentale, les températures ambiantes peuvent rapidement descendre en deçà de 10°C. Par ailleurs, le support en béton, sur lequel le composite de renforcement est collé, a une grande inertie thermique et est plus ou moins humide, ce qui le rend difficile à chauffer et peu adapté à la résine époxy car il absorbe et diffuse la chaleur en surface produite par l’exothermie de la résine pendant sa polymérisation. Une solution courante consiste à confiner l’ensemble de la zone à traiter et à la chauffer avant, pendant et après application de façon à maintenir une température constante et d’au moins 20°C. Cette solution est aisée pour des zones intérieures aux structures mais plus complexe et onéreuse pour des surfaces externes, sans véritable maitrise de la température au niveau de l’interface composite-support. Une solution moins courante est d’ajouter dans la formulation des résines époxydiques un accélérateur. Mais pour atteindre une adhérence en traction directe d’au moins 1,0 MPa à 4h, la quantité d’accélérateur à ajouter est telle qu’elle modifie à la baisse les performances mécaniques et donc celles du composite de renforcement dans des proportions inacceptables. Une autre solution, connue du document US 6,605,168 B1, consiste, après avoir formé une lamelle composite incluant des fibres de carbone, à faire adhérer cette lamelle composite au moyen d’une résine de collage. Pour accélérer la polymérisation de la résine de collage, le procédé de ce document fait passer un courant électrique dans la lamelle composite où les fibres de carbone assurent la conduction électrique. À chaque extrémité, la matrice de la lamelle composite est ôtée pour exposer les fibres de carbone et permettre le passage du courant électrique qui est amené par des plaques métalliques connectées à une source de courant. La lamelle composite diffuse ainsi vers la résine de collage de la chaleur générée par effet Joule, accélérant ainsi sa polymérisation. Il est relativement délicat de maîtriser le chauffage de la résine de collage avec ce type de solution qui nécessite une préparation spéciale aux extrémités de la lamelle et peut présenter un risque de court-circuit à travers le substrat à renforcer. L’enjeu réside donc dans la mise en œuvre d’un procédé de renforcement qui soit à la fois fiable et possible sur un temps limité. Résumé Il est proposé un dispositif d’accélération de polymérisation, prévu pour chauffer au moins une bande de tissu de fibres de carbone appliquée dans une zone à renforcer d’un ouvrage de construction s’étendant entre une première extrémité et une deuxième extrémité. Le dispositif comprend, à chacune des première et deuxième extrémités : - un support de connecteur comprenant un élément de fixation du support de connecteur à la zone à renforcer ; - un élément de contact électrique pour transmettre un courant électrique à travers la bande ; - un ou plusieurs connecteurs tenus par le support de connecteur et en contact avec l’élément de contact électrique ; et au moins un élément isolant au contact du support. L’au moins un élément isolant isole électriquement la zone à renforcer du support de connecteur. Ce dispositif permet de chauffer la matrice du renfort composite formé directement dans la zone à renforcer. Il évite aussi que des courts-circuits puissent perturber l’opération. Selon un exemple, l’élément de fixation peut comporter un perçage du support de connecteur pour le passage d’une vis, et l’au moins un élément isolant comprend une entretoise apte à coopérer avec le perçage et la vis, l’entretoise étant en matériau électriquement isolant. En variante, ou en complément, l’au moins un élément isolant comporte un élément d’isolation électrique agencé au contact de la bande pour isoler électriquement la zone à renforcer de l’élément de contact électrique. Le matériau de cet élément d’isolation électrique peut en outre être polymérisable. Selon un autre aspect, il est proposé un procédé pour renforcer un ouvrage de construction. Le procédé utilise une bande de tissu sec de fibres de carbone dans une zone à renforcer s’étendant entre une première extrémité et une deuxième extrémité. Ce procédé comprend : - disposer au moins un élément isolant à chacune des première et deuxième extrémités ; - enduire la zone à renforcer d’une couche de polymère thermodurcissable ; - appliquer une bande de tissu sec de fibres de carbone sur la zone enduite; - à chacune des première et deuxième extrémités disposer un élément de contact électrique par-dessus la bande de tissu sec ; et - faire circuler un courant électrique entre les éléments de contact électrique à travers les fibres de carbone de la bande pour accélérer la polymérisation du polymère avec la bande. La bande de tissu sec de fibres de carbone peut en outre être appliquée sur la zone enduite en lui faisant recouvrir les éléments isolants aux première et deuxième extrémités. Il est possible d’appliquer une pluralité de bandes simultanément sur la surface enduite pour une polymérisation simultanée de la pluralité de bande avec le polymère. Selon un exemple, deux bandes peuvent être appliquées simultanément et par superposition sur la zone à renforcer préalablement enduite. La bande et le polymère forment un renfort composite qui peut être chauffé pendant une durée comprise entre 50 minutes et 3 heures, à une température comprise entre 60°C et 90°C par la circulation du courant électrique. D’autres caractéristiques, détails et avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, et à l’analyse des dessins annexés, sur lesquels : Fig. 1 montre un schéma de principe de la mise en œuvre du procédé et d’un dispositif associé. Fig. 2 montre un exemple de réalisation du dispositif agencé sur un support en béton, dans une vue en coupe selon une direction longitudinale du dispositif. Fig. 3 montre un autre exemple de réalisation du dispositif agencé sur un support métallique, dans la même vue que celle de la . La est un schéma de principe illustrant le procédé pour renforcer un ouvrage de construction, comprenant une zone à renforcer d’un d’ouvrage de construction (support 10) et le dispositif 20 utilisé pour mettre en œuvre ce procédé. Le support 10 peut être par exemple en béton armé ou précontraint, c’est-à-dire avec armatures métalliques, ou une structure métallique de type charpente. Une bande 30 de tissu sec de fibres de carbone est agencée sur le support 10, sur lequel une couche d’un polymère thermodurcissable, tel que par exemple une résine époxy, est au préalable enduite. La résine est capable d’adhérer au support et d’imprégner les fibres de carbone, et est également apte à boucher des irrégularités ou fissures pouvant se présenter sur la surface du support à renforcer. Pour la polymérisation, la résine imprègne la bande de tissu et contribue à former un composite adhérent au support 10. Le polymère (thermodurcissable) présente une double fonction, d’une part celle de matrice pour former avec les fibres de carbone un composite de renfort de l’ouvrage et d’autre part celle d’adhésif pour faire adhérer le composite à la surface de l’ouvrage. Le composite de renfort est ainsi fabriqué directement sur la surface de l’ouvrage à renforcer, ce qui supprime une étape préalable de préparation du composite avant de le faire adhérer à la surface de l’ouvrage à renforcer. Le dispositif 20 utilisé au cours du procédé permet d’accélérer la polymérisation du polymère de sorte à obtenir un composite qui répond en un temps défini à un critère limite d’adhérence au support supérieur à une valeur donnée. Comme visible à titre d‘exemple sur la , le dispositif 20 est partagé en deux parties identiques, chacune étant agencée de part et d’autre de la bande 30 et est reliée à une source de courant électrique de sorte à former avec la bande 30 un circuit électrique fermé. La bande 30 de fibres de carbone, ainsi traversée par un courant électrique, diffuse de la chaleur au polymère par effet Joule, ce qui accélère sa polymérisation et la formation du composite. Les figures 2 et 3 illustrent à titre d’exemple une moitié du dispositif 20 utilisée à une extrémité de la bande 30, chacune de ces figures représentant un exemple de réalisation du dispositif sur un support différent. Le support illustré à la est en béton (armé ou précontraint), tandis que le support illustré à la est métallique. Sur ces exemples, chaque moitié de dispositif 20 comprend des connecteurs 23 associés à un élément de contact électrique 27, tel que par exemple une plaque en cuivre, conductrice d’électricité. De manière commune aux figures 2 et 3, les connecteurs 23 peuvent être des vis de serrage, en laiton, vissées dans un support de connecteur 21 et venant en appui contre l’élément de contact électrique 27, pour plaquer ledit élément 27 contre la bande 30. Les figures illustrent quatre connecteurs, toutefois le dispositif 20 ne se limite pas à cet exemple. Deux connecteurs par support 21 peuvent, dans certains cas, suffire pour réaliser le dispositif. Au moins un des connecteurs 23 est relié électriquement à une borne d’un générateur de courant électrique d’intensité variable, permettant de réguler la puissance, la température et la durée de chauffe du renfort. A l’extrémité opposée de la bande, le ou les connecteurs 23 sont ainsi reliés à la borne opposée du générateur. Les autres connecteurs 23 non connectés au générateur peuvent servir uniquement d’appui pour presser l’élément de contact électrique contre la bande 30. Par conséquent, les connecteurs 23, qui sont par exemple des vis en laiton, transmettent un courant électrique depuis un générateur jusqu’à l’élément de contact électrique 27, lui-même en contact avec la bande de fibres de carbone, ainsi chauffée. Avantageusement, le chauffage de la bande permet d’accélérer la polymérisation du polymère thermodurcissable, et donc la formation du composite de renfort. Le support de connecteur 21 est en matériau métallique, par exemple en acier, choisi notamment pour sa rigidité. Le support de connecteur 21 est agencé par-dessus l’élément de contact électrique 27. Le support de connecteur 21 comprend une portion intermédiaire 21A et deux portions d’extrémité 21B. La portion intermédiaire 21A reçoit les connecteurs 23 et est agencée par-dessus l’élément de contact électrique 27 (en référence aux figures 2 et 3), mais sans contact avec l’élément de contact électrique 27, de sorte à éviter tout court-circuit entre le support 21 et l’élément de contact électrique 27. Les deux portions d’extrémité 21B sont agencées en regard du support 10, soit directement en appui, soit indirectement, via un élément isolant tel que décrit plus loin. Chaque portion d’extrémité 21B comprend un élément de fixation 25 prévu pour fixer le support de connecteur 21 à la surface de l’ouvrage. L’élément de fixation 25 est par exemple un perçage prévu pour coopérer avec une vis 24, la vis 24 pénétrant dans la matière du support 10. Pour un support en béton armé ou précontraint, a fortiori pour un support en métal (d’une structure métallique à renforcer), un risque de court-circuit existe, lié au possible contact des vis 24 de fixation des portions d’extrémité 21B avec les armatures du béton ou la structure métallique du support. Pour pallier cet inconvénient, les portions d’extrémité 21B sont équipées de façon à être isolées électriquement du branchement d’alimentation électrique. Par exemple, un premier élément isolant 26 peut être agencé autour de la vis 24 de sorte à l’isoler du support de connecteur 21 en contact électrique avec les connecteurs 23. L’élément isolant 26, tel qu’illustré sur les figures 2 et 3, peut être par exemple une entretoise agencée dans l’élément de fixation 25 de la portion d’extrémité 21B. L’entretoise est percée pour permettre à la vis 24 de s’y insérer. Elle peut être taraudée pour correspondre à la vis 24, ou non. L’élément électriquement isolant 26 est en matériau non conducteur électriquement, tel que par un exemple en Téflon. Les figures 2 et 3 illustrent un exemple de réalisation de l’élément électriquement isolant 26. Toutefois, l’élément électriquement isolant n’est pas limité à cet exemple. En effet, on peut prévoir selon un autre exemple, non illustré, un élément électriquement isolant agencé autour de chaque connecteur 23, et au contact du support de connecteur 21, de sorte à ne pas transmettre un courant électrique sur le support de connecteur 21. En référence au support 10 en métal de la , un second risque de court-circuit existe, lié au contact du tissu de fibres de carbone avec le support 10 métallique. Pour y remédier, le dispositif 20, qui comprend déjà un premier élément isolant 26, peut prévoir un deuxième élément isolant 40, agencé entre le support 10 et la bande 30. Le deuxième élément isolant 40 est un élément intercalaire, en matériau électriquement isolant, et est par exemple une bande de tissu de fibres de verre. Sur la , la bande de tissu de fibres de verre s’étend entre la résine et la bande 30, de largeur et de longueur au moins égales à la largeur et la longueur de la bande 30, pour isoler électriquement toute la bande 30 du support 10. La bande de tissu de fibres de verre est associée au composite de renfort avec la résine et la bande 30. Alternativement, comme illustré à tire d’exemple sur la , le deuxième élément isolant 40 peut prendre la forme de deux pièces isolantes, chacune étant agencée sous une portion d’extrémité 21B, et de dimensions au moins égales aux dimensions de la surface de la portion d’extrémité 21B en contact avec la zone à renforcer, de sorte à limiter toute transmission électrique entre le support de connecteur 21 et la zone à renforcer. Pour renforcer l’ouvrage, la bande 30 utilisée peut avoir une longueur comprise entre 2 m et 6 m, une largeur comprise entre 75 mm et 300 mm et une épaisseur de l’ordre du millimètre. La bande 30 peut en outre présenter une résistance électrique comprise entre 0,2 et 1,0 Ohm. La bande 30 peut être composée de fibres de carbone, dont le grammage est compris entre 200g/m² à 1200g/m². Toutefois, tout autre tissu de renfort ayant des caractéristiques de conduction électrique semblables aux fibres de carbone peut être utilisé en remplacement des fibres de carbone. Deux dispositifs 20 peuvent être agencés sur la bande 30, chacun à une extrémité 31, 32 de la bande. Par exemple, les deux dispositifs 20 sont séparés d’une longueur L de 2 mètres. Le procédé pour renforcer l’ouvrage de construction est décrit ci-après. Le procédé consiste à préparer la surface de la zone à renforcer de l’ouvrage de construction en l’enduisant de la couche de polymère thermodurcissable, appliquer une (ou plusieurs) bandes 30 de tissu sec de fibres de carbone sur la surface enduite, puis à chauffer la bande 30 pour accélérer la polymérisation du polymère et ainsi accélérer la formation de composite de renfort. Au cours de la préparation du support, on peut prévoir en premier lieu d’appliquer la résine sur le support 10, puis de fixer le dispositif 20 avec ses premiers éléments isolant 26 sur le support 10, ou inversement. Il faut par ailleurs noter que la couche de résine n’est pas visible sur les figures 2 et 3 car celle-ci n’est pas appliquée aux extrémités 31, 32 de la bande, afin d’éviter l’adhérence au support 10 par polymérisation de la bande 30 et ainsi permettre le retrait du dispositif 20 une fois le renforcement du support effectué. Par exemple, un écart de 5 cm est prévu entre la résine et le dispositif 20. La connexion électrique de la bande 30 est par conséquent réalisée à ses deux extrémités 31, 32 sur une surlongueur de tissu laissée sèche, sans résine. La bande 30 est ensuite mise en place par-dessus la résine. Afin de faire pénétrer la résine dans les fibres de carbone, et obtenir un composite homogène sans discontinuités ou occlusions en surface, on peut prévoir un marouflage de la bande 30. Alternativement, plusieurs bandes peuvent être mise en place simultanément sur la résine, par exemple deux ou trois bandes. Une couche intermédiaire de résine peut être prévue entre chaque bande pour favoriser leur adhérence. Cette alternative présente l’avantage de mettre en œuvre un renfort composé de multi-couches (superposées) en une seule opération d’imprégnation de matrice et de chauffe, au lieu de prévoir la formation de plusieurs bandes composite de renfort et de les coller chacune les unes après les autres sur le support, ce qui présente un gain de temps considérable. A ses extrémités 31, 32, la bande 30 est plaquée au support 10 à l’aide de l’élément de contact électrique 27 et des connecteurs 23 installés sur le support de connecteur 21. La bande 30 est ensuite chauffée pour obtenir le composite renforçant l’ouvrage. De manière avantageuse, le procédé ne nécessite pas la préparation préalable du composite de renfort avant son collage sur le support 10, par un adhésif à prévoir au surplus. Le composite est en effet formé directement sur le support en même temps que celui-ci adhère au support, la résine remplissant une double fonction de matrice du composite et d’adhésif pour le support. Dans le cas d’un renfort composite à plusieurs bandes 30, c’est-à-dire multi-couches, le procédé permet la mise en œuvre du renfort en une seule opération d’imprégnation de la matrice et de chauffe. On observe donc, grâce au procédé, un gain de temps considérable pour rendre fonctionnel un composite de renfort sur un support (par exemple respectant un critère limite d’adhérence au support supérieur à 1 MPa). Le procédé est également très simple à mettre en œuvre, grâce notamment à la légèreté et la maniabilité des bandes de tissu sec à poser sur le support et à l’unique action de collage requise pour faire coller le composite sur le support. Alternativement, on peut appliquer sur la résine, avant la bande 30, le ou les deuxième éléments isolant 40. Pour accélérer la polymérisation de la résine, le générateur fournit un courant électrique à la bande 30, qui chauffe par effet Joule. La puissance du générateur est réglable afin d’atteindre la température souhaitée dans la bande 30. On peut ainsi prévoir des sondes thermiques et/ou caméras infra-rouge pour mesurer les températures du support 10, de l’interface support-composite, du composite et/ou de la surface du composite. Le générateur peut être muni d’un système de régulation de façon à imposer un cycle de chauffe prédéfini, indépendamment des conditions d’ambiance et des caractéristiques thermiques du support 10. La température de chauffe et sa durée sont également plafonnées de façon que l’émission de vapeur en surface ne soit pas préjudiciable à l’interface de collage en cours de polymérisation. Le cycle de chauffe permet de chauffer de façon homogène le composite en surface et à cœur, ainsi qu’à l’interface composite-support. A titre d’exemple, la vitesse de montée en température peut être de 5 à 10°C/min suivant le nombre de couches et leurs dimensions, et la durée de chauffe peut être de 1h à 80°C et de 2h à 60°C, ce qui peut être suffisant pour atteindre une valeur cible de 1MPa d’adhérence au support, correspondant à une dureté de 55 à 60 shore D. On peut donc prévoir de chauffer la bande 30 à une température comprise entre 60°C et 90°C, par exemple 70°C, pour obtenir une valeur d’adhérence en traction directe d’au moins 1,0 MPa après 4h de chauffe. Après arrêt du chauffage de la bande, c’est-à-dire sans chauffe additionnelle, la polymérisation du composite peut continuer si celle-ci n’est pas totalement aboutie. On peut ainsi obtenir un composite adhérent au support ayant une valeur d’adhérence en traction directe supérieure à la valeur cible recherchée, par exemple deux fois supérieure. On comprend donc que le procédé et le dispositif décrits ci-avant permettent de réaliser un renfort pour un ouvrage de construction répondant à des contraintes déterminées de durée de mise en œuvre et de résistance, tout en présentant un dispositif de conception fiable, simple et facilement utilisable. Dispositif (20) d’accélération de polymérisation, prévu pour chauffer un renfort composite incluant au moins une bande (30) de tissu de fibres de carbone appliquée dans une zone à renforcer (10) d’un ouvrage de construction s’étendant entre une première extrémité (31) et une deuxième extrémité (32), le dispositif comprenant, à chacune des première et deuxième extrémités : - un support de connecteur (21) comprenant un élément de fixation (25) du support de connecteur à la zone à renforcer ; - un élément de contact électrique (27) pour transmettre un courant électrique à travers la bande (30) ; - un ou plusieurs connecteurs (23) tenus par le support de connecteur (21) et en contact avec l’élément de contact électrique (27) ; et - au moins un élément isolant (26, 40) au contact du support de connecteur (21), dans lequel l’au moins un élément isolant (26, 40) isole électriquement la zone à renforcer (10) du support de connecteur (21). Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l’élément de fixation (25) comporte un perçage du support de connecteur (21) pour le passage d’une vis (24), et l’au moins un élément isolant comprend une entretoise (26) apte à coopérer avec le perçage (25) et la vis (24), l’entretoise (26) étant en matériau électriquement isolant. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l’au moins un élément isolant comporte un élément d’isolation électrique (40) agencé au contact de la bande (30) pour isoler électriquement la zone à renforcer (10) de l’élément de contact électrique (27). Dispositif selon la revendication 3, dans lequel le matériau de l’élément d’isolation électrique (40) est polymérisable. Procédé pour renforcer un ouvrage de construction à l’aide du dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, le procédé utilisant une bande (30) de tissu sec de fibres de carbone dans une zone à renforcer (10) s’étendant entre une première extrémité (31) et une deuxième extrémité (32), et comprenant : - disposer au moins un élément isolant (26, 40) à chacune des première et deuxième extrémités ; - enduire la zone à renforcer (10) d’une couche de polymère thermodurcissable ; - imprégner et appliquer une bande (30) de tissu sec de fibres de carbone sur la zone enduite ; - à chacune des première et deuxième extrémités, disposer un élément de contact électrique (27) par-dessus la bande (30) de tissu sec ; et - faire circuler un courant électrique entre les éléments de contact électrique (27) à travers les fibres de carbone de la bande (30) pour accélérer la polymérisation du polymère avec la bande (30). Procédé selon la revendication 5, dans lequel la bande (30) de tissu sec de fibres de carbone est appliquée sur la zone enduite en lui faisant recouvrir l’ élément isolant (26, 40) disposé à chacune des première et deuxième extrémités. Procédé selon la revendication 5 ou 6, dans lequel on applique simultanément une pluralité de bandes (30) sur la surface enduite pour une polymérisation simultanée de la pluralité de bande avec le polymère. Procédé selon la revendication 7, dans lequel on applique simultanément et par superposition deux bandes (30) sur la zone à renforcer préalablement enduite. Procédé selon l’une quelconque des revendications 5 à 8, dans lequel la bande (30) et le polymère forment un renfort composite qui est chauffé pendant une durée comprise entre 50 minutes et 3 heures, à une température comprise entre 60°C et 90°C par la circulation du courant électrique.