Durabilité des assemblages collés: modélisation mécanique et physico-chimique

This thesis aims at developing a predictive mechanical modelling taking into account the physico-chemical properties of the adhesives, in accordance with the questioning of the project managers concerning a spreading assembling method: structural bonding. Experiments on epoxydes used in Civil Engineering brought to the fore behavioural differences between bulk adhesives and adhesive joints. Physical and hygrothermal ageing effects were analysed to evidence evolution laws for the properties of adhesives. At the same time, a mechanical modelling based on the first gradient of damage theory was developed to describe both the interface state in adhesively bonded joints and the physico-chemical and viscoelastic behaviours of the adhesive. Further studies will rely on this modelling to find out the evolution laws for the theoretical parameters depending on the ageing phenomena evidenced in the adhesive joints.La technique de collage est déjà largement utilisée en Génie Civil dans le cadre de la réparation d'ouvrages, et la voie semble ouverte pour le développement de nouvelles applications en collage structural (connexions de ponts mixte acier/béton, assemblages de structures en béton fibré, etc.). Il existe donc une demande croissante de la part des maîtres d'œuvre pour disposer d'un outil de modélisation permettant de prévoir la durabilité de ce type d'assemblages collés. L'objectif de ce travail de thèse est justement de développer un modèle mécanique prédictif capable d'intégrer les propriétés physico-chimiques de l'adhésif et leurs évolutions dans le temps. La première partie de ce mémoire rassemble les données bibliographiques concernant les mécanismes de vieillissement des adhésifs époxydes utilisés en génie civil ainsi que les modèles phénoménologiques qui décrivent ces phénomènes en terme de cinétique. Il est également ressorti de cette étude, que les modèles mécaniques de zone cohésive sont particulièrement adaptés pour simuler le processus complexe de fissuration des interfaces dans les assemblages collés. Certains de ces modèles font intervenir des paramètres autres que mécaniques dans les équations d'évolution de l'endommagement surfacique et permettent prendre en compte de manière élégante les lois d'évolutions physico-chimiques des adhésifs. La seconde partie est consacrée à l'étude expérimentale des phénomènes de vieillissement des adhésifs massiques et des joints adhésifs dans les assemblages collés. Les effets du vieillissement physique et du vieillissement en milieu humide ont été analysés, mettant en évidence des différences de comportement entre les adhésifs massiques et les joints de colle, qui peuvent être attribuées à des effets d'interface et à des répartitions de contraintes spécifiques dans le polymère confiné au sein des joints. Les modèles phénoménologiques issus de la littérature ont ensuite permis de dégager des lois de comportement visant à prédire l'évolution des propriétés de ces adhésifs au cours du temps. La dernière partie du travail a permis de développer un outil de modélisation mécanique basé sur la théorie du premier gradient de l'endommagement, qui permet de décrire l'état de l'interface dans les assemblages collés à travers une variable d'endommagement. L'originalité de ce modèle réside dans le fait que les équations d'évolution de l'interface font intervenir des coefficients caractéristiques du comportement physico-chimique de l'adhésif. Dans un premier temps, le modèle a été confronté à l'expérience dans une configuration simplifiée de traction homogène. Les expérimentations ont mis en évidence des phénomènes de raidissement du joint en début d'essai puis de fluage aux temps longs, qui n'étaient pas prévus par le modèle initial. Les équations d'évolution ont donc été modifiées pour tenir compte de la nature viscoélastique du polymère, ce qui a permis de valider le modèle dans les conditions de chargement et de déchargement des assemblages collés. Nous avons ainsi pu identifier quatre des cinq coefficients du modèle relatifs au comportement de l'adhésif. Dans un second temps, une configuration expérimentale non homogène a été proposée afin de valider le modèle pour un problème avec gradient d'endommagement, et identifier le dernier coefficient théorique. Des études ultérieures pourront se baser sur ce modèle optimisé pour dégager les lois d'évolution des coefficients théoriques en fonction des phénomènes de vieillissement mis en évidence sur les joints adhésifs

Durabilità degli assemblaggi incollati: sviluppo di un modello meccanico predittivo tenendo conto delle proprietà fisico-chimiche dell’adesivo

La tecnica dell’incollaggio è già stata ampiamente utilizzata nell’ingegneria civile nell’ambito della riparazione delle costruzioni. La via appare quindi aperta allo sviluppo delle nuove applicazioni all’incollaggio strutturale (collegamenti in ponti misti acciao-calcestruzzo, assemblaggio di strutture in calcestruzzo fibrato, etc…). Esiste dunque una domanda crescente da parte dei costruttori di poter disporre di strumenti modellistici che permettano di prevedere la durabilità di tali assemblaggi incollati. Lo scopo di questo lavoro di tesi è quindi l’introduzione e lo studio di un modello meccanico predittivo in grado di tenere conto delle proprietà fisico-chimiche dell’adesivo e della loro evoluzione nel tempo. La prima parte della tesi raccoglie dati bibliografici riguardanti i meccanismi di invecchiamento degli adesivi epoxy utilizzati nell’ingegneria civile ed i modelli fenomenologici che descrivono tali fenomeni in termini di cinetica. Da tale studio deriva che i modelli meccanici di zone di coesione sono particolarmente adatti per simulare il complesso processo della fessurazione delle interfacce all’interno dell’assemblaggio incollato. Taluni di questi modelli fanno intervenire anche parametri non di natura meccanica nelle equazioni di evoluzione del danneggiamento superficiale e permettono di tener conto in modo elegante delle leggi di evoluzione fisico-chimiche delle sostanze adesive. La seconda parte è dedicata allo studio sperimentale dei fenomeni di invecchiamento degli adesivi per unità di massa e dei legami adesivi negli assemblaggi incollati. Gli effetti di invecchiamento fisico e di invecchiamento in un ambiente umido sono stati analizzati evidenziando delle differenze di comportamento tra i due, che possono essere attribuite a effetti di interfaccia e di ripartizione degli sforzi specifici nei polimeri utilizzati nelle giunzioni adesive. I modelli fenomenologici che si trovano in letteratura hanno in seguito permesso di ottenere leggi di comportamento che permettano di predire l’evoluzione del proprietà di tali adesivi nel corso del tempo. L’ultima parte del lavoro ha permesso di sviluppare un modello meccanico basato sulla teoria del primo gradiente del danneggiamento , che permette di descrivere lo stato dell’ interfaccia negli assemblaggi attraverso una variabile di danneggiamento. L’originalità di tale modello risiede nel fatto che le equazioni di evoluzione dell’interfaccia fanno intervenire coefficienti caratteristici del comportamento fisico-chimico della colla. In un primo tempo il modello è stato confrontato con i risultati esperimentali in un caso semplificato di trazione omogenea. Gli esperimenti hanno messo in evidenza fenomeni di indurimento delle giunzioni all’inizio della prova e poi di scorrimento nei tempi lunghi, non previsti nel modello iniziale. Le equazioni di evoluzione sono state dunque modificate per tenere conto della natura viscoelastica dei polimeri, cosa che ha permesso di validare il modello nelle condizioni di carico e scarico degli assemblaggi. Siamo stati in grado anche di identificare quattro dei cinque coefficienti del modello relativi al comportamento della colla. In un secondo tempo è stata proposta una configurazione sperimentale non omogenea atta ad identificare il rimanente parametro di danneggiamento. Studi ulteriori potrebbero basarsi su tale modello ottimizzato per studiare le leggi di evoluzione dei coefficienti teorici in funzione dei fenomeni di invecchiamento messi in evidenza delle giunzioni adesive.La technique de collage est déjà largement utilisée en Génie Civil dans le cadre de la réparation d’ouvrages, et la voie semble ouverte pour le développement de nouvelles applications en collage structural (connexions de ponts mixte acier/béton, assemblages de structures en béton fibré, etc…). Il existe donc une demande croissante de la part des maîtres d’oeuvre pour disposer d’un outil de modélisation permettant de prévoir la durabilité de ce type d’assemblages collés. L’objectif de ce travail de thèse est justement de développer un modèle mécanique prédictif capable d’intégrer les propriétés physico-chimiques de l’adhésif et leurs évolutions dans le temps. La première partie de ce mémoire rassemble les données bibliographiques concernant les mécanismes de vieillissement des adhésifs époxydes utilisés en génie civil ainsi que les modèles phénoménologiques qui décrivent ces phénomènes en terme de cinétique. Il est également ressorti de cette étude, que les modèles mécaniques de zone cohésive sont particulièrement adaptés pour simuler le processus complexe de fissuration des interfaces dans les assemblages collés. Certains de ces modèles font intervenir des paramètres autres que mécaniques dans les équations d’évolution de l’endommagement surfacique et permettent prendre en compte de manière élégante les lois d’évolutions physico-chimiques des adhésifs. La seconde partie est consacrée à l’étude expérimentale des phénomènes de vieillissement des adhésifs massiques et des joints adhésifs dans les assemblages collés. Les effets du vieillissement physique et du vieillissement en milieu humide ont été analysés, mettant en évidence des différences de comportement entre les adhésifs massiques et les joints de colle, qui peuvent être attribuées à des effets d’interface et à des répartitions de contraintes spécifiques dans le polymère confiné au sein des joints. Les modèles phénoménologiques issus de la littérature ont ensuite permis de dégager des lois de comportement visant à prédire l’évolution des propriétés de ces adhésifs au cours du temps. La dernière partie du travail a permis de développer un outil de modélisation mécanique basé sur la théorie du premier gradient de l’endommagement, qui permet de décrire l’état de l’interface dans les assemblages collés à travers une variable d’endommagement. L’originalité de ce modèle réside dans le fait que les équations d’évolution de l’interface font intervenir des coefficients caractéristiques du comportement physico-chimique de l’adhésif. Dans un premier temps, le modèle a été confronté à l’expérience dans une configuration simplifiée de traction homogène. Les expérimentations ont mis en évidence des phénomènes de raidissement du joint en début d’essai puis de fluage aux temps longs, qui n’étaient pas prévus par le modèle initial. Les équations d’évolution ont donc été modifiées pour tenir compte de la nature viscoélastique du polymère, ce qui a permis de valider le modèle dans les conditions de chargement et de déchargement des assemblages collés. Nous avons ainsi pu identifier quatre des cinq coefficients du modèle relatifs au comportement de l’adhésif. Dans un second temps, une configuration expérimentale non homogène a été proposée afin de valider le modèle pour un problème avec gradient d’endommagement, et identifier le dernier coefficient théorique. Des études ultérieures pourront se baser sur ce modèle optimisé pour dégager les lois d’évolution des coefficients théoriques en fonction des phénomènes de vieillissement mis en évidence sur les joints adhésifs

Durabilité des assemblages collés (Développement d'un modèle mécanique prédictif avec prise en compte des caractéristiques physico-chimiques de l'adhésif)

MARNE-LA-VALLEE-ENPC-BIBL. (774682303) / SudocSudocFranceF

Reservoir sediment, a new source for the fired clay industry ? -Input from the Durance watershed (SE France)

International audienceThe preservation of natural resources becomes an important issue in the general frame of European environmental policies. In this context, clay deposits in river, in particular associated with hydraulic structures (dams, harbors, locks,...), are possible alternatives to the exploitation of fossil deposits in quarries. Through the example of the Durance watershed, we present a methodology to evaluate the potential of clay deposits in retention dams for its use in the industry of fired clay. Durance river and its tributaries are characterized by an important flux of suspended particulate matter (SPM). Some of these SPM are exported to Rhône river (3Mt/year), another (fully 1Mt/year) is trapped in the 17 reservoirs of hydropower dams in the Durance watershed. In comparison with annual consumption of raw material by fired clay industry (7Mt/year), this flux is quite significant. Comparison of mineralogical and geochemical compositions of samples from three dam reservoirs, Serre Ponçon (upper Durance river), Castillon (upper Verdon river, main tributary of Durance) and Cadarache (downstream of Durance-Verdon confluence) allows us to assess the evolution of the mineralogical composition of SPM along the Durance course according to geological sources. Clay mineral assemblages are dominated by mica and illite in the upstream reaches of the Durance course (unfavorable). A significant percentage of smectite (favorable) is observed downstream of Serre Ponçon dam. The CaCO 3 content is relatively high all along the Durance and its tributaries (especially the Verdon). To assess the valorization potential of natural samples, an industrial referential was established from representative industrial samples for grain size distribution, mineralogical and geochemical compositions. Comparison of the mineralogical, geochemical and grain size composition of the Durance samples with the industrial referential provides a rapid evaluation of the potential of these sediments. Following this first evaluation, tests specific of fired clay industry (firing, drying, resistance ...) are conducted on the natural sample and on mixtures. Samples from Serre Ponçon were discarded due to their mineralogical composition, that did not permit to perform any of the fired clay industry tests. Samples from Verdon due to their high CaCO 3 content present default during the extruding phase that prevented to conduct the other tests. All tests could be performed on the Cadarache samples although the grain size distribution is too fine. On this last site, mixture were prepared by adding sand or calcined clay (chamotte). Both the grain size distribution and the geochemical composition were improved without significantly modifying their drying and firing properties. These results on the Durance watershed reveals that substitution of fossil sediments by modern reservoir sediments is feasible and can represent a significant mass when compared the present fired clay industry consumption

Le Cadre Minéralogique de Référence (CMR), un outil d’évaluation rapide du potentiel de valorisation de matériaux de dragage dans l’industrie de la terre cuite.

International audienc

A methodology to value reservoir sediment in the fired-clay industry

International audienc

Development of an industrial mineralogical framework to evaluate mixtures from reservoir sediments for recovery by the heavy clay industry: Application of the Durance system (France)

International audienc

Les sédiments de barrages, une ressource pour l'industrie des tuiles et briques ? l'exemple du bassin versant de la Durance (SE France)

National audienceFace aux problématiques environnementales actuelles, la préservation des ressources naturelles prend une part de plus en plus importante, notamment dans la politique environnementale européenne. Dans ce contexte, les atterrissements d'argiles d'un cours d'eau, notamment ceux associés aux ouvrages hydrauliques (barrages, écluses, ports,...) constituent des alternatives possibles à l'exploitation de dépôts fossiles en carrières. A partir de l'exemple du bassin versant de la Durance, nous présentons une méthodologie pour évaluer le potentiel de ce type d'atterrissement en vue d'une utilisation comme matière première dans l'industrie de la terre cuite. La Durance et ses affluents sont caractérisés par un flux de matières en suspension (MES) important. Une partie de ces MES est exportée jusqu'au Rhône (3Mt/an), une autre (au moins 1Mt/an) est piégée dans les différentes retenues de barrages hydroélectriques, au nombre de 17 qui jalonnent le système durancien. Ce flux, comparé à la consommation annuelle de matières premières argileuses de l'industrie de la terre cuite française (7Mt/an), est tout à fait significatif

A methodology to value reservoir sediment in fired-clay industry

International audiencePreservation of natural resources becomes an important issue in the general frame of European environmental policies. Clay deposits in river, in particular associated with hydraulic structures (dams, harbors, locks,...), constitute potential alternatives to the quarrying of geologic formations. Through the example of the Durance watershed, we present a methodology to recover sediments considered as waste by industrial operators by enhancing their value in the fired-clay industry. The Durance River and its tributaries are characterized by an important flux of suspended particulate matter (SPM). A large part of these SPM (more than 1Mt/year) is trapped in the 17 reservoirs of hydropower dams built along the Durance watershed. Compared with the annual consumption of raw material by the French fired clay industry (7Mt/year), this flux is quite significant. To assess the potential of reservoir sediment, an industrial referential has been established from a set of 35 industrial samples. It is based on grain size distribution, mineralogical content (bulk rock and clay minerals) and geochemical compositions. All reservoir sediments are analyzed according to this protocol. For samples within the appropriate values, tests specific of the fired clay industry (firing, drying, resistance ...) are conducted. When necessary, mixture with sand, calcined clay, other sediment or fossil material are prepared to reach characteristics similar to that of the industrial referential. In the upper course of Durance river (particularly in Serre Ponçon dam reservoir), SPM present high content in illite and chlorite and a coarse grain size distribution which are not favorable for direct use in the fired-clay industry. In the middle course, smectites and kaolinite content increases in the SPM associated to a larger CaCO 3 content. SPM from Verdon River (main tributary of Durance) present similar mineralogical content. This change in mineralogy is explained by the important contribution from sedimentary formations like the Jurassic marls. High CaCO 3 content can create some defaults during shaping or firing as observed in the Verdon samples (Castillon dam reservoir). Downstream of the Durance-Verdon confluence (Cadarache dam reservoir), CaCO 3 content and clay_mineral composition in SPM are close to expected values for use in the fired-clay industry, due to the mix of SPM from upper Durance and Verdon. All fired-clay laboratory tests could be performed on the Cadarache samples although the grain size distribution seems too fine for an industrial use. For better characteristics, mixtures were prepared by adding sand or calcined clay. Both the grain size distribution and geochemical composition were improved without significantly modifying their drying and firing properties. To value as much as possible reservoir sediments, other mixtures were successfully prepared, one with Cadarache and Serre Ponçon samples and another with a Cadarache sample and an industrial clay mixture. These results on the Durance watershed reveals that substitution of clay from geologic formations by modern reservoir sediments is feasible and can represent a significant mass when compared to the French fired-clay industry consumption. It also reveals that mixtures between reservoir sediment or with waste from fired-clay industry, or industrial clay qualify some reservoir sediments that were not suitable based on their mineralogical compositions. This type of incorporation of " waste reservoir sediment " in the fired-clay industrial process will allow to reduce the consumption of non-renewable raw material and to extend the extraction duration of quarries