Les polymères renforcés de fibres (PRF) sont un nouveau type de matériau utilisé ces dernières années dans le renforcement du génie civil. La technologie PRF est largement utilisée dans ce domaine. Cet article présente en détail les types et les propriétés physiques des PRF couramment utilisés dans ce domaine. Les avantages et les inconvénients de chaque technologie de renforcement sont analysés, ainsi que l'application et le développement de cette technologie en Chine et à l'étranger.

Ces dernières années, avec le développement socio-économique rapide de la Chine, la demande pour des bâtiments de plus en plus complexes est croissante. Des mesures de renforcement sont nécessaires lorsque les exigences fonctionnelles des bâtiments changent ou que la conception structurelle est négligée. Le renforcement des bâtiments peut être maintenu ou renforcé à très faible coût pour garantir leur fonctionnalité. Depuis les années 60, l'utilisation de tôles d'acier collées extérieurement pour renforcer les structures en béton est devenue courante. Bien que cette méthode soit peu coûteuse et facile à mettre en œuvre, elle présente de nombreux inconvénients.

(1) Le poids propre de l'acier augmente la charge d'utilisation des bâtiments.

(2) L'impact sur l'esthétique des bâtiments peut parfois avoir un impact important sur leur utilisation.

(3) La faible résistance à la corrosion de l'acier et son impact environnemental à long terme le rendent facilement sujet à la rouille, ce qui affaiblit son effet de renforcement, notamment dans les bâtiments industriels.

(4) La technologie de construction est complexe et le cycle de construction est long. Il est donc nécessaire de cesser l'utilisation des bâtiments pendant la construction, ce qui a un impact certain sur la production et la durée de vie normales.

Depuis les années 1990, les plaques en plastique renforcé de fibres (PRF) ont progressivement remplacé les plaques d'acier pour renforcer les structures en béton, en raison de leurs propriétés physiques et mécaniques supérieures (haute résistance, légèreté, résistance à la corrosion) et de leur facilité d'utilisation. Cette nouvelle technologie de renforcement pallie les inconvénients des méthodes traditionnelles.

Espèces et caractéristiques

Les matériaux PRF couramment utilisés dans le secteur de la construction comprennent principalement la fibre de carbone (PRFC), la fibre de verre (PRFV) et la fibre aramide (PRAF). Ces matériaux présentent des propriétés physiques et mécaniques très supérieures, notamment un rapport résistance à la traction/poids spécifique (ce que l'on appelle « résistance spécifique ») dix fois supérieur à celui de l'acier. Leur légèreté et leur haute résistance sont remarquables. Leur rapport module de traction/poids spécifique (ce que l'on appelle « module spécifique ») est supérieur à celui de l'acier. Le module spécifique du PRFC est dix fois supérieur à celui de l'acier, et celui de l'AFRP est deux à trois fois supérieur. Outre les catégories mentionnées ci-dessus, il existe une fibre hybride (PRHF), composée de deux ou plusieurs fibres différentes, d'une matrice différente et de formes différentes de matériaux fibreux. La fibre hybride présente les avantages des deux composants.

En résumé, par rapport aux matériaux de renforcement traditionnels tels que l'acier, les PRF présentent des avantages évidents, notamment :

(1) une résistance spécifique supérieure, c'est-à-dire une légèreté et une résistance élevées. Comparé aux armatures en acier traditionnelles, le PRF permet de réduire efficacement le poids propre de la structure.

(2) une résistance aux acides, aux alcalis, à l'humidité et à la fatigue.

(3) une grande aptitude à la conception, grâce à l'utilisation de différents types de fibres, de teneurs et de sens de pose, permettant de concevoir différents indicateurs de résistance, modules d'élasticité et autres exigences de performance spécifiques aux produits PRF pour répondre aux exigences de différents angles ;

(4) une bonne élasticité linéaire, avec une courbe contrainte-déformation proche de l'élasticité linéaire.

(5) Grâce à leur facilité de mise en œuvre, de transport et de stockage, les produits moulés en PRF sont particulièrement adaptés à la construction industrielle, ce qui améliore considérablement la qualité des projets de renforcement, favorise l'efficacité de la main-d'œuvre et l'industrialisation de la construction.

Les PRF présentent néanmoins des inconvénients. Par exemple, l’anisotropie des matériaux conduit à des propriétés mécaniques inégales, un faible module d’élasticité et une faible résistance au feu limitent également son application.

Application des matériaux PRF en génie civil

Comme matériaux de structure

En 1942, la marine américaine a utilisé pour la première fois le PRF pour la fabrication de radômes, ce qui marquait la première utilisation du PRF comme matériau de structure. Dans les années 1950 et 1960, l'application du PRF s'est progressivement étendue au domaine de la construction civile. En 1961, des ingénieurs britanniques ont utilisé le PRF pour la flèche d'une nouvelle église. En 1968, des ingénieurs britanniques ont utilisé des plaques de PRF et des ossatures en aluminium pour construire le toit incurvé d'un bâtiment dans une ville portuaire, en raison de la forte teneur en chlorures de l'air, qui provoquait une forte corrosion du bâtiment. En 1971, un pont à poutres continues en PRF d'une portée de 10 mètres et d'une largeur de 1,5 mètre a été construit à Liverpool, en Angleterre.

L'étude du PRF a débuté à la fin des années 1950 du siècle dernier. En 1958, des chercheurs ont étudié l'utilisation de faisceaux de fibres de verre à la place des barres d'armature dans les éléments en béton. Dans les années 1970 et 1980, le PRF a été de plus en plus utilisé dans les structures de bâtiment. Un radôme sphérique construit quelque part dans la province du Yunnan en 1972 (page 202) (page 184) est entièrement constitué de PRF. En 1982, un pont routier à poutres-caissons en nid d'abeilles en PRF a été construit à Pékin. Sa portée est de 20,7 mètres. Il s'agit du premier pont routier au monde construit en PRF. Depuis, les applications du PRF dans les structures de génie civil se sont multipliées. Cependant, la grande majorité des applications concernent des composants temporaires en PRF, qui sont encore à l'essai.

Ces dernières années, grâce au renouvellement et au développement constants des technologies de production de PRF, son application dans le domaine des structures de bâtiment s'est généralisée. Jusqu'à présent, les matériaux FRP tels que les structures de bâtiments FRP, les structures de ponts FRP et d'autres applications dans le domaine du génie civil peuvent être vus partout dans le pays.

En tant que matériau de renforcement structurel

L'utilisation de matériaux PRF pour la structure des principaux composants de contrainte présente des avantages considérables en termes de réduction du poids structurel. Cependant, le coût élevé des composants PRF fabriqués à grande échelle selon les procédés de production existants rend peu probable leur remplacement rapide et massif par des matériaux PRF. Ces dernières décennies, suite à plusieurs tremblements de terre majeurs dans le monde, de plus en plus de structures doivent être réparées et renforcées, et les méthodes de renforcement traditionnelles présentent des difficultés difficiles à surmonter. Ceci offre un solide contexte technique pour la technologie de renforcement des structures de bâtiment avec des matériaux PRF. Aujourd'hui, la recherche et l'application des matériaux PRF dans le domaine du renforcement structurel sont devenues un pôle de recherche universitaire majeur. Au début des années 1980, le Japon a été un pionnier dans l'utilisation des matériaux PRF pour le renforcement des bâtiments anciens, notamment pour leur résistance sismique. Dans les années 1990, les pays développés d'Europe et d'Amérique ont mené des recherches successives sur la technologie de renforcement des PRF. Les États-Unis ont été les premiers à utiliser les PRF pour le renforcement et la consolidation des tabliers de pont. En Europe, la Suisse et l'Allemagne ont été les premières à réaliser une étude sismique sur les performances sismiques de poteaux en béton armé renforcés par des matériaux PRF. Le Royaume-Uni, l'Italie, les Pays-Bas et d'autres pays ont également mené d'importants programmes de recherche coopérative sur la technologie du renforcement PRF. À ce jour, l'utilisation de cette technologie en Europe, aux États-Unis, au Japon et dans d'autres pays développés est presque arrivée à maturité et a défini ses propres critères de conception et de construction.

La technologie chinoise de réparation des structures en béton armé de fibres de carbone a débuté dans les années 1990. Cependant, depuis 1997, les universités et instituts de recherche nationaux mènent activement des travaux de recherche scientifique pertinents et ont obtenu des résultats fructueux. L'Académie chinoise des sciences de l'architecture et d'autres théories et techniques connexes sur le renforcement des structures en béton par PRF sont systématiquement étudiées. L'Université Tsinghua a mené une étude détaillée et approfondie sur la capacité portante et les facteurs d'influence de diverses structures renforcées par PRF. L'Université du Sud-Est et l'Université des sciences et technologies de Huazhong, entre autres, ont poursuivi leurs recherches sur le renforcement des joints de charpente en béton armé et la capacité portante au cisaillement, et ont proposé une formule de calcul de la capacité portante. Les propriétés mécaniques des colonnes tubulaires en acier remplies de béton renforcé FRP ont été étudiées à l'Université de construction de Shenyang.

Résumé

Avec le développement technologique, les nouvelles méthodes de renforcement des PRF se sont développées, passant du renforcement et de la réparation des bâtiments industriels et civils à la consolidation et à la réparation des ponts, tunnels, ouvrages de conservation des eaux et autres structures spéciales. Les PRF offrent de vastes perspectives d'application dans le domaine du renforcement du génie civil, mais la théorie fondamentale et la méthode de conception du renforcement des structures de bâtiments présentent encore de nombreuses lacunes. La recherche scientifique dans ce domaine doit donc être approfondie. Cependant, en tant que nouveau matériau, le PRF ne peut être ignoré dans le domaine du renforcement des structures de bâtiments et son utilisation est appelée à se généraliser.