La Chine a fait des progrès significatifs dans la recherche et l'application pratique du renforcement structurel à l'aide de composites en fibre de carbone. Les méthodes courantes utilisées en ingénierie comprennent l'élargissement de section, le revêtement en acier, la précontrainte, le collage de plaques d'acier et le collage de composites de fibres de carbone. Les méthodes de renforcement traditionnelles sont généralement obsolètes, avec des processus et des techniques de construction complexes qui peuvent avoir un impact sur le poids et la surface utilisable de la structure. En revanche, la méthode de collage composite en fibre de carbone offre des avantages tels qu'une résistance élevée, une efficacité, une résistance à la corrosion, une facilité de construction et l'absence d'augmentation des dimensions structurelles, ce qui la rend largement utilisée dans les projets d'ingénierie.

1. Principes du renforcement composite en fibre de carbone

Le renforcement des structures en béton par la fibre de carbone est une méthode moderne dont les recherches ont débuté dans les années 1980 et qui a été introduite en Chine en 1996. Elle a rapidement attiré l'attention de la communauté des ingénieurs, devenant un sujet brûlant de recherche et d'application. Cette méthode consiste à lier des composites de fibres de carbone à la surface des structures en béton, renforçant ainsi leur résistance et améliorant leurs performances grâce au travail collaboratif des fibres et de la structure.

2. Matériaux composites en fibre de carbone

Les principaux matériaux utilisés pour renforcer et réparer les structures en béton avec des composites de fibres de carbone sont les tissus en fibres de carbone et les résines compatibles. Les composites en fibre de carbone sont connus pour leur haute résistance, leur module d'élasticité élevé, leur légèreté et leur excellente résistance à la corrosion, avec une résistance à la traction environ dix fois supérieure à celle des barres d'acier ordinaires. Les résines compatibles comprennent les résines de base, les résines de nivellement et les résines de liaison. Ces résines améliorent la qualité de liaison des fibres de carbone et aident à former un corps en matériau composite avec le béton, améliorant ainsi la résistance à la flexion et au cisaillement de la structure.

2.1 Tissus en fibre de carbone

Les tissus en fibre de carbone peuvent être classés en fonction de leurs matières premières en tissus à base de PAN, de viscose et d'asphalte. Ils varient également selon les spécifications, notamment les tissus en fibre de carbone 1K, 3K, 6K, 12K et 24K ou plus, et selon le processus de carbonisation en tissus graphitisés, carbonisés et pré-oxydés. De plus, ils diffèrent par les méthodes de tissage, telles que les tissus tissés, tricotés, tressés et pré-imprégnés.

2.2 Matériaux de liaison

Les adhésifs utilisés pour le renforcement composite en fibre de carbone comprennent trois types : apprêt (résine de base), résine de réparation (matériau de nivellement ou mastic) et résine d'imprégnation. L'apprêt renforce la surface du béton, améliorant ainsi la liaison entre le béton et les composites de fibre de carbone. La résine de réparation nivelle la surface du béton, facilitant l'adhésion des feuilles de fibre de carbone. La résine d'imprégnation lie les fibres de carbone entre elles et au béton, formant un matériau composite résistant aux forces extérieures. Les performances de la résine d’imprégnation sont cruciales pour le renforcement efficace des structures en béton.

3. Performance supérieure des structures en béton armé composite de fibre de carbone

• Haute résistance et module élastique :Les composites en fibre de carbone offrent une résistance à la traction élevée, environ dix fois supérieure à celle de l'acier, et un module élastique comparable à celui de l'acier.

• Résistance à la corrosion et durabilité :Les composites en fibre de carbone sont chimiquement stables et ne réagissent pas avec les acides, les alcalis ou les sels, offrant ainsi une excellente résistance à la corrosion et une excellente durabilité pour les structures renforcées.

• Faible coefficient de dilatation thermique :Les composites en fibre de carbone ont un coefficient de dilatation thermique très faible, quasiment nul dans le sens des fibres.

• Facilité de construction et haute efficacité :Le renforcement avec des tissus en fibre de carbone ne nécessite pas de machinerie lourde ou d'équipement volumineux, occupe un minimum d'espace et permet une coupe flexible et une installation rapide.

• Qualité de construction garantie :Les tissus en fibre de carbone, étant flexibles, peuvent bien adhérer aux surfaces inégales après réparation, atteignant un taux d'adhésion efficace de plus de 95 %.

• Impact minimal sur les structures :Le poids léger et le profil fin des composites en fibre de carbone n'augmentent pas de manière significative le poids ou les dimensions de la structure d'origine, préservant ainsi l'espace utilisable.

• Large gamme d'applications :Convient pour renforcer différents types de structures, formes, matériaux et divers points faibles des éléments structurels.

4. Applications du renforcement composite en fibre de carbone dans les structures en béton

En ingénierie pratique, les tissus en fibre de carbone sont principalement utilisés pour le renforcement. La technologie est mature et largement appliquée dans plusieurs domaines :

• Amélioration de la capacité de cisaillement :Les tissus en fibre de carbone contribuent à une résistance au cisaillement similaire à celle des étriers et aident à prévenir la déformation prématurée de l'armature principale en retenant le béton et en supportant les contraintes de traction.

• Augmentation de la capacité de pliage :En liant les tissus en fibre de carbone à la surface de traction des éléments structurels, leur capacité de flexion est considérablement améliorée.

• Améliorer les performances sismiques :Les tissus en fibre de carbone peuvent améliorer la ductilité et la capacité d'absorption d'énergie des éléments en béton, en particulier dans les joints poutre-colonne et les colonnes sous charge axiale, offrant ainsi un excellent renforcement sismique.

• Augmenter la résistance à la fatigue :Les poutres en béton armé et les poutres en béton précontraint renforcées avec des tissus en fibre de carbone conservent résistance et rigidité après des cycles de chargement répétés, prolongeant considérablement leur durée de vie en fatigue et réduisant la déformation.

5. Limites du renforcement composite en fibre de carbone dans les structures en béton

• Fragilité :Les fibres de carbone sont élastiques et fragiles, nécessitant une déformation importante de la structure pour utiliser pleinement leurs propriétés.

• Problèmes d'adhésion :Le renforcement en fibre de carbone peut subir des ruptures de liaison, conduisant à des modes de rupture fragiles dans les structures en béton armé.

• Recherche limitée sur les performances à long terme :Il y a un manque de recherche sur les performances du béton renforcé de fibres de carbone sous des charges à long terme et d'impact.

• Lacunes théoriques :Bien qu'il existe des recherches approfondies sur les mécanismes de renforcement en cisaillement et en flexion des matériaux en fibre de carbone dans les poutres et les colonnes, la compréhension de leur application dans les murs de cisaillement est limitée.

Dans l’ensemble, la technologie de renforcement composite en fibre de carbone offre d’importants avantages économiques, sociaux et environnementaux. Avec le développement de matériaux en fibre de carbone, la réduction des coûts de production et la recherche continue, cette technologie verra de plus en plus d'applications dans le renforcement des structures en béton, promettant un avenir radieux.