Des 'pansements' en fibre de carbone : un renfort minimalement invasif pour ponts et bâtiments

Dans la vie quotidienne, nous utilisons des pansements pour traiter les petites coupures et écorchures – une solution simple et pratique. Or, aujourd'hui, lorsque des fissures fines apparaissent dans les poutres des ponts ou que les murs de vieux bâtiments se détériorent progressivement avec l'âge, un matériau apparemment léger émerge comme la « force principale » du renforcement structurel. La technologie du génie civil a également adopté une solution similaire au pansement adhésif : le tissu en fibre de carbone, qui renforce discrètement les ponts et bâtiments qui nous entourent par des méthodes minimales invasives.
Procédé de fabrication du tissu unidirectionnel

Le tissu unidirectionnel en fibre de carbone est un matériau couramment utilisé dans les projets de renfort en fibre de carbone. Son procédé de fabrication implique principalement l'arrangement, la fixation et le moulage des filaments en fibre de carbone, dont l'objectif principal est d'assurer un alignement soigneux des filaments dans une seule direction (généralement longitudinale), tout en conservant des propriétés de haute résistance. Les étapes spécifiques sont globalement les suivantes :

Étape une : Préparation du filament en fibre de carbone
Les filaments précurseurs en fibres de carbone à base de PAN (la norme du marché) sont fabriqués à partir de fibres de polyacrylonitrile par des procédés de pré-oxydation et de carbonisation. Ces filaments ont un diamètre de 5 à 7 micromètres et présentent une résistance à la traction exceptionnellement élevée.
Deuxième étape : Procédé de chaînage
Grâce à la machine à chaîner, des milliers à dizaines de milliers de filaments de fibre de carbone sont disposés longitudinalement en parallèle et uniformément en couches de chaîne. La tension et la précision de l'alignement sont strictement contrôlées afin d'assurer des propriétés unidirectionnelles et d'éviter tout décalage transversal.
Troisième étape : Procédé de tissage / fixation
En utilisant des fibres transversales extrêmement fines (comme la fibre de verre ou le nylon), les fils longitudinaux sont fixés par tissage ou collage. Lors du tissage, les fils de trame sont entrelacés avec les fils de chaîne à faible densité (quelques fils par centimètre), formant une structure « chaîne serrée, trame lâche » qui assure un renfort sans compromettre la résistance. Alternativement, une émulsion de résine époxy peut être utilisée pour lier le matériau en un tissu sans trame, bien que le tissage reste la méthode la plus courante.
Étape quatre : Traitement de surface
Éliminer les impuretés, augmenter la rugosité de surface ou appliquer un agent d'accouplement afin d'améliorer l'adhérence au collier et la compatibilité avec la résine.
Étape cinq : Étalonnage et bobinage
Après séchage et fixation, le produit subit un contrôle qualité et un emballage pour devenir l'article fini. Tout au long de ce processus, l'accent est mis sur la maximisation de la haute résistance des brins de fibre de carbone longitudinaux, les brins transversaux ne servant qu'à une fonction de fixation auxiliaire.

Le cœur de l'ensemble du processus réside dans l'assurance d'un alignement parallèle et d'une haute résistance à la traction des brins de fibres de carbone longitudinaux, les fibres transversales ne servant qu'à une fixation auxiliaire. Par conséquent, le tissu de fibre de carbone unidirectionnel exploite pleinement les propriétés de traction de la fibre de carbone selon son axe longitudinal, ce qui le rend particulièrement adapté aux applications de renforcement structurel soumises à des contraintes de traction.

Principes de renforcement
Le tissu en fibre de carbone est collé sur la surface structurelle à l'aide d'un adhésif résine compatible, formant un matériau composite (CFRP) qui travaille conjointement avec la structure d'origine. Doté d'une résistance à la traction exceptionnellement élevée (environ dix fois supérieure à celle de l'acier), le tissu en fibre de carbone est solidement intégré au béton par l'intermédiaire de l'adhésif résine. Cela permet de transférer les charges externes vers le tissu en fibre de carbone, exploitant ainsi ses propriétés de haute résistance afin d'améliorer la capacité de la structure à résister aux contraintes de flexion, aux efforts tranchants et aux séismes, tout en empêchant simultanément la propagation des fissures.

Procédures de construction

Étape une : Préparation de la surface
Nettoyer la surface en béton, poncer les couches friables et les taches d'huile afin de créer une surface de base lisse.
Étape deux : Appliquer l'apprêt époxy
Appliquer une couche d'apprêt sur le béton pour garantir une adhérence sécurisée du tissu.
Étape trois : Appliquer le tissu en fibre de carbone
Imprégnez le tissu de fibre de carbone pré-découpé avec de la résine époxy et appliquez-le sur les zones structurelles nécessitant un renfort (comme les intrados de poutres, les colonnes, les dalles de plancher et les âmes de ponts).
Étape quatre : Compactage au rouleau et déaération
Appuyez plusieurs fois avec un rouleau afin de garantir une imprégnation uniforme de l'adhésif dans les fibres et d'éliminer toute bulle d'air, comme on appuie fermement un pansement.
Étape cinq : Durcissement et entretien
Une fois l'adhésif durci, le tissu de fibre de carbone et le béton sont solidarisés, formant ainsi une couche externe exceptionnellement résistante.

Caractéristiques du renforcement

Amélioration de la capacité portante : appliqué sur l'intrados des poutres → meilleure résistance à la flexion ; appliqué sur les colonnes → augmentation de la résistance en compression et des performances sismiques.

Maîtrise des fissures : le tissu de fibre de carbone empêche la propagation des fissures dans le béton, tout comme un pansement protège une plaie cutanée contre une aggravation.

Durée de vie prolongée : Résistant à la corrosion, contrairement à l'acier qui rouille, ce qui le rend particulièrement adapté aux environnements tels que les ponts exposés sur le long terme.

Léger et efficace : Vitesse de construction rapide, ne nécessitant aucune machine lourde et n'ajoutant aucun poids structurel significatif.

Pourquoi le tissu en fibre de carbone est-il devenu le nouveau choix pour le renforcement ?

Par rapport aux méthodes traditionnelles de renforcement telles que le renforcement par plaques d'acier ou l'élargissement de section, le tissu en fibre de carbone offre des avantages distincts :

Sa nature légère n'ajoute pratiquement aucune charge supplémentaire à la structure d'origine. Pesant moins de 300 grammes par mètre carré, il modifie minimement la répartition des charges du bâtiment après application , ce qui le rend particulièrement adapté au renforcement de structures sensibles au poids propre, telles que les bâtiments anciens et les ponts.

Sa résistance à la corrosion garantit des performances stables dans des environnements difficiles. Que ce soit face à la corrosion provoquée par les projections de sel sur les ponts côtiers ou aux conditions humides dans les poutres et colonnes de sous-sols, le tissu en fibre de carbone maintient des performances constantes avec une durée de vie en service excédant 50 ans.

L'installation efficace réduit considérablement les délais du projet. Ne nécessitant aucune machine lourde — uniquement une application manuelle — le renforcement d'un bâtiment de mille mètres carrés prend généralement seulement 1 à 2 semaines, un temps nettement plus court que les méthodes conventionnelles.