Armatures composites : protéger les infrastructures futures contre le stress climatique

Dans le monde, les structures en béton sont sous attaque comme jamais auparavant. Non seulement le trafic a augmenté sur les routes, ponts et viaducs, mais le changement climatique a augmenté les événements météorologiques extrêmes, y compris les tempêtes violentes et les pluies torrentielles qui entraînent des crues éclairs et autres événements destructeurs. Sous un tel stress, le béton peut se fissurer. Cela permet une détérioration rapide dans des environnements agressifs par exposition à des éléments tels que l'eau de mer, qui est corrosive pour les armatures en acier.

« Les fissures créent des chemins pour les agents des environnements agressifs pour atteindre l'armature et/ou la précontrainte en acier et commencer le processus d'oxydation corrosive », explique le site web Innovation Structures du Département des Transports de Floride (FDOT, Tallahassee, Floride, États-Unis). « Une approche innovante pour combattre ce problème majeur est de remplacer les barres et torons d'armature en acier traditionnels par des polymères renforcés de fibres (PRF). » FDOT a été un leader dans l'utilisation et les tests d'armatures PRF, ainsi que dans le développement de normes de conception et d'utilisation, comme celles émises par l'American Concrete Institute (ACI, Farmington Hills, Michigan, États-Unis). Bien que l'armature composite soit principalement faite avec de la fibre de verre (PRFV ou PRV), des produits ont également été développés en utilisant du basalte (PRFB) ou de la fibre de carbone (PRFC).

« Avec une histoire longue et coûteuse de corrosion dans le monde, l'acier n'est plus considéré comme une option rentable dans les environnements agressifs », dit Nick Crofts, PDG du fabricant d'armatures PRFV Mateenbar (Dubaï, EAU et Concord, Caroline du Nord, États-Unis), fournisseur principal pour le plus grand projet d'armatures PRFV au monde. Ce projet est le canal d'atténuation des inondations de 23 kilomètres de long et jusqu'à 80 mètres de large à Jizan, Arabie Saoudite. Bien que l'armature PRFV existe depuis 30-40 ans, dit Crofts, des projets clés comme le Canal d'Inondation de Jizan la propulsent maintenant dans les infrastructures grand public. Cette croissance justifie déjà les nouvelles usines de Mateenbar en Arabie Saoudite et aux États-Unis.

Pionnier de la technologie d'armature PRFV

L'armature PRFV Mateenbar a été développée par Pultron Composites (Gisborne, Nouvelle-Zélande), un pionnier et spécialiste de la technologie de pultrusion et de l'innovation produit. Mateenbar répond aux défis uniques du marché de l'armature, qui non seulement exige des volumes élevés et des prix bas, mais aussi nécessite que le produit soit spécifié par les architectes et/ou ingénieurs de projet. Ainsi, la première usine de Mateenbar en 2008 a été construite près de clients potentiels et de cabinets d'ingénierie de projet à Dubaï, Émirats Arabes Unis, une région connue pour les grands projets d'infrastructure et l'utilisation pionnière de composites dans la construction. Pultron reste un partenaire stratégique de Mateenbar et un fournisseur clé de technologie et développement de produits sur mesure.

Étapes de fabrication

L'usine Mattenbar utilise la technologie avancée de Pultron pour produire des armatures pultrudées très cohérentes à haut débit sans émissions de composés organiques volatils (COV). « Nous injectons la résine et polymérisons à l'intérieur de la filière de pultrusion en acier conçue », dit Crofts.

« Cette armature est un produit conçu avec une performance dimensionnelle meilleure que ±1 % », ajoute-t-il. « Il n'y a aucune excuse pour voir de la résine sur le sol ou de la poussière dans l'air. La fibre utilisée est du verre ECR résistant à la corrosion d'Owens Corning (Toledo, Ohio, États-Unis) et la résine est notre propre variante d'un vinylester à backbone époxy. Elle maximise la ténacité, la résistance et la durabilité, et est bien supérieure à un backbone polyester avec terminaisons époxy. »

Les tiges rondes pultrudées sont ensuite usinées pour créer un profil spiralé qui permet l'adhérence portante à l'intérieur du béton. « C'est aussi une opération fermée », souligne Crofts, « utilisant des cabines d'usinage équipées de systèmes de filtration d'air Donaldson (Bloomington, Minnesota, États-Unis). Nous appliquons ensuite un film de résine à l'extérieur pour améliorer la manipulation. » L'armature Mateenbar est produite en longueurs jusqu'à 80 pieds, coupée à la longueur requise. « Il est typique de voir des longueurs de 40 pieds pour la plupart des projets d'infrastructure et de construction », dit Crofts.

« Notre armature droite moyenne est de 0,75 pouce de diamètre, avec un module de traction de 8 700 ksi (60 GPa) fait de fibre de verre 11 600 ksi (80 GPa) ; ainsi, la teneur en fibres est très élevée — plus de 80 % en poids. Il n'y a pas moyen de plier cela, donc notre armature PRFV courbée est faite en utilisant un processus et une résine différents, avec une technologie propriétaire. »

Le plus grand projet d'armature PRFV au monde

Jizan (aussi orthographié Jazan) est la capitale de la région de Jizan, qui se trouve dans le coin sud-ouest de l'Arabie Saoudite, au nord de la frontière avec le Yémen. Des crues éclairs désastreuses se produisent pendant les pluies périodiques intenses en raison du ruissellement des montagnes voisines. Le canal de drainage d'eau pluviale en béton armé de 23 kilomètres de long a été construit pour protéger une grande zone industrielle qui inclut une raffinerie de pétrole pour Saudi Aramco (Dhahran, Arabie Saoudite).

Jusqu'à la pandémie de COVID-19, Saudi Aramco était la plus grande entreprise au monde en termes de revenus. Elle gère tout le business pétrolier et produits dérivés du Royaume et représente aussi 10 % de toute la construction en Arabie Saoudite. « Saudi Aramco a réalisé qu'un énorme pourcentage de son budget annuel était dépensé à remplacer des structures en béton », dit Crofts. « La salinité élevée dans le sable de la région et le delta de température élevé du jour à la nuit causent une fissuration plus rapide du béton. Saudi Aramco a commencé à chercher des technologies alternatives, et, en tant que membres de l'ACI, ils ont tiré leur stratégie des normes d'armature PRF développées, les adaptant et les affinant davantage comme normes Saudi Aramco. L'entreprise a alors mandaté l'utilisation d'armature PRFV dans certains environnements à haute corrosion. »

Saudi Aramco a demandé des offres pour le projet du canal d'inondation de Jizan et a ensuite sélectionné trois fournisseurs d'armature PRFV. Mateenbar a obtenu 50 % du contrat. « Nous avons attendu plusieurs mois pendant que le projet se mettait en place », se rappelle Crofts, « et puis, soudain, tous les matériaux étaient nécessaires immédiatement. L'usine de Dubaï est passée à plein régime dans l'espace d'une semaine et a produit presque 6 000 kilomètres d'armature PRFV sur sept mois. »

Une fois livrée, l'armature a été installée par l'entrepreneur du projet, Al Yamama Group (Dammam, Arabie Saoudite). « Nous pensions que nous devrions fournir beaucoup d'assistance pendant l'installation, mais ce n'était pas nécessaire », dit Crofts. « Ils l'ont trouvé beaucoup plus rapide à installer que l'armature en acier. » Avec un poids de 25 % de celui de l'armature en acier, l'armature PRFV permet la manipulation de longueurs plus longues avec moins de personnes et est plus facile à déplacer et positionner. « Il y a aussi moins de tubes de positionnement requis », ajoute-t-il. « Ces sections rondes de tube sont utilisées pour soutenir l'armature à la bonne position de hauteur dans le béton. »

Après que l'armature est placée, attachée ensemble avec des fils en acier inoxydable et inspectée, elle est prête pour le béton à être coulé par-dessus. L'équipe d'installation d'armature a bougé si vite, note Crofts, qu'ils étaient en fait à un kilomètre le long du canal de 40 à 80 mètres de large avant de réaliser que les opérations de coulage de béton ne pouvaient pas suivre. « Alors, ils se sont arrêtés et ont laissé le béton rattraper », ajoute-t-il. « C'est important car si de fortes pluies arrivent, l'inondation remplit le canal de sable. Cela s'est produit à quelques reprises, causant des retards, mais soulignant aussi l'importance de ce canal de drainage. »

Après le coulage du béton sur l'armature, l'équipe d'installation le tasse et le compresse pour enlever les bulles d'air, et puis il durcit au cours des jours et semaines suivants. « Il n'y a pas de différence entre l'armature PRFV et l'armature en acier pour ces étapes », dit Crofts. « Nous avons fini de fournir l'armature en janvier 2020, et le canal vient d'être achevé. »

Conception, coût et avenir du PRFV

Crofts souligne que l'armature PRFV n'est pas un remplacement direct de l'acier. « L'armature PRFV a des propriétés différentes de celles de l'armature en acier. Ces différences doivent être accommodées dans la conception. Alors que le béton armé d'acier serait typiquement conçu selon ACI 318, cela ne conviendrait pas pour l'armature PRFV, qui repose sur le guide de conception ACI 440 à la place. Par exemple, l'armature PRFV a une résistance à la traction plus élevée que l'acier, mais un module de traction plus bas. Elle est aussi élastique jusqu'à la rupture. » Crofts note que dans une conception en acier, la quantité d'armature serait typiquement déterminée par la résistance à la traction. Cependant, pour le PRFV, le module est typiquement le facteur qui détermine la quantité d'armature requise. Répondre à cette exigence résulte typiquement dans une structure qui dépassera les exigences de résistance ultime. Cela assure aussi un mode de rupture souhaitable dans la structure armée en PRFV.

Une autre considération est la production de courbes et formes. Crofts note que le ratio d'armature courbée à droite dans les projets est, en moyenne, d'environ 30 %. Avec l'armature en acier, cette fabrication est souvent complétée sur site. « Les barres courbées Mateenbar sont produites dans notre usine à environnement contrôlé et livrées directement sur site sans étapes de fabrication intermédiaires », explique-t-il. « Cela peut être un défi d'un point de vue approvisionnement car les besoins changent d'une semaine à l'autre. Nous avons trouvé que la flexibilité et avoir une usine située dans la même région sont très importantes. »

« Le coût de l'armature PRFV est 3-4 fois plus élevé que l'acier si calculé en dollars par livre », dit Crofts, « parce que notre produit est un quart de la densité. La mesure appropriée est dollars par pied parce que l'armature est en fait spécifiée et achetée comme une fraction du volume de béton. Quand vous mesurez son coût par volume, l'armature PRFV est compétitive en coût avec l'acier. »

« Jizan était le premier méga-projet à ne pas permettre l'acier », dit Crofts. « Ils avaient une équipe pour concevoir les structures requises avec une durée de vie de plus de 100 ans. Plusieurs producteurs d'armature PRFV cherchent à s'implanter en Arabie Saoudite maintenant que la demande grandit. » Mateenbar construit aussi une nouvelle usine là-bas, ainsi qu'une à Concord, N.C., États-Unis, pour servir l'Amérique du Nord, qui est le deuxième plus grand marché après le Moyen-Orient. Les deux nouvelles usines sont des installations modernes de 100 000 pieds carrés, utilisant la technologie de pultrusion avancée de Pultron. Pour les deux, l'équipement a été livré en octobre 2020, et la production devrait commencer début 2021.

Alors que la demande d'armature PRFV monte en flèche au Moyen-Orient, le marché en Amérique du Nord continue de mûrir. « Actuellement, les plus grandes applications d'armature PRFV en Amérique du Nord sont les murs de mer et les ponts le long de la côte ou où les routes sont fortement salées », dit Croft. « Cependant, les DOT et les propriétaires d'actifs cherchent maintenant à améliorer le coût sur la durée de vie des structures [CW est d'accord, voir « Le rôle croissant des composites dans les infrastructures »], ce qui inclut la réduction du besoin de maintenance et la construction d'infrastructures à la fois durables et pérennes. Les ingénieurs-conseils et utilisateurs finaux voient la valeur de la technologie d'armature PRFV et les producteurs d'armature PRFV coopèrent sur les normes de qualité et de performance. Il y a aussi des utilisateurs leaders, comme FDOT, qui promeuvent la technologie et aident d'autres DOT, ce qui a aidé à diffuser la connaissance. »

Crofts note que FDOT a récemment organisé un webinaire sur la conception de béton armé PRFV avec 200 participants. Dans un autre webinaire, le Dr Antonio Nanni, l'un des chercheurs clés à l'Université de Miami (Miami, Floride, États-Unis) travaillant avec FDOT a déclaré : « L'armature PRF est prête pour le prime time. » Cela a été prouvé, dit Crofts. « Le travail maintenant est pour plus d'entreprises de la spécifier et les entrepreneurs de l'utiliser. »