Géotextiles et produits apparentés
Notion et classification des géosynthétiques
Un géosynthétique est défini par la norme NF EN ISO 10318 comme un produit dont au moins l’un des constituants est à base de polymère synthétique ou naturel, se présentant sous forme de nappe, de bande, ou de structure tridimensionnelle, utilisé en contact avec le sol ou d’autres matériaux, dans les domaines de la géotechnique et du génie civil.
Les géosynthétiques peuvent se classer en trois principales familles :
• les géotextiles et produits apparentés
• les géomembranes
• les géosynthétiques bentonitiques
Les geotextiles et produits apparentés assurent les fonctions de drainage, filtration, protection, renforcement, séparation, contrôle de l’érosion de surface. Les géomembranes et géosynthétiques bentonitiques quant à eux assurent exclusivement la fonction d’étanchéité. Les produits issus de la combinaison de manière industrielle de deux ou plusieurs géosynthétiques sont appelés géocomposites. Ils remplissent alors plusieurs fonctions dans les ouvrages.
Fonctions des géosynthétiques
Les géosynthétiques sont utilisés en bâtiment, génie civil, agriculture, dans les ouvrages pour la protection de l’environnement, dans les ouvrages hydrauliques et dans l’industrie. Les fonctions les plus répandues sont définies par la norme NF EN ISO 10318:
• La séparation : insérés entre deux matériaux de natures différentes, les géotextiles les empêchent de se mélanger.
• Le renforcement : des nappes de géotextiles empilées et alternées avec un sol faible permettent le maintien de talus [1][2], le renforcement de routes sur des zones d’effondrement, ou la stabilisation de glissements de terrain [3][4].
• La protection : les géomembranes employées pour la conception de bassins de rétention [5] sont protégées de la perforation en plaçant des géotextiles entre la géomembrane et le sol.
• L’anti-érosion : les géotextiles peuvent être utilisés contre l’action d’éléments naturels (pluie, vent, vagues).
• La filtration : les géotextiles sont utilisés en substitution de filtres à sable sur des tranchées drainantes.
• Le drainage : les géotextiles épais sont capables de transporter des flux liquides importants dans des fondations (immeubles, tunnels).
• L’étanchéité : les géomembranes sont notamment utilisées pour le stockage et le confinement de déchets spéciaux ou toxiques.
Géotextiles de renforcement et polymères employés
Parmi les géosynthétiques, nous nous intéressons aux géotextiles ayant la fonction de renforcement. Ce type de géosynthétique existe sous différentes formes : géogrilles, géocomposites, géobandes, etc… (Figure I-1). Ils sont utilisés pour renforcer les sols ou les structures lors de travaux de génie civil, comprenant les murs de soutènement, les culées de pont, les digues, les merlons, les passages souterrains, les tunnels en tranchée couverte, les ponts en arc ou encore les talus raidis. Ceci engendre une vaste gamme de domaines d’activité concernant les routes et autoroutes, les aéroports, les chemins de fer, les ouvrages hydrauliques, les mines, les réservoirs de pétrole et de gaz, etc.
Les polymères les plus utilisés pour la fabrication des géosynthétiques de renforcement peuvent être regroupés en trois familles :
• Les polyoléfines : polypropylène (PP) et polyéthylène haute densité (HDPE).
• Les polyesters : polyéthylène téréphtalate (PET).
• Les polyamides : les polyaramides (Kevlar, Nomex) et le polyamide 6-6 (PA 66)
Cependant, depuis une vingtaine d’années, on voit apparaître sur le marché des renforcements de sol, quelques nouveaux produits géotextiles à base de fils de poly(alcool vinylique) de haute ténacité (HT-PVAl). Le principal avantage de ce matériau est son excellente résistance chimique, notamment aux environnements fortement alcalins ou acides, associée à une rigidité élevée [6][7][8] qui en fait un excellent matériau de substitution aux géotextiles de renforcement classiques dans les situations de l’utilisation de sol/remplissage ayant un pH extrême.
En effet, les exigences du développement durable dans la réalisation des ouvrages en sol demandent/imposent d’employer au maximum les matériaux situés dans l’emprise des projets d’infrastructure, même ceux de faibles qualités. Dans ce contexte, le traitement à la chaux et/ou aux liants est souvent appliqué pour améliorer la qualité des sols [9][10]. Lorsque l’utilisation de sols traités, de matériaux recyclés et de remplissages de faible qualité devient plus en plus courante pour des raisons socio-économiques, un autre problème s’impose : ces sols sont souvent agressifs chimiquement et sont caractérisés par des pH extrêmement faibles ou élevés, ce qui limite le choix de renforcements de sol étant donné que certains produits géotextiles vont subir des réactions chimiques et perdre leurs propriétés mécaniques, et finalement devenir inutilisables dans ces environnements extrêmes. L’utilisation des géotextiles à base de fil de HT-PVAl peut éviter ce problème en raison de sa bonne résistance chimique en milieu très alcalin ou très acide.
Poly(alcool vinylique) (PVAl)
Généralités
Le poly(alcool vinylique) désigné par PVAl ou PVOH est un polymère obtenu par hydrolyse alcaline (soude, potasse) du poly(acétate de vinyle) (PVAc). Malgré que l’on parle vulgairement de PVAl, dont la formule empirique est –(CH2-CHOH)n–, il s’agit en réalité d’un copolymère de PVAl et PVAc qui possède des propriétés et des applications différentes selon sa masse moléculaire (ou son degré de polymérisation) et son taux d’hydrolyse.
De manière générale, le PVAl possède les propriétés particulières suivantes :
• Grande capacité à former des films
• Grand pouvoir adhésif
• Très bonnes propriétés barrière aux gaz
• Solubilité dans l’eau
• Biocompatibilité
• Biodégradable et recyclable
Du fait de ces nombreuses propriétés, le PVAl trouve des applications dans une multitude de domaines industriels tels que l’industrie papetière, textile, l’industrie de construction, l’automobile, l’industrie de l’emballage alimentaire, les cosmétiques, l’industrie pharmaceutique, etc. Le PVAl est principalement utilisé comme intermédiaire dans la synthèse du poly(butyral vinylique) (PVB) qui, principalement sous forme films, sert à l’assemblage de verres feuilletés. Le PVAl est également utilisé pour la fabrication de colles et comme addictif de peintures. Son rôle auxiliaire à la polymérisation en émulsion est aussi non négligeable. En Europe, le PVAl sert principalement comme agent de démoulage ou encore dans l’agroalimentaire pour ses propriétés de conservation. Aux Etats-Unis, il est utilisé comme agent fixant dans le textile et dans l’industrie papetière [11].
Le PVAl n’est pas un nouveau matériau, mais son application dans le domaine de construction, souvent sous forme de fil ou fibre, est récente en Europe et a été introduite par les japonais depuis une trentaine d’années. Les fibres courtes sont souvent utilisées comme matériau de renforcement dans les ciments ou composites cimentaires géotextiles [12][13], tandis que les fibres longues servent à la fabrication des produits géotextiles pour le renforcement de sol [14][8].
Synthèse
Le PVAl est généralement obtenu par hydrolyse du poly(acétate de vinyle) (PVAc) : réaction entre l’eau et les fonctions acétates du polymère en milieu méthanolique (Figure I-2). En effet, contrairement aux autres polymères qui sont généralement obtenus à partir de leurs monomères, l’alcool vinylique est trop instable pour pouvoir être polymérisé directement car il conduit facilement à l’acétaldéhyde ou l’éthanal CH3CHO par l’équilibre céto-énolique (aussi appelé tautomérie) (Figure I-3). Le PVAc est lui obtenu par polymérisation radicalaire de l’acétate de vinyle CH2=CH-O CO-CH3 par plusieurs procédés, les plus utilisés sont la polymérisation en émulsion ou en suspension [6].
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Table des matières
Introduction générale
Références bibliographiques
Chapitre I. Etude bibliographique
Introduction
I. Géotextiles et produits apparentés
I.1 Notion et classification des géosynthétiques
I.2 Fonctions des géosynthétiques
I.3 Géotextiles de renforcement et polymères employés
II. Poly(alcool vinylique) (PVAl)
II.1 Généralités
II.2 Synthèse
II.3 Caractéristiques du PVAl
III. Fils de HT-PVAl
III.1 Mise en œuvre des fibres
III.2 Microstructure des fibres semi-cristallines
III.3 Propriétés des fils
III.3.1 Propriétés physiques
III.3.2 Propriétés chimiques
III.3.3 Propriétés mécaniques
IV. Vieillissement du PVAl
IV.1 Vieillissement humide
IV.1.1 Propriété de transport de l’eau
IV.1.2 Conséquences de l’absorption d’eau
IV.2 Vieillissement chimique
IV.2.1 Dégradation thermique et thermo-oxydante
IV.2.2 Dégradation photo-oxydante
IV.2.3 Vieillissement dans des solutions aqueuses
V. Méthodes de prédiction de la durée de vie
Conclusion et plan d’étude
Références bibliographiques
Chapitre II. Matériaux et techniques expérimentales
Introduction
I. Matériau
II. Essais de vieillissement
II.1 Vieillissement humide
II.1.1 A court terme (étude d’absorption de l’eau et du vieillissement physique)
II.1.2 A long terme (recherche d’un vieillissement chimique)
II.2 Vieillissement thermique
II.3 Vieillissement dans les solutions acides et alcalines
III. Méthodes de suivi du vieillissement
III.1 Mesure des modifications chimiques
III.1.1 Spectrométrie Infrarouge à Transformée de Fourrier
III.1.2 Spectrométrie Ultraviolet-Visible
III.2 Mesure de l’absorption d’eau
III.2.1 Analyse thermogravimétrique (ATG)
III.2.2 Calorimétrie Différentielle à Balayage à température modulée (MDSC)
III.2.3 Dynamic Vapor Sorption (DVS)
III.3 Conséquences aux échelles macromoléculaires et morphologiques
III.3.1 Mesure de Tf et Xc par MDSC
III.3.2 Mesure de Tg par MDSC
III.4 Conséquences sur les propriétés mécaniques
Références bibliographiques
Chapitre III. Vieillissement thermique
Introduction
I. Modification de la structure moléculaire
I.1 Spectres UV-Visible
I.2 Spectres IRTF
II. Modification des structures macromoléculaire et morphologique
II.1 Evolution de la température de transition vitreuse et de la teneur en eau
II.2 Evolution de la température de fusion et du taux de cristallinité
III. Modification des propriétés mécaniques
IV. Discussion des résultats
Conclusions
Références bibliographiques
Chapitre IV. Vieillissement humide
Introduction
I. Interactions eau-groupe polaire
I.1 Cinétique d’absorption d’eau
I.2 Equilibre d’absorption d’eau
II. Effet plastifiant de l’eau
II.1 Caractérisation des fils après différents conditionnements
II.2 Absorption d’eau des fils libre et sous contrainte
II.2.1 Propriétés thermo-physiques
II.2.2 Propriétés mécaniques
II.3 Conclusion
III. Suivi du vieillissement à long terme
III.1 Echelle moléculaire
III.1.1 Spectres UV-Vis
III.1.2 Spectres IRTF
III.2 Echelles macromoléculaire et morphologique
III.3 Echelle macroscopique
Conclusions
Références bibliographiques
Conclusion générale
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