thesis

Composite patches for enhancing application on civil infrastructures

Defense date:

Dec. 18, 2020

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Institution:

Lyon

Authors:

Abstract EN:

The automotive infrastructure in France is extensive but often aged. In particular, many French bridges (30 %) have defects that need to be repaired in a more or less short term period to prevent the rapid development of structural disorders, and 7 % of them have a risk of collapse in short term. Critical failures in large infrastructures, beyond the risk of human-life losses, can cause huge economic issues and, for sure, the loss of services. For those aged or potentially damaged infrastructures, the complete demolition and reconstruction is not conceivable just because of the inherent waste of resources. Yet, in order to still guarantee a safe usage of these constructions, certain reinforcement strategies can be adopted to extend the service life of damaged buildings, and to recover the requirements of bearing capacity and safe use. This would be undoubtedly a better deal.For that purpose, fiber-reinforced thermosetting composites have received a lot of attention. They are usually bonded on the surface to protect the infrastructure from the inner stress and external erosion or to limit crack growth. Up now, the composites are mainly based on glass or carbon fibers and cold-curing epoxy resin made from fossil resources. As environmental problems worsen, as oil resources diminish, the advantages of environmentally friendly renewable resources become more prominent. The production and recycling process of natural fibers has little impact on the environment. Besides, due to photosynthesis, the cultivation of natural fibers can reduce the greenhouse effect by increasing the oxygen content and reducing the amount of carbon dioxide in the atmosphere. Compared to traditional synthetics, natural fibers present certain engineering advantages like lightness, recyclability, abrasiveness with interesting specific properties and they are relatively cheap as well as abundant. Also, as partly made from environmentally renewable resources, thermosetting bio-epoxy resins are alternatives to conventional resins in the field of civil engineering renovation. For building fixings, the composites patches act as a structural component, whose mechanical properties are directly in relation to the reinforcement type. The viscoelastic matrix properties, and reinforcement/matrix interactions dependent on the curing state. The moisture content is also a significant element to be taken into account due to the natural origin of the fibers. This aspect can imply specific sensitivity to damage or early ageing for the patches. Therefore, they must be tailored and monitored to ensure long-term structural performance. This could be achieved through the application of an in-situ embedded sensor for continuous (in real-time) monitoring for the precise follow-up of the curing state as well as of their structural integrity (moisture ageing, damage extent). Such an embedded sensing system can also help the supervision of self-repairing constituent. This other aspect of added features to composite materials will enable the patch to slow down damage growth before catastrophic failure occurs. Moreover, the external bonding reinforcement effect, or enhancing efficiency, mainly depends on whether the component interface can effectively transfer stress. The bonding interface between the composite reinforcement sheet and the infrastructure is the weak link of the entire reinforced component. Interfacial peeling is a brittle failure that occurs suddenly without obvious warning signs so far.In this study, a novel composite patch was manufactured with flax fiber and bio-epoxy resin for the purpose of enhancing those aged or potentially damaged civil infrastructures. To obtain a comprehensive and profound acknowledgment about this research, the curing mechanism of epoxy resin, the mechanical performance of flax fiber-reinforced epoxy resin composite (FFRC), the durability behaviors of FFRC, and the shear-lap test between FFRC and concrete were the exploration priorities.

Abstract FR:

L'infrastructure automobile en France est étendue mais souvent vieillie. En particulier, de nombreux ponts français (30%) présentent des défauts qui doivent être réparés à plus ou moins court terme pour éviter le développement rapide de troubles structuraux, et 7% d'entre eux présentent un risque d'effondrement à court terme. Les pannes critiques dans les grandes infrastructures, au-delà du risque de pertes en vies humaines, peuvent entraîner d'énormes problèmes économiques et, bien sûr, la perte de services. Pour les infrastructures vieillies ou potentiellement endommagées, la démolition et la reconstruction complètes ne sont pas envisageables uniquement en raison du gaspillage inhérent des ressources. Pourtant, afin de toujours garantir une utilisation sûre de ces constructions,certaines stratégies de renforcement peuvent être adoptées pour prolonger la durée de vie des bâtiments endommagés, et pour récupérer les exigences de capacité portante et d'utilisation sûre. Ce serait sans aucun doute une meilleure affaire. À cette fin, les composites thermodurcissables renforcés de fibres ont fait l'objet de beaucoup d'attention. Ils sont généralement collés en surface pour protéger l’infrastructure des contraintes internes et de l’érosion externe ou pour limiter la croissance des fissures. Jusqu'à présent, les composites sont principalement à base de fibres de verre ou de carbone et de résine époxy polymérisable à froid issue de ressources fossiles. À mesure que les problèmes environnementaux s'aggravent, à mesure que les ressources pétrolières diminuent, les avantages des ressources renouvelables respectueuses de l'environnement deviennent plus importants. Le processus de production et de recyclage des fibres naturelles a peu d'impact sur l'environnement. De plus, grâce à la photosynthèse, la culture de fibres naturelles peut réduire l'effet de serre en augmentant la teneur en oxygène et en réduisant la quantité de dioxyde de carbone dans l'atmosphère. Par rapport aux matières synthétiques traditionnelles, les fibres naturelles présentent certains avantages techniques tels que la légèreté, la recyclabilité, l'abrasivité avec des propriétés spécifiques intéressantes et elles sont relativement bon marché et abondantes. De plus, étant en partie constituées de ressources renouvelables pour l'environnement, les résines bio-époxy thermodurcissables sont des alternatives aux résines conventionnelles dans le domaine de la rénovation du génie civil.Pour les fixations de bâtiments, les patchs composites agissent comme un composant structurel, dont les propriétés mécaniques sont directement liées au type de ferraillage. Les propriétés de la matrice viscoélastique et les interactions armature / matrice dépendent de l'état de durcissement. La teneur en humidité est également un élément important à prendre en compte en raison de l'origine naturelle des fibres. Cet aspect peut impliquer une sensibilité spécifique aux dommages ou un vieillissement précoce des patchs. Par conséquent, ils doivent être adaptés et surveillés pour garantir des performances structurelles à long terme. Ceci pourrait être réalisé grâce à l'application d'un capteur embarqué in situ pour une surveillance continue (en temps réel) pour le suivi précis de l'état de durcissement ainsi que de leur intégrité structurelle (vieillissement à l'humidité, étendue des dommages).Un tel système de détection intégré peut également aider à la supervision du constituant d'auto-guérison. Cet autre aspect des fonctionnalités ajoutées aux matériaux composites permettra au patch de ralentir la croissance des dommages avant qu'une défaillance catastrophique ne se produise. De plus, l'effet de renforcement de la liaison externe, ou l'amélioration de l'efficacité, dépend principalement de la capacité de l'interface du composant à transférer efficacement la contrainte. [...]