Étude du vieillissement de composites renforcés par des fibres naturelles : application bâtiment

Study of natural fibres reinforced composites ageing : building Application

• Auteur / Autrice : Hajer Rabii
• Direction : Thierry Chaussadent
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des Matériaux
• Date : Soutenance le 25/03/2016
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Français des Sciences et Technologies des Transports, de l'Aménagement et des réseaux. Laboratoire Comportement physico-chimique et durabilité des matériaux (Marne-la-Vallée) - Comportement Physico-chimique et Durabilité des Matériaux / IFSTTAR/MAST/CPDM
• Jury : Président / Présidente : Christine Lors
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Chaussadent, Peter Davies, Laetitia Vouyovitch
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bruno Fayolle, Christophe Baley

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Biodégradation

Propriétés mécaniques

Détérioration

Composites à fibres

Mots clés libres

Durabilité

Vieillissement hydrothermique

Cinétique d'absorption

Propriétés multi-Échelles

Microorganismes

Fibres naturelles

Durability

Hydrothermal ageing

Absorption kinetics

Multi-Scale properties

Microorganisms

Natural fibres

Résumé

L'utilisation des composites biosourcés dans des applications extérieures pour le génie civil pose le problème de leur durabilité dans les conditions d'utilisation, en raison de la forte hydrophilie des fibres naturelles. En effet, le comportement de ces composites en présence d’eau et d’humidité ou face aux contraintes thermiques et agressions biologiques est mal connu. L’objectif de cette thèse est d’étudier, par des analyses multi-échelles, la réversibilité des évolutions des propriétés de composites à matrice polyéthylène renforcée par des fibres courtes de lin. Pour ce faire, des cycles humidification/séchage ont été réalisés lors de vieillissement hydro et hygrothermiques, à 30 et 80°C. L’influence du taux de fibres et de la qualité de l'interface sur l’évolution de ces propriétés a été évaluée. De même, une étude de l’impact du développement microbien sur les composites a été réalisée pendant 6 mois. Après une caractérisation initiale des matériaux, les évolutions des caractéristiques cinétiques de coefficients de diffusion et de prise de masse au cours des vieillissements ont été évaluées. Ainsi, deux phénomènes antagonistes semblent gouverner l'évolution du coefficient de diffusion des composites. Dans un second temps, la caractérisation mécanique de ces composites au cours du vieillissement a permis d'identifier les phénomènes mis en jeu. Les évolutions du module mécanique à 30°C sont réversibles après séchage et sont attribuées à une plastification des microfibrilles de cellulose. Ces chutes s'accentuent et deviennent irréversibles à 80°C, mettant en évidence des dégradations plus importantes des matériaux. Dans un troisième temps, le phénomène de dégradation biologique de ces matériaux a été étudié. Il a été vérifié que les microorganismes sont responsables de consommation sélective de composants de fibres de lin et que leur croissance est favorisée par le taux de fibres dans le composite

The use of bio-based composites in outdoor applications for civil engineering raises the issue of their sustainability in service. This is mainly due to the highly hydrophilic character of natural fibers. Indeed, the behavior of these composites in a wet environment or under thermal and biological constraints is not well known. The main objective of this study is to get a better understanding of the reversibility of bio-based composites properties. Therefore, wetting/ drying cycles were performed on polyethylene/short flax fibre composites under hydro and hygrothermal ageing at 30 and 80°C. The influence of the fiber content and the interface quality on the mechanical properties was monitored. Moreover, a 6 months study of a microbial growth impact on these composites was carried out. A characterization of the non-aged materials was conducted first. Then, the kinetic parameters such as the water diffusion coefficient and the weight changes due to ageing were determined. Two competing mechanisms seem to affect the diffusion coefficient. The mechanical characterization of these composites during aging has enabled the identification of the aging mechanisms. Changes in the mechanical modulus at 30°C were mostly reversible after a drying cycle and were associated with a plasticizing effect of the water molecules on the cellulose microfibrils. The property losses increase and become irreversible at 80°C, which indicates a higher degradation of the composites. Finally, the biological degradation of these materials has been studied. It was verified that selective consumption of flax fiber components by microorganisms occurs, and that their growth is favored by the fiber content in the composite