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Chapitre 5 Adhérence des réparations sur surfaces préparées

Table des matières

La revue de documentation a montré que plusieurs projets ont porté sur l’adhérence des réparations. Toutefois, aucun de ces projets n’a été en mesure d’évaluer l’importance de l’intégrité et de la rugosité du substrat. Cette première partie du troisième volet expérimental a donc pour objectif d’évaluer quantitativement l’effet de l’endommagement du substrat sur l’adhérence de la réparation et de vérifier s’il existe une corrélation entre la rugosité de la surface du substrat et l’adhérence de la réparation.

Afin d’atteindre l’objectif mentionné précédemment, la rugosité des surfaces préparées, utilisées au premier volet expérimental, a d’abord été évaluée. Par la suite, ces surfaces ont été réparées et des essais d’adhérence ont été réalisés. La méthode utilisée pour quantifier la rugosité des surfaces, les procédures suivies pour la mise en place des réparations sur les supports et les essais d’adhérence sont présentés en détail dans les paragraphes qui suivent.

L’objectif dans cette partie du travail est d’évaluer quantitativement la rugosité des surfaces préparées sans avoir recours à un prélèvement d’échantillons. Les sections qui suivent présentent la description du procédé utilisé afin de numériser et d’analyser les surfaces.

Le traitement des matrices 3D des points qui définissent les surfaces étudiées est réalisé avec l’application RugoID3 . Ce programme comporte une interface qui peut être utilisée à la fois comme une feuille d’analyse et une base de données permettant la comparaison ultérieure entre les résultats des diverses surfaces analysées. La figure 5.1 donne un aperçu de l’interface utilisateur de cette application.

Les paramètres d’état de surface obtenus avec l’application RugoID3 proviennent du traitement des profils de la surface. Un profil de surface correspond à la ligne d’intersection entre une surface et un plan de coupe perpendiculaire à la surface. Il peut être décomposé en plusieurs échelles. Dans le présent projet, la décomposition du profil qui a été retenue est celle présentée à la figure 5.2.

Le profil Complet correspond au profil de la surface auquel la filtration du bruit a été soustraite. Étant donné la résolution verticale de l’appareil de numérisation et la filtration du bruit, il est impossible de distinguer la microrugosité de la macrorugosité. Par conséquent, le profil Complet sera décomposé en deux profils : le profil Forme et le profil Macro . Le profil Forme représente les irrégularités de finition ou de l’inclinaison de la surface, alors que le profil Macro fait référence à la macrorugosité engendrée par la préparation de surface. Pour l’étude de la rugosité et son influence sur l’adhérence des réparations, les paramètres évalués à partir du profil Macro ont été considérés. Pour le lecteur désireux d’en savoir davantage sur le traitement des données et le fonctionnement de l’application RugoID3 , il est suggéré de consulter les travaux de Perez [2005].

Le programme RugoID3 permet d’évaluer plusieurs paramètres d’état de surface qui caractérisent la rugosité d’une surface. Pour le présent projet, des paramètres physiques (profondeur minimale des saillies, etc.) et statistiques (pas moyen des irrégularités du profil, etc.) ont été utilisés. Ces paramètres sont obtenus en définissant une ligne de référence qui épouse la forme du profil de surface à partir de la méthode des moindres carrés. La figure 5.3 permet de visualiser la ligne de référence d’un profil. Elle représente une ligne moyenne qui divise le profil mesuré de tel sorte qu’à l’intérieur des limites de la longueur de base l , la somme des carrés des écarts ( yi ) des pics et des creux à partir de la ligne de référence soit minimale.

Les paramètres physiques qui ont retenu l’attention sont les profondeurs des saillies ( yp ) et des creux ( yv ). Les saillies du profil représentent la partie du profil situé au dessus de la ligne de référence du profil, soit les pics, alors que les creux sont situés sous la ligne de référence. Deux paramètres statistiques ont également été considérés. Il s’agit des paramètres Ra et Sm , représentés sur la figure 5.4. Le Ra désigne l’écart moyen arithmétique du profil dans les limites de la longueur de la base et est obtenu à partir de la relation suivante :

Le paramètre Sm quant à lui détermine le pas moyen des irrégularités du profil sur la longueur de la base. Le pas des irrégularités représente donc la longueur de la ligne de référence contenant une saillie et un creux consécutifs. Le Sm est obtenu à partir de la relation qui suit :

Puisque les paramètres Ra et Sm ont été évalués selon les axes x et y , respectivement la longueur et la largeur des surfaces, alors la moyenne des valeurs sur ces deux axes a été considérée. Un autre paramètre a également été utilisé, soit le paramètre Iss qui représente l’incrément de surface spécifique. Il est obtenu en divisant la surface spécifique (SS) par la surface géométrique (SG) d’un élément. La figure 5.5 présente un exemple de ce que signifie ces deux types de surface. L’incrément de surface spécifique permet donc d’avoir une idée de l’augmentation de la surface suite à la préparation de surface. Le paramètre Iss est également évalué dans les deux directions de la surface (x et y) et est obtenu ainsi :

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Les supports utilisés afin de réaliser les essais d’adhérence ont été réparés avec un béton ordinaire. La composition des bétons de réparation pour les deux séries d’essais est présentée dans le tableau 5.2.

Des coffrages ont été installés sur le pourtour des supports préparés de sorte que l’épaisseur minimale de la réparation soit 75 mm. L’application du béton de réparation a été précédée d’un nettoyage des surfaces préparées à l’aide d’un jet d’eau. Par la suite, un jute humide, recouvert d’un plastique, a été appliqué pendant 24 heures. Ainsi, lors de la mise en place de la réparation, la surface des supports était dans un état SSS de façon à éviter qu’elle absorbe une trop grande quantité d’eau du matériau de réparation. Dans les cas où il y avait un surplus d’eau, celui-ci a été enlevé à l’aide d’un tissu de coton.

Une aiguille vibrante a été utilisée afin d’assurer une mise en place adéquate des bétons de réparation et éviter la présence de nids d’abeilles. Les surfaces ont été finies à la truelle et recouvertes d’un jute humide et d’une feuille de polyéthylène pendant 24 heures suite à la prise initiale du béton. Après cette période, les coffrages ont été enlevés et une cure humide de 7 jours a été effectuée en maintenant les jutes humides, toujours en les recouvrant d’une feuille de polyéthylène.

Par la suite, les supports réparés ont été placés dans l’entrepôt du laboratoire de béton. Deux séries de réparation ont été réalisées : l’une à l’été 2002 et l’autre à l’automne 2003. Lors de la première série, la consistance du béton de réparation était beaucoup plus élevée que celle désirée. Pourtant, la même formulation que celle des bétons utilisés pour fabriquer les supports avait alors été utilisée. L’augmentation de la consistance du béton a probablement été produite par une quantité de fines plus importantes dans les granulats. La formulation du mélange a donc été modifiée pour obtenir la consistance désirée lors de la seconde série d’essais (voir Annexe A). De plus, pour la seconde série, la surface opposée à celle utilisée lors de la première série a été employée.

Cette section présente les paramètres de rugosité évalués sur les différentes surfaces préparées ainsi que les résultats des essais d’adhérence réalisés sur les mêmes surfaces réparées. Le tableau 5.4 indique les principales caractéristiques mécaniques des bétons utilisés pour les réparations (BO-9, BO-10 et BO-15) et de l’adhésif époxy.

La caractérisation de la rugosité des surfaces préparées a été réalisée à l’aide de paramètres d’état de surface définis à la section 5.2.1.3. Il s’agit des paramètres Ra , Sm et Iss . Les valeurs obtenues avec le champ court, pour les différentes surfaces préparées des deux séries d’essais, sont présentées dans le tableau 5.5. Les différences entre les valeurs des paramètres d’état de surface des deux séries d’essais sont attribuables à la résolution de l’appareil de numérisation (voir section 5.2.1.1). En effet, la surface représentative, soit la plus petite surface identifiable, est de 2,0 mm2 pour l’appareil utilisé lors de la série 1 comparativement à 0,5 mm2 pour l’appareil de la série 2. Le pas entre chaque point caractérisant la surface lors de la seconde série d’essais est donc beaucoup plus faible, augmentant ainsi la précision. Lors de l’analyse des résultats, cet écart entre la précision des mesures des deux séries d’essais devra être pris en compte.

Les résultats des essais d’adhérence réalisés pour les deux séries d’essais ont permis de constater 5 types de rupture qui se regroupent sous deux catégories : les ruptures cohésives (voir figure 5.7) et les ruptures adhésives (voir figure 5.8).

Des ruptures cohésives ont été observées seulement pour les surfaces NAT et HYD lors de la première série d’essais. Pour la surface NAT, deux ruptures sont survenues dans la réparation et une autre dans le substrat, alors que deux ruptures dans le substrat ont été observées pour la surface HYD.

Pour certains essais où l’adhérence obtenue était faible, des défauts importants ont parfois été identifiés. Par exemple, des vides de compactage ont été observés à l’interface à une reprise pour les surfaces NAT et HYD lors des essais de la série 1. De plus, une fissure perpendiculaire à l’interface et traversant toute la réparation a été constatée dans le cas d’un essai avec la surface MP21S. La fissure a probablement été induite par la propagation d’une fissure présente à la surface du substrat à la suite des travaux de préparation au marteau pneumatique.

Au cours de la série 2, des résidus blanchâtres ont été détectés à l’interface pour un essai sur la surface MP7 et à deux reprises pour la surface MP14. Ces résidus indiquent peut-être la présence d’une plus forte concentration de portlandite et/ou d’ettringite à l’interface. Puisque ces particules sont des produits de l’hydratation du ciment, il est possible que de l’eau soit demeurée emprisonnée dans les creux de la surface dans certains cas malgré l’enlèvement du surplus d’eau avec les tissus de coton. Toutefois, aucune vérification n’a été effectuée à cet égard. Les tableaux 5.6 et 5.7 présentent les résultats des essais d’adhérence selon le type de rupture obtenu.

Les essais caractérisés par une rupture cohésive dans la réparation ne sont pas pris en compte pour l’évaluation de l’adhérence moyenne. En effet, ce type de rupture correspond à une évaluation de la résistance du béton de réparation plutôt qu’à celle de l’adhérence de la réparation. Quoi qu’il en soit, lorsque la rupture survient dans le matériau de réparation ou dans le substrat, on obtient au moins une borne inférieure de la valeur de la résistance de l’interface.

Les résultats présentés dans la section précédente ont été analysés afin d’évaluer à quel point l’endommagement et la rugosité de surface du substrat influencent la qualité de l’adhérence de la réparation. Par le fait même, l’existence d’une relation entre la rugosité d’une surface préparée et l’adhérence de la réparation a été vérifiée.

Les résultats des essais d’adhérence pour les deux séries d’essais sont résumés graphiquement à la figure 5.9. Dans un premier temps, les résultats montrent que la surface MP14 est la seule qui ne respecte pas les recommandations de la procédure CAN/CSA A23.2-6B [2001], soit une adhérence minimale de 0,9 MPa.

Dans un second temps, une diminution significative de l’adhérence est observable pour les surfaces préparées avec les marteaux pneumatiques (MP) lors des deux séries d’essais. Cette réduction de l’adhérence est fortement attribuable à l’endommagement du substrat, comme il est possible de le constater à la figure 5.10. En effet, elle est proportionnelle à l’augmentation du poids du marteau pneumatique. Cette observation concorde d’ailleurs très bien avec les ruptures observées pour les surfaces MP, qui sont principalement des ruptures adhésives mixtes 1, rupture caractéristique des substrats endommagés.

Dans le cas des surfaces NAT, SAB, SCA et HYD, les observations au microscope binoculaire, réalisées pour les surfaces préparées de la série 1, ont démontré un faible endommagement de la surface (voir section 3.3.1). Afin d’analyser davantage les résultats des essais d’adhérence pour les surfaces NAT, SAB, SCA et HYD, l’effet de la rugosité de surface sur l’adhérence des réparations a été étudié.

À partir des paramètres de rugosité Ra et Sm présentés dans le tableau 5.5, une représentation 2D des profils moyens des surfaces préparées a été réalisée. De plus, l’ouverture moyenne du profil a été quantifiée à partir du paramètre αrugo, qui représente l’angle calculé selon l’équation suivante :

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Une faible ouverture du profil sera caractérisée par un αrugo élevé. La figure 5.11 permet de visualiser les différences de rugosité, le profil moyen et l’angle d’ouverture du profil propres à chacune des surfaces préparées de la série 2. Les points sur la figure indiquent la rugosité de chacun des profils en fonction des paramètres Ra et Iss.

La figure 5.11 permet de constater que les profils obtenus avec les marteaux pneumatiques sont pratiquement identiques malgré la différence de poids entre les deux appareils. De plus, les surfaces sablées et scarifiées présentent des profils semblables et beaucoup moins rugueux que ceux des marteaux pneumatiques ou de l’hydrodémolition. Pour sa part, la surface hydrodémolie se distingue des surfaces MP7 et MP14 surtout par un Sm/4 plus petit, entraînant une ouverture moyenne du profil plus faible.

Les figures 5.12 et 5.13 présentent graphiquement les résultats d’adhérence en fonction de la rugosité de surface exprimée à partir des paramètres Ra et Sm/4 pour les deux séries d’essais. Globalement, les deux séries d’essais semblent indiquer que la rugosité de surface, caractérisée à l’échelle étudiée, n’est pas un facteur véritablement significatif. En effet, pour les essais de la série 1, des adhérences similaires ont été obtenues pour les quatre préparations de surface, alors que la surface HYD présentait une rugosité plus élevée que les surfaces NAT, SAB et SCA. Pour les essais de la série 2, malgré le fait que la surface HYD a procuré une adhérence plus faible que les surfaces SAB et SCA, ces deux surfaces ont présenté des adhérences différentes alors que leur rugosité était pratiquement la même.

À première vue, il semble surprenant de constater qu’une rugosité plus élevée ne permet pas une meilleure adhérence. En effet, la surface de contact étant augmentée, davantage de liens peuvent être formés, favorisant l’augmentation de l’adhérence. Toutefois, comme le montre la figure 5.11, l’augmentation de la rugosité s’accompagne généralement d’une plus faible ouverture du profil, puisque l’angle αrugo s’accroît. Il est donc plus difficile de remplir les creux, favorisant la présence de défauts de remplissage. Les résultats de Courard [1999] indiquent également que l’augmentation de la rugosité favorise l’emprisonnement de bulles d’air dans les creux. La surface de contact resterait donc sensiblement la même peu importe la rugosité de surface puisque la taille et le nombre de défauts de remplissage sont proportionnels à l’angle αrugo, limitant ainsi l’adhérence des réparations. À preuve, parmi les cinq essais d’adhérence réalisés sur la surface HYD de la série 1, la plus faible adhérence a été obtenue pour un essai où des vides ont été observés en périphérie de l’interface.

Dans le domaine des colles polymères, des défauts de remplissage ont également été observés avec l’augmentation de la rugosité, entraînant une diminution de l’adhérence [Couvrat, 1992]. Comme le mentionne Couvrat [1992], la rugosité est un facteur favorable tant que la mouillabilité des creux est assurée, soit lorsqu’un contact intime entre les deux surfaces à assembler est formé.

La rugosité de surface n’étant vraisemblablement pas responsable de la diminution de l’adhérence pour les surfaces SCA et HYD, comparativement à la surface SAB lors de la série 2, il est donc possible que d’autres facteurs, ou un seul, aient influencé l’adhérence des réparations. Dans un premier temps, de l’eau est peut-être demeurée emprisonnée dans les creux des surfaces préparées autres que la surface SAB, celle-ci présentant la plus faible rugosité. Si tel était le cas, le rapport E/C était alors plus élevé à l’interface, entraînant une diminution de la résistance du béton et, par le fait même, une réduction de l’adhérence de la réparation. Toutefois, aucune information n’est disponible afin de confirmer cette hypothèse et il ne s’avère pas évident de relier aussi simplement porosité et adhérence.

Dans un second temps, après avoir consulté les notes prises lors des essais d’adhérence de la série 2 (voir Annexe E), il est possible d’observer que les carottages ont rarement été effectués jusqu’à une profondeur minimale de 30 mm dans le substrat pour les surfaces HYD, MP7 et MP14. Il en a été ainsi puisque, comparativement aux surfaces SAB et SCA, la rugosité des surfaces HYD, MP7 et MP14 est élevée et il était impossible de savoir exactement à quelle profondeur le carottage devait être réalisé afin d’atteindre une profondeur de 30 mm dans le substrat. Or, comme il a été mentionné à la section 2.5, une plus faible profondeur de carottage se traduit par des concentrations de contraintes plus importantes à l’interface, diminuant ainsi la résistance évaluée. La réduction de l’adhérence observée pour la surface HYD peut donc avoir été engendrée par une profondeur de carottage inadéquate.

En considérant l’hypothèse d’un surplus d’eau à l’interface et les profondeurs de carottage inférieures à celles désirées pour certaines surfaces, dont la surface HYD de la série 2, il apparaît que les résultats de la série 1 indiquent davantage l’effet réel de la rugosité de surface. La conclusion générale des essais d’adhérence est donc qu’il n’existe pas de corrélation claire entre la rugosité de surface et l’adhérence de la réparation. En effet, de bonnes adhérences sont obtenues autant sur des surfaces caractérisées par une faible rugosité (SAB et SCA) que sur des surfaces très rugueuses (HYD). Globalement, les résultats tendent à démontrer que le niveau d’endommagement du substrat est le paramètre principal à prendre en compte afin d’obtenir une bonne adhérence.

En somme, les résultats expérimentaux tendent à montrer que le facteur qui affecte de manière significative l’adhérence des réparations est l’endommagement du substrat. À preuve, la surface MP21S a démontré l’endommagement le plus élevé et l’adhérence obtenue n’a excédé que de 0,05 MPa l’adhérence minimale recommandée dans la méthode d’essai CAN/CSA 23.2-6B [2001], soit 0,9 MPa. Puisque les essais expérimentaux du Chapitre 3 ont démontré que la cohésion du substrat est également influencée de manière significative par son niveau d’endommagement, la cohésion du substrat est donc un facteur primordial à considérer pour l’obtention d’une bonne adhérence de la réparation. Cela suggère un critère d’acceptation suivant lequel la cohésion des surfaces préparées devrait représenter une fraction minimale (ex. 80 %) de la cohésion de la surface intacte (mesurée dans les zones exemptes de détérioration).

Par ailleurs, à l’échelle étudiée, les résultats expérimentaux indiquent que l’augmentation de la rugosité n’influence pas de manière significative l’adhérence de la réparation. En effet, des adhérences semblables sont obtenues sur des surfaces peu rugueuses (SAB et SCA) et très rugueuses (HYD). Il n’existe donc pas de corrélation directe entre la rugosité des surfaces préparées et l’adhérence des réparations, du moins pour les paramètres Ra et Sm/4 .

Les résultats expérimentaux montrent également que l’hydrodémolition est la préparation de surface qui semble être la mieux adaptée. En effet, elle permet d’enlever rapidement le béton endommagé, procurant ainsi une surface permettant une bonne adhérence de la réparation. La surface préparée au jet de sable a procuré une bonne adhérence de la réparation, mais cette préparation présente le désavantage de générer une grande quantité de poussière. La surface préparée par scarification a également permis une bonne adhérence. Toutefois, la surface obtenue lors des présents travaux n’est pas tellement représentative de ce qui est effectué sur chantier, puisque les appareils utilisés pour réaliser ce type de préparation entraînent une texture plus importante, avec des rainures plus profondes dans le béton que la machine employée dans le présent projet. Les résultats de cette étude se limitent donc à la surface étudiée et ne permettent pas de mentionner que la scarification est une méthode à préconiser peu importe l’appareil adopté.

© Normand Bélair Jr, 2005