Long term properties of high density polyethylene used as cable-stayed bridge applications
Proprietes a long terme des gaines de polyethylene haute densite utilisees pour les ponts a haubans
Résumé
High density polyethylene (HDPE) is commonly used in civil engineering applications due to its low cost, easy processability, barrier properties, good impermeability and chemical resistance. However, in external environment, several factors such as washing by rain water, ultraviolet radiations (UV) and seasonal temperature variations can cause chemical degradation of HDPE and lead to its embrittlement. The objective of this thesis is firstly, to contribute to a better understanding of the mechanisms governing the durability of HDPE, and secondly, to establish a methodology for diagnosing the state of degradation of industrial sheaths aged on site. For this first part, we studied the process of antioxidants loss during thermal aging in air or water, for HDPE films containing controlled amounts of phenolic and phosphite stabilizers. The second part was devoted to a detailed study of thermo- and photo-oxidation mechanisms of pure HDPE films. Using a multi-scale and multi-technique approach it was possible to assess the impact of accelerated aging on the chemical composition, on the macromolecular and crystalline structures and on the used properties of HDPE. In the last part, the same type of approach has been applied to industrial HDPE sheaths aged on site in order to identify the predominant mechanisms involved in natural aging. Results were discussed in light of the thermal and photochemical mechanisms previously identified for model HDPE films.
Le polyéthylène haute densité (PEhd) est communément utilisé en génie civil en raison notamment de son faible coût, de sa facilité de mise en œuvre, de ses propriétés barrières ou encore de sa résistance à l'humidité et aux agents chimiques. Cependant, en environnement extérieur, plusieurs facteurs tels que le lessivage par l'eau de pluie, les rayonnements ultra-violets (UV) et les variations saisonnières de température peuvent entraîner une dégradation chimique du PEhd et conduire à sa fragilisation. L'objectif de cette thèse est d'une part, de contribuer à une meilleure compréhension des mécanismes gouvernant la durabilité des PEhd, et d'autre part, d'établir une méthodologie permettant de diagnostiquer l'état de dégradation des gaines industrielles vieillies sur site. Pour cela, dans une première partie, nous avons étudié le processus de perte des antioxydants au cours de vieillissements thermiques dans l'air ou dans l'eau, pour des films de PEhd modèles contenant des teneurs contrôlées en stabilisants phénoliques ou phosphites. La seconde partie a été consacrée à une étude approfondie des mécanismes de vieillissements thermiques et photo-oxydatifs de films de PEhd purs non stabilisés. A partir d'une approche multi-échelle et multi-technique, il a ainsi été possible d'évaluer l'impact de ces vieillissements accélérés sur la composition chimique, les structures macromoléculaire et cristalline ainsi que les propriétés d'usage du PEhd. Dans une dernière partie, le même type d'approche a été appliqué à des gaines PEhd industrielles vieillies sur ouvrages afin d'identifier les mécanismes prépondérants pouvant intervenir lors du vieillissement naturel, à la lumière des mécanismes thermique et photochimique précédemment étudiés pour les films modèles de PEhd.