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Theses Year : 2004

Durability of edhesively bonded structures: development of a predictive mechanical modelling taking into account physico-chemical characteristics of the adhesive

Durabilité des assemblages collés: modélisation mécanique et physico-chimique

Marie-Anne Bruneaux
  • Function : Author

Abstract

This thesis aims at developing a predictive mechanical modelling taking into account the physico-chemical properties of the adhesives, in accordance with the questioning of the project managers concerning a spreading assembling method: structural bonding. Experiments on epoxydes used in Civil Engineering brought to the fore behavioural differences between bulk adhesives and adhesive joints. Physical and hygrothermal ageing effects were analysed to evidence evolution laws for the properties of adhesives. At the same time, a mechanical modelling based on the first gradient of damage theory was developed to describe both the interface state in adhesively bonded joints and the physico-chemical and viscoelastic behaviours of the adhesive. Further studies will rely on this modelling to find out the evolution laws for the theoretical parameters depending on the ageing phenomena evidenced in the adhesive joints.
La technique de collage est déjà largement utilisée en Génie Civil dans le cadre de la réparation d'ouvrages, et la voie semble ouverte pour le développement de nouvelles applications en collage structural (connexions de ponts mixte acier/béton, assemblages de structures en béton fibré, etc.). Il existe donc une demande croissante de la part des maîtres d'œuvre pour disposer d'un outil de modélisation permettant de prévoir la durabilité de ce type d'assemblages collés. L'objectif de ce travail de thèse est justement de développer un modèle mécanique prédictif capable d'intégrer les propriétés physico-chimiques de l'adhésif et leurs évolutions dans le temps. La première partie de ce mémoire rassemble les données bibliographiques concernant les mécanismes de vieillissement des adhésifs époxydes utilisés en génie civil ainsi que les modèles phénoménologiques qui décrivent ces phénomènes en terme de cinétique. Il est également ressorti de cette étude, que les modèles mécaniques de zone cohésive sont particulièrement adaptés pour simuler le processus complexe de fissuration des interfaces dans les assemblages collés. Certains de ces modèles font intervenir des paramètres autres que mécaniques dans les équations d'évolution de l'endommagement surfacique et permettent prendre en compte de manière élégante les lois d'évolutions physico-chimiques des adhésifs. La seconde partie est consacrée à l'étude expérimentale des phénomènes de vieillissement des adhésifs massiques et des joints adhésifs dans les assemblages collés. Les effets du vieillissement physique et du vieillissement en milieu humide ont été analysés, mettant en évidence des différences de comportement entre les adhésifs massiques et les joints de colle, qui peuvent être attribuées à des effets d'interface et à des répartitions de contraintes spécifiques dans le polymère confiné au sein des joints. Les modèles phénoménologiques issus de la littérature ont ensuite permis de dégager des lois de comportement visant à prédire l'évolution des propriétés de ces adhésifs au cours du temps. La dernière partie du travail a permis de développer un outil de modélisation mécanique basé sur la théorie du premier gradient de l'endommagement, qui permet de décrire l'état de l'interface dans les assemblages collés à travers une variable d'endommagement. L'originalité de ce modèle réside dans le fait que les équations d'évolution de l'interface font intervenir des coefficients caractéristiques du comportement physico-chimique de l'adhésif. Dans un premier temps, le modèle a été confronté à l'expérience dans une configuration simplifiée de traction homogène. Les expérimentations ont mis en évidence des phénomènes de raidissement du joint en début d'essai puis de fluage aux temps longs, qui n'étaient pas prévus par le modèle initial. Les équations d'évolution ont donc été modifiées pour tenir compte de la nature viscoélastique du polymère, ce qui a permis de valider le modèle dans les conditions de chargement et de déchargement des assemblages collés. Nous avons ainsi pu identifier quatre des cinq coefficients du modèle relatifs au comportement de l'adhésif. Dans un second temps, une configuration expérimentale non homogène a été proposée afin de valider le modèle pour un problème avec gradient d'endommagement, et identifier le dernier coefficient théorique. Des études ultérieures pourront se baser sur ce modèle optimisé pour dégager les lois d'évolution des coefficients théoriques en fonction des phénomènes de vieillissement mis en évidence sur les joints adhésifs.
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Dates and versions

pastel-00000821 , version 1 (08-09-2004)

Identifiers

  • HAL Id : pastel-00000821 , version 1

Cite

Marie-Anne Bruneaux. Durability of edhesively bonded structures: development of a predictive mechanical modelling taking into account physico-chemical characteristics of the adhesive. Engineering Sciences [physics]. Ecole des Ponts ParisTech, 2004. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨pastel-00000821⟩

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