Influence de la teneur en billes de verre sur le coefficient de dilatation thermique des résines époxy

Introduction

Les résines époxy sont largement utilisées dans le domaine de la consolidation et de la réparation des bâtiments en raison de leur excellente adhérence, de leurs propriétés mécaniques et de leur résistance à la corrosion chimique. La résine époxy est notamment utilisée pour le colmatage des fissures et la réparation des surfaces lors de la restauration des ouvrages en béton, ce qui permet de rétablir efficacement leur intégrité et leur durabilité. Cependant, la résine époxy pure subit une certaine variation de longueur pendant le processus de Durcissement (réactions de réticulation)Le terme "crosslinking" signifie littéralement "mise en réseau". Dans le contexte chimique, il est utilisé pour les réactions dans lesquelles les molécules sont liées entre elles par l'introduction de liaisons covalentes et la formation de réseaux tridimensionnels.durcissement et dans des environnements chauffés. Si son coefficient de dilatation thermique diffère considérablement de celui du support en béton, des contraintes internes risquent de se former à l'interface lors des variations de température, ce qui entraînera un décollement ou l'apparition de fissures secondaires, et affectera en fin de compte l'efficacité de la réparation et la stabilité à long terme [1].

Pour améliorer la stabilité dimensionnelle des résines époxy, on introduit souvent des charges inorganiques dans la matrice de résine afin de réduire leur coefficient de dilatation thermique. En tant que charge inorganique creuse, légère et de taille micrométrique, les billes de verre présentent un faible coefficient de dilatation thermique, une résistance spécifique élevée et une bonne fluidité [2]. Elles permettent non seulement de réduire le coefficient de dilatation thermique du matériau composite, mais aussi, dans une certaine mesure, le poids propre du matériau de réparation, ce qui les rend à la fois pratiques et économiques.

Les échantillons utilisés dans cette expérience étaient des résines époxy destinées à la réparation des fissures dans les bâtiments, avec de l’amide phénolique comme agent de Durcissement (réactions de réticulation)Le terme "crosslinking" signifie littéralement "mise en réseau". Dans le contexte chimique, il est utilisé pour les réactions dans lesquelles les molécules sont liées entre elles par l'introduction de liaisons covalentes et la formation de réseaux tridimensionnels.durcissement, complétées par du cardanol (C) et de la diéthylènetriamine (D) pour former un système composite d’accélérateurs de Durcissement (réactions de réticulation)Le terme "crosslinking" signifie littéralement "mise en réseau". Dans le contexte chimique, il est utilisé pour les réactions dans lesquelles les molécules sont liées entre elles par l'introduction de liaisons covalentes et la formation de réseaux tridimensionnels.durcissement (figure 1). En ajoutant des billes de verre (GB) à différentes fractions massiques (0 %, 0,5 %, 1 %, 1,5 %, 2 %) à la résine (le taux d’addition étant calculé en pourcentage de la masse de la résine époxy), l’influence de leur teneur sur le coefficient moyen de dilatation thermique de la résine époxy a été étudiée. L’instrument utilisé pour cette expérience était un analyseur thermomécanique NETZSCH TMA 402 F1 (équipé d’un four en acier inoxydable).

Conditions expérimentales

Les conditions de mesure sont détaillées dans le tableau 1.

Tableau 1 : Conditions expérimentales

Résultats des mesures et discussion

La figure 2 présente les courbes dL/L0 obtenues lors du deuxième essai sur des échantillons de résine époxy durcie présentant différentes teneurs en GB. Le tableau 2 récapitule la température de transition vitreuse (_Tg) et le coefficient moyen de dilatation thermique (mCTE) de chaque échantillon dans différentes plages de température.

Comme le montre le tableau 2, la_Tg de la résine époxy diminue légèrement à mesure que la teneur en GB augmente. L'échantillon témoin (n° 1) présente une_Tg de 60,8 °C ; à 2,0 % de GB, la_Tg atteint 57,9 °C, soit une baisse de 2,9 °C. Cette baisse marginale est attribuée à la perturbation du réseau de réticulation et à l'augmentation du volume libre à l'interface [3], ainsi qu'à la présence de traces d'humidité et d'additifs résiduels qui inhibent légèrement le Durcissement (réactions de réticulation)Le terme "crosslinking" signifie littéralement "mise en réseau". Dans le contexte chimique, il est utilisé pour les réactions dans lesquelles les molécules sont liées entre elles par l'introduction de liaisons covalentes et la formation de réseaux tridimensionnels.durcissement [4].

Tableau 2 :_Tg et mCTE d'échantillons de résine époxy présentant différentes teneurs en GB

À l'état vitreux (de -40 °C à 0 °C), le mCTE diminue de 84,49 × 10⁻⁶ K⁻¹ à 81,29 × 10⁻⁶ K⁻¹ à mesure que la teneur en GB augmente de 0 à 2,0 %, ce qui correspond à une réduction de 3,8 %. Cela indique que les GB rigides limitent la dilatation thermique même lorsque la matrice est en dessous de la_Tg. À l’état caoutchouteux (de 100 °C à 150 °C), l’époxy pur présente un mCTE de 202,65 × 10⁻⁶ K⁻¹ (environ 2,4 fois la valeur à l’état vitreux). L’ajout de 2,0 % de GB réduit cette valeur à 192,42 × 10⁻⁶ K⁻¹ (réduction de 5,1 %), confirmant un effet de restriction plus prononcé à l’état caoutchouteux.

Sur toute la plage de températures étudiée, le mCTE présente une corrélation négative avec la teneur en GB, ce qui est conforme aux résultats de la littérature [5].

Conclusion

Les résultats des essais réalisés à l’aide de l’appareil TMA 402 F1 permettent de caractériser avec précision le comportement thermique des composites. L'ajout de billes de verre réduit considérablement le coefficient de dilatation thermique de la résine époxy, améliore l'adéquation thermique avec les substrats en béton et diminue le risque de décollement et de fissuration induit par les variations de température, fournissant ainsi une base expérimentale pour l'optimisation de la formulation des matériaux de réparation du béton.