Évaluation du GFRP

Une alternative non métallique aux barres d’armature en acier qui renforcent les tabliers de pont en béton a le potentiel d’être plus durable et plus rentable pour maintenir les ponts entretenus dans le climat rigoureux du Minnesota. Les premières études montrent que les performances des tabliers de pont construits en polymère renforcé de fibres de verre (PRFV) sont comparables, sinon meilleures, à celles des tabliers construits de manière conventionnelle.

La corrosion des armatures en acier encastrées dans le béton est la principale cause de dégradation du tablier du pont. Il y a dommages lorsque l’humidité et les chlorures des sels de voirie pénètrent dans les superstructures des ponts et corrodent l’acier. Les cycles de gel et de dégel pendant les hivers rigoureux du Minnesota peuvent amplifier les effets, entraînant la fissuration du béton, ce qui expose davantage l’armature intégrée.

Les barres d’armature en PRFV sont une alternative non métallique aux barres d’armature en acier conventionnelles qui ne s’oxydent pas et ne rouillent pas, ce qui les rend très résistantes à la corrosion. Le PRFV a été utilisé comme renfort de tablier de pont dans certaines régions du Canada, mais n’a eu qu’une utilisation limitée aux États-Unis. Des recherches antérieures sur le premier et (alors) seul pont du Minnesota utilisant ce renforcement alternatif ont révélé que le PRFV résistait beaucoup mieux à la corrosion que les barres d’armature en acier traditionnelles et qu’il n’y avait aucun problème structurel.

« Il s’agissait d’une excellente occasion de comparer directement les tabliers de pont adjacents renforcés avec du PRFV et des armatures revêtues d’époxy. Les contraintes, les déformations et les déflexions de chaque tablier de pont sont très similaires, et les premières performances ont été excellentes », a déclaré Paul Rowekamp, ingénieur de recherche et de normalisation des ponts, MnDOT Bridge Office.

En 2018, MnDOT a construit deux ponts côte à côte, l’un utilisant un renforcement de tablier en PRFV et l’autre en acier revêtu d’époxy conventionnel, sur la route principale 169. Ce projet de construction a présenté une occasion unique de comparer le rendement des deux types d’armatures, car les ponts étaient exposés aux mêmes facteurs de stress environnementaux et connaissaient des conditions de circulation très similaires.

L’objectif de ce projet était de comparer le rendement structurel et la durabilité de deux tabliers de pont en service et d’évaluer le potentiel du PRFV comme solution de rechange à l’armature en acier traditionnelle.

Un effort multidimensionnel qui a commencé au moment de la construction du pont a permis une évaluation approfondie du rendement du PRFV par rapport à l’armature des barres d’armature en acier dans les tabliers des ponts. Tout d’abord, guidés par la conception du pont, les chercheurs ont installé des capteurs à l’intérieur des tabliers avant que le béton ne soit placé. Cela a permis de mesurer l’évolution de la déformation et de la température dans les tabliers du pont au fil du temps.

La surveillance pendant près de quatre ans comprenait la collecte des données de température et de déformation des capteurs, l’évaluation des contraintes associées et la comparaison des performances aux directives de conception. Les mesures ont permis de saisir les réponses générales et extrêmes du pont.

Des instruments supplémentaires fixés aux poutres et aux tabliers du pont ont mesuré les contraintes et les déformations pendant les essais à charge vive immédiatement après la construction, après un an et après deux ans. Les essais de charge vive ont reproduit les effets de la charge de trafic et ont été utilisés pour comprendre comment les charges vives sont réparties des points d’application au tablier du pont et aux poutres individuelles.

Des inspections visuelles des tabliers de pont tous les six mois tout au long du projet ont permis aux enquêteurs d’évaluer l’état des deux superstructures de pont, de documenter les fissures et d’expliquer les causes potentielles en fonction des données recueillies par les capteurs.

En laboratoire, les échantillons de PRFV fournis par MnDOT ont subi une charge de tension jusqu’à la rupture, ce qui a permis aux chercheurs de développer des courbes contrainte-déformation pour confirmer les propriétés mécaniques du matériau. Enfin, les analyses du coût du cycle de vie des deux tabliers du pont, y compris la construction, les matériaux, la main-d’œuvre, l’exploitation et les coûts d’entretien à long terme, ont évalué le potentiel économique des barres d’armature en PRFV par rapport à l’acier traditionnel.

Les comparaisons de rendement à court et à long terme entre les tabliers du pont n’ont révélé aucune différence significative ni aucun comportement inhabituel dans l’un ou l’autre.

Les essais de charge vive ont montré que le rendement des tabliers du pont était comparable et conforme aux spécifications de conception. De même, les données de surveillance à long terme ont révélé que, même si le pont du PRFV a enregistré des valeurs de déformation légèrement plus élevées dans l’ensemble, les deux ponts se sont comportés de la même manière au cours de la période de surveillance.

La première série d’inspections des ponts a révélé des fissures en surface supérieure et en profondeur dans les deux tabliers. Initialement, le pont renforcé d’acier présentait plus de fissurations que le tablier du pont renforcé de PRFV. Les modèles de fissures sont devenus similaires dans les deux ponts au fil du temps, mais les chercheurs ont noté que les fissures dans les tabliers en PRFV sont potentiellement moins préoccupantes, car elles n’entraînent pas de corrosion des armatures encastrées et d’autres fissurations du béton pouvant résulter de la corrosion.

« Nous avons constaté que l’utilisation de polymère renforcé de fibres de verre au lieu de barres d’armature en acier revêtues d’époxy pour renforcer les tabliers de pont entraîne une résistance supérieure à la corrosion, une diminution des besoins d’entretien et une durée de vie plus longue pour les ponts du Minnesota », a déclaré Behrouz Shafei, professeur agrégé au département de génie civil, de construction et environnemental de l’Iowa State University.

Les essais en laboratoire ont indiqué que les barres d’armature en PRFV ont une résistance à la traction élevée, mais qu’elles sont plus fragiles que l’acier, ce qui entraîne une rupture plus soudaine contrairement à l’acier qui cède plus progressivement sous contrainte. Étant donné que les barres d’armature en PRFV simples ne supporteraient pas une capacité dépassée, toute défaillance du PRFV sera probablement plus longue, ce qui avertira d’une défaillance potentielle.

Si l’on compare les coûts du cycle de vie des deux tabliers de pont, le tablier en PRFV ayant une durée de vie utile de 65 ans est moins coûteux que le tablier renforcé d’acier ayant la même durée de vie. L’écart augmente à mesure que la durée de vie cible du pontage en PRFV augmente.

Bien que les barres d’armature en PRFV aient bien fonctionné pendant environ quatre ans dans deux tabliers de pont, il est trop tôt pour que le MnDOT adopte définitivement le nouveau matériau, car les ponts sont généralement conçus avec une durée de vie de 75 ans. Les années à venir fourniront plus d’informations sur le rendement du PRFV, et l’agence continuera d’étudier son utilisation.