Des scientifiques du laboratoire 3SR (Sols, solides, structures, risques) ont étudié le papier afin de mieux comprendre et modéliser les risques de rupture de matériaux quasi-fragiles, comme le béton. Leurs travaux pourraient permettre de faire le lien entre l’évolution des forces exercées sur ce type de matériaux et la nature de leurs dommages.
Les bétons, les composites, mais aussi certaines roches ont tous le point commun de contenir de nombreuses hétérogénéités. Leur comportement est qualifié de quasi-fragile, car leur rupture, sous l’action d’une contrainte, résulte d’une microfissuration progressive, dans une zone d’endommagement située autour d’une fissure principale, et qui peut conduire à la rupture complète du matériau. Ces matériaux ont la particularité d’être opaques et massifs, ce qui limite les observations directes du phénomène. Des chercheurs du laboratoire 3SR (Sols, solides, structures, risques) ont utilisé le papier comme modèle de matériaux quasi-fragiles afin de comprendre et modéliser leurs risques de rupture. Leurs travaux ont été publiés dans la revue Journal international des fractures.
«Nous avons utilisé le papier pour étudier les risques de rupture d’autres matériaux tels que le béton, car ce matériau se fissure plus facilement en laboratoire et présente l’avantage de révéler sa microstructure à la lumière visible, déclare François Villette, actuellement chercheur postdoctoral au Laboratoire Georges Friedel. Si l’on regarde une feuille de papier sous la lumière, on constate des variations d’intensité lumineuse qui correspondent aux agrégats de fibres générés lors du processus de fabrication du papier. Ces granulats fibreux peuvent être comparés aux granulats présents dans le béton sous forme de graviers. »
L’étude du papier a consisté à réaliser des essais de traction sur des bandes rectangulaires, en étirant chacune de leurs extrémités et en observant ce qui se passait. Ce matériau étant quasi-fragile, son endommagement est progressif et s’étend d’une extrémité à l’autre de l’échantillon. Des enregistrements ont permis de tracer des courbes représentant l’évolution de la force exercée par traction jusqu’à rupture complète de l’échantillon.
Cette force de traction augmente progressivement jusqu’à un maximum, puis diminue lorsque le papier est endommagé et perd sa rigidité. Lors de ce déclin, du fait de l’hétérogénéité du matériau, des fluctuations des efforts de traction sont observées. Les scientifiques ont ensuite analysé leur répartition statistique en amplitude afin d’y trouver la signature d’hétérogénéités. Ils ont réussi à faire un lien entre la baisse des effectifs et la nature des dégâts.
Mise en évidence de deux régimes de répartition des chutes de force
« L’étude statistique des chutes de force classées par amplitudes a permis d’observer un premier régime de répartition, toujours présent quel que soit l’endommagement, et qui se caractérise sur un graphique par une droite correspondant à une loi de puissance, révèle François Villette. Avec un simple capteur de force, on retrouve un résultat déjà connu dans la littérature utilisant d’autres dispositifs, à émission acoustique par exemple, et qui s’applique à tous les phénomènes critiques, comme les tremblements de terre. Nos travaux ont également permis de mettre en évidence un deuxième régime qui se caractérise par une déviation des plus grandes chutes de force par rapport au contour de cette ligne et qui s’observe sur des échantillons ayant rencontré une propagation de fissure. Plus ce deuxième régime est important, plus on observe une nette propagation de la fissure. »
Cette découverte est à comparer avec une précédente étude réalisée par la même équipe du laboratoire 3SR et qui a fait l’objet d’une publication dans la revue Acta Mécanique. Le dispositif expérimental était le même avec des bandes de papier rectangulaires soumises à des forces de traction à leurs extrémités. Sauf qu’au lieu d’étudier la répartition statistique des chutes de force, les scientifiques ont observé, à l’aide d’une caméra, là zone d’endommagement qui a la particularité de s’assombrir lorsque les liaisons entre les fibres du papier se rompent.
“On observe un changement de forme, avec dans un premier temps une zone d’endommagement petit et circulaire qui, en grandissant, finit par s’allonger dans le sens de propagation des fissures, ajoute François Villette. Plus la zone endommagée est grande, plus la chute de force mesurée est importante. Même si les chutes de force ne sont pas directement celles que nous avons observées dans l’étude de leur distribution statistique, nous avons quand même de bonnes raisons de penser que la forme de la zone endommagée et les régimes dans la distribution statistique sont liés. La prochaine étape de ce travail de recherche consisterait à faire le lien entre distribution statistique les chutes de force et la zone d’endommagement pour améliorer la modélisation des risques de rupture des matériaux quasi-fragiles. »
