Influence of Recycled Waste Pet Fiber Geometry on the Destructive, Non-destructive, and Post-failure Characteristics of Structural Concrete

Le béton est le matériau le plus omniprésent du monde bâti, formant le squelette de nos villes et les fondations de nos maisons. C'est un composite de pierres concassées et de sable maintenus ensemble par une pâte de ciment et d'eau. Bien que ce mélange excelle à résister aux forces de compression, il possède une faiblesse notoire : il est fragile. Tel une brindille sèche, le béton ordinaire résiste bien à la compression mais se brise soudainement lorsqu'il est étiré ou plié, n'offrant que peu d'avertissement avant de céder. Pour remédier à cela, les ingénieurs ont depuis longtemps eu recours au béton renforcé de fibres, une variante qui incorpore de minuscules brins discrets dans le mélange. Ces fibres agissent comme des filets de sécurité internes, pontant les fissures à mesure qu'elles se forment et maintenant le matériau ensemble même après qu'il a commencé à se rompre, transformant une rupture fragile en une défaillance plus graduelle et gérable.

Pendant des décennies, la recherche de ces brins de renforcement s'est concentrée sur l'acier ou les polymères synthétiques, mais un corpus croissant de recherches pose une question différente : pouvons-nous transformer les déchets plastiques du monde en un atout structurel ? Le polyéthylène téréphtalate, ou PET, est le plastique transparent utilisé pour d'innombrables bouteilles de boissons. Bien que des programmes de recyclage existent, une grande partie de ce matériau finit encore dans les décharges. Le défi réside dans la forme du plastique ; les bandes de plastique standard découpées dans des bouteilles sont lisses et droites. Dans l'environnement rugueux et rocheux du béton, ces fibres lisses ont tendance à glisser plutôt qu'à accrocher, échouant ainsi à fournir le renforcement nécessaire. Cette étude, menée par des chercheurs de la Lovely Professional University en Inde et de l'Université de science et de technologie Hajee Mohammad Danesh au Bangladesh, explore si le remodelage de ces fibres de déchets en une forme de zigzag corruguée peut résoudre le problème d'adhérence, et comment cette modification affecte la résistance et les tests du béton final.

Les chercheurs ont commencé par collecter des bouteilles d'eau et de soda usagées, en retirant les cols et les fonds, puis en découpant les corps cylindriques en bandes uniformes. Ils ont créé deux types distincts de fibres à partir de ces déchets : l'un restait droit et lisse, tandis que l'autre passait par un dispositif mécanique pour y presser un motif de zigzag continu. Les deux ensembles ont été coupés à une longueur de 40 millimètres. Ces fibres ont ensuite été mélangées à un béton standard de classe M20, un mélange structurel courant, à un taux où les fibres remplacent un pour cent du volume des granulats grossiers. L'équipe a coulé des dizaines d'échantillons cylindriques et les a durcis pendant 28 jours dans un environnement à l'air libre, les exposant à la lumière naturelle du soleil, à la pluie et aux fluctuations de température pour imiter les conditions de construction réelles plutôt que le climat contrôlé d'un laboratoire.

Lorsque le béton frais a été testé pour sa maniabilité, l'ajout des fibres plastiques a immédiatement montré un coût physique. Les fibres lisses et droites ont réduit l'écoulement du mélange d'environ dix pour cent, mais les fibres en zigzag ont provoqué une chute beaucoup plus marquée, réduisant l'écoulement de près de trente-trois pour cent. La forme corruguée des fibres en zigzag a créé un enchevêtrement physique, faisant que les brins de plastique s'accrochent les uns aux autres et au sable et aux pierres environnants, rendant le mélange plus rigide et plus difficile à couler. Malgré cette perte de facilité de manipulation, le béton durci s'est révélé étonnamment résilient. Lorsqu'ils ont été écrasés dans une machine d'essai, l'échantillon témoin de béton pur a atteint une résistance de 20,20 mégapascals. Le mélange avec les fibres droites a tenu à 18,90 mégapascals, une légère diminution, tandis que le mélange en zigzag a atteint 17,65 mégapascals. Bien que la résistance ait légèrement baissé, les chercheurs ont confirmé que l'utilisation de cette petite quantité de plastique recyclé ne compromettait pas la capacité de charge structurelle du béton.

Une découverte plus surprenante est apparue lorsque l'équipe a testé le béton à l'aide d'une méthode non destructive connue sous le nom de marteau de rebond Schmidt. Cet appareil fonctionne en projetant une petite masse montée sur ressort contre la surface du béton et en mesurant la distance de rebond ; un rebond plus élevé indique généralement une surface plus dure et plus forte. Dans le béton standard, cette méthode fournit une estimation raisonnablement précise de la résistance. Cependant, dans les échantillons renforcés de fibres, le marteau a systématiquement sous-estimé la véritable résistance. Les fibres plastiques lisses près de la surface ont agi comme un amortisseur, atténuant l'impact du marteau et provoquant un rebond plus faible qu'il ne devrait l'être. Pour le mélange en zigzag, le marteau suggérait que le béton n'était qu'environ la moitié aussi résistant qu'il ne l'était réellement. Pour corriger cela, les chercheurs ont développé des facteurs d'ajustement spécifiques, créant essentiellement un nouveau manuel de règles pour interpréter les lectures du marteau en présence de fibres plastiques, garantissant que les inspecteurs ne rejettent pas par erreur une structure saine.

La différence la plus spectaculaire est apparue lorsque les cylindres ont finalement été écrasés jusqu'à la rupture. Le béton pur s'est brisé instantanément, se fragmentant en un tas de débris avec une fracture de cisaillement soudaine et violente. Le mélange avec les fibres droites a montré une légère amélioration, se fissurant le long de la longueur du cylindre, mais les fibres lisses ont fini par se retirer de la pâte de ciment, laissant la coque extérieure s'effriter. Le mélange de fibres en zigzag, cependant, s'est comporté différemment. À mesure que le cylindre se fissurait, les brins de plastique corrugués se verrouillaient fermement dans le ciment environnant, de la même manière que les nervures d'une barre d'armature en acier. Cet emboîtement mécanique empêchait les fibres de glisser, permettant au béton de tenir ensemble même après le passage de la charge maximale. L'échantillon ne s'est pas désintégré ; au contraire, il a conservé sa forme cylindrique tout en développant un réseau de fines fissures, démontrant un mode de rupture ductile, ou flexible, qui offre beaucoup plus de sécurité lors d'un effondrement réel.

L'étude conclut que si la transformation des bouteilles en plastique usagées en renfort de béton nécessite une manipulation prudente pour gérer la rigidité du mélange, les résultats sont prometteurs. La géométrie en zigzag est la clé, transformant une bande de plastique glissante en une ancre robuste qui améliore considérablement la capacité du béton à résister aux fissures et à tenir ensemble après un dommage. En établissant de nouvelles méthodes de calibration pour les essais non destructifs, les chercheurs ont également fourni un outil pratique pour que les ingénieurs évaluent avec précision ces nouveaux matériaux sur le terrain. Ce travail suggère qu'avec la bonne forme, les bouteilles en plastique jetées peuvent être plus que de simples déchets ; elles peuvent devenir un composant essentiel pour rendre nos infrastructures plus robustes et plus résilientes.