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Oct 24, 2023

Un revêtement durable pour éviter les effets de la corrosion sous contrainte sur la résistance de surface du verre recuit

Dates : 17 novembre 2022 Auteurs : Gregorio Mariggiò, Sara Dalle Vacche, Roberta

Date : 17 novembre 2022

Auteurs : Gregorio Mariggiò, Sara Dalle Vacche, Roberta Bongiovanni, Christian Louter et Mauro Corrado

Source : Structures en verre et ingénierie volume 6, (2021) | https://doi.org/10.1007/s40940-021-00161-x

La durabilité d'un revêtement polymère innovant récemment développé par les auteurs pour prévenir la corrosion sous contrainte dans le verre recuit est examinée ici. Le revêtement, aux propriétés fonctionnelles graduées dans l'épaisseur, est optimisé pour offrir une très bonne adhérence avec le verre et un excellent comportement hydrophobe sur la face exposée à l'environnement, créant ainsi une bonne barrière à l'humidité, qui est l'agent déclencheur de la corrosion sous contrainte. Trois scénarios sont analysés en termes de vieillissement : (i) chargement cyclique, réalisé en soumettant des échantillons revêtus à des chargements répétitifs ; (ii) vieillissement naturel, réalisé en exposant les échantillons revêtus aux agents atmosphériques ; (iii) vieillissement artificiel, effectué en exposant les spécimens revêtus à des lampes UV fluorescentes, à la chaleur et à l'eau.

La durabilité du revêtement est évaluée indirectement, sur la base de son efficacité résiduelle à prévenir la corrosion sous contrainte, en comparant la résistance à la flexion, obtenue avec l'essai du double anneau coaxial, d'éprouvettes de verre vieilli à couche avec celle d'éprouvettes non revêtues et fraîchement revêtues. Les résultats obtenus prouvent que la formulation proposée est presque insensible au chargement cyclique, maintient une très bonne performance en cas d'altération naturelle, alors qu'elle est légèrement plus sensible à l'altération artificielle.

La corrosion sous contrainte, également connue sous le nom de fatigue statique, est un phénomène bien connu qui affecte le verre recuit. Elle consiste en une diminution de la résistance du matériau provoquée par l'action combinée de la contrainte appliquée et de l'humidité sur le réseau de silice qui compose le verre. La découverte de la fatigue statique du verre remonte à la fin du XIXe siècle, lorsque Grenet observe que la résistance du verre dépend de la vitesse de chargement ou de la durée de chargement (Grenet 1899).

Depuis lors, et surtout dans la seconde moitié du XXe siècle, plusieurs travaux ont contribué à mesurer les effets de l'eau et de la vapeur d'eau sur la propagation sous-critique des microfissures (Wiederhorn 1967 ; Wiederhorn et Bolz 1967), et à développer des modèles chimiques et physiques pour décrire le phénomène de corrosion sous contrainte (Charles et Hillig 1962 ; Michalske et Freiman 1983). La théorie la plus acceptée pour rendre compte de cette phénoménologie implique la réaction chimique des molécules d'eau avec le réseau de silice, se produisant à la pointe des défauts de surface, bien que d'autres interprétations aient également été fournies (Gy 2003).

Les solutions à un tel problème proposées dans la littérature comprennent, entre autres : les revêtements polymères et métalliques pour les tiges de verre et les guides de lumière en silice (Bouten 1987 ; Kurkjian et al. 1993 ; Chen et al. 1995), la graisse de silicone pour le renforcement des bords des plaques de verre (Lindqvist et al. 2012) et les revêtements en graphène (Wang et al. 2016). Récemment, les auteurs ont développé un revêtement polymère fonctionnel préparé avec une résine durcissable aux UV, un comonomère de méthacrylate fluoré et un apprêt silane co-réactif optimisé pour fournir une bonne barrière à la vapeur d'eau, des propriétés d'hydrophobicité, de transparence et d'adhérence (Dalle Vacche et al. 2019b ; Mariggiò et al. 2020). Parmi les nombreux monomères et oligomères fluorés photodurcissables disponibles (Vitale et al. 2015), le produit utilisé dans ce travail est caractérisé par une chaîne perfluoropolyéther qui est une brique omniphobe, mais à la différence des produits perfluoroalkyliques dont certains sont actuellement interdits, il est non toxique et non bioaccumulable ACToR (ACToR 2015q3 2021).

Selon une précédente étude réalisée par les auteurs, l'application du revêtement entraîne une augmentation de la résistance à la flexion correspondant à une probabilité de rupture de 0,8 % égale à 92 % pour le verre neuf et 62 % pour le verre vieilli. Outre les très bonnes performances contre la corrosion sous contrainte, le revêtement développé présente certains avantages par rapport aux autres techniques et revêtements de renforcement : il est sans solvant, il a un temps de durcissement très rapide, il consomme peu d'énergie et il peut être facilement inclus dans les systèmes de production continue de verre plat ainsi qu'il est disponible pour des applications in situ. Par conséquent, il pourrait trouver des applications dans la production de nouveaux éléments structuraux qui seront soumis à des charges à long terme significativement élevées et dans le renforcement d'éléments existants.

Alors que l'efficacité du revêtement à prévenir la corrosion sous contrainte quelques jours après son application sur le substrat de verre a été prouvée dans un travail antérieur (Marriggiò et al. 2020), l'analyse de sa durabilité est l'objectif principal de la présente contribution. Dans ce contexte, trois scénarios ont été analysés pour considérer la plupart des sources possibles de vieillissement auxquelles un élément structurel en verre pourrait être soumis : (i) un chargement cyclique, obtenu en soumettant des échantillons revêtus à des chargements cycliques afin de solliciter de façon répétée le revêtement et d'évaluer l'apparition de micro-fissurations pouvant réduire l'effet pare-vapeur d'eau ; (ii) vieillissement naturel, réalisé en exposant les échantillons revêtus aux agents atmosphériques ; (iii) vieillissement artificiel, effectué en exposant les spécimens revêtus à des lampes UV fluorescentes, à la chaleur et à l'eau.

Le programme expérimental consistait en la préparation d'un ensemble d'éprouvettes de verre à couches pour chaque type de vieillissement, le vieillissement des éprouvettes et leurs essais mécaniques, visant à évaluer la durabilité du revêtement à travers l'évaluation de son efficacité résiduelle à prévenir la corrosion sous contrainte. Les matériaux et les procédures de vieillissement et de test sont expliqués dans la présente section.

Matériaux

La formulation du revêtement, dont les détails peuvent être trouvés dans Dalle Vacche et al. (2019b), se compose d'une résine acrylique hydrocarbonée (Ebecryl® 130, par Allnex Belgium SA, Drogenbos, Belgique) et d'un photoinitiateur (Darocur® 1173, par BASF, Allemagne), additionné d'une petite quantité (1 phr) d'un méthacrylate fluoré (Fluorolink® MD700, par Solvay Specialty Polymers, Bollate Milano, Italie). Un silane a été appliqué sur la surface du verre pour améliorer l'adhérence entre le revêtement et le substrat. Le silane était le 3-(acryloyloxy)propyltriméthoxysilane, 94 %, fourni par Alfa Aesar (Thermo Fisher (Kandel) GmbH, Karlsruhe, Allemagne).

La formulation décrite ici a été choisie pour conférer au revêtement des propriétés graduelles de composition, assurant ainsi au sein d'une seule couche une bonne barrière à la vapeur d'eau, l'hydrophobicité, la transparence et l'adhérence avec le substrat, nécessaires pour empêcher la corrosion sous contrainte du verre. Les propriétés physico-mécaniques du revêtement ont été étudiées dans des travaux antérieurs (Dalle Vacche et al. 2019a, b), et sont résumées dans le tableau 1 pour plus de commodité. En particulier, le tableau 1 énumère le taux de transmission de vapeur d'eau, WVTR₂₅, l'angle de contact avec l'eau, 0water, et la force d'adhérence, τ, du revêtement.

Tableau 1 Propriétés du revêtement -Tableau pleine grandeur

Des plaques carrées de silice sodocalcique ont été utilisées pour préparer les échantillons. Une spectroscopie FTIR-ATR (Fourier Transform InfraRed Attenuated Total Reflection) a été réalisée pour évaluer la composition chimique du verre. Le spectre infrarouge (IR) du verre utilisé dans cette étude est comparé à celui d'une lame de microscope en verre de silice sodocalcique à faible teneur en fer. Les deux spectres représentés sur la figure 1 sont parfaitement superposés. De plus, les pics d'absorbance à 910 cm⁻¹ et 768 cm⁻¹ sont représentatifs de la vibration symétrique et asymétrique de la liaison Si-O-Si (Amma et al. 2015).

Préparation des éprouvettes

La surface des échantillons de verre a été traitée avec un agent de couplage au silane avant l'application du revêtement. La silylation du verre a été réalisée en immergeant les échantillons dans une solution aqueuse du silane pendant 5 min à température ambiante. La concentration de silane était de 0,2 % en volume. Afin de favoriser la condensation du silanol, les échantillons traités ont été séchés dans une étuve à 100°C pendant 30 min. Une fois le processus de silylation terminé, la surface des échantillons de verre a été recouverte du revêtement par une barre enroulée et durcie avec un système de lampe UV 5000-EC (Dymax Corporation, Torrington, CT, USA) avec une ampoule à mercure d'intensité moyenne selon la procédure rapportée dans Dalle Vacche et al. (2019b). Après irradiation, un film solide transparent d'environ 50 µm d'épaisseur a été obtenu. Le revêtement a été appliqué sur le côté air des échantillons de verre plat, tandis qu'un film auto-adhésif a été appliqué sur le côté étain afin de maintenir les fragments ensemble après rupture des échantillons.

Chargement cyclique

Un ensemble de 22 échantillons de verre carrés revêtus ayant une longueur de bord l = 120 mm et une épaisseur nominale h = 4 mm ont été soumis à des charges de flexion équibiaxiales cycliques au moyen de la configuration à double anneau coaxial. Une telle configuration, comme le montre la Fig. 2, se compose de deux anneaux en acier de diamètres différents : le plus grand supporte les échantillons, tandis que le plus petit est utilisé pour appliquer une force normale à la surface supérieure de l'échantillon, entraînant ainsi un état de contrainte de flexion biaxiale dans l'échantillon carré. Les diamètres des anneaux de support et de charge, respectivement DS et DL, ont été définis en fonction des dimensions des éprouvettes, conformément à la norme ASTM C1499-19 (2019). Dans le détail, ils étaient DS=90 mm et DL=40 mm pour l=120 mm et h=4 mm.

Le chargement cyclique a été défini par une onde en dents de scie avec une charge minimale égale à 1031 N, une charge maximale égale à 1915 N et une fréquence de 3 Hz (voir Fig. 3). Le chargement cyclique à force contrôlée a été effectué pendant 20 000 cycles. Les paramètres de charge cyclique sont résumés dans le tableau 2.

Tableau 2 Paramètres de chargement cyclique (la charge et l'amplitude de contrainte sont définies comme ΔQ=Qmax−Qmin et Δσ=σmax−σmin, respectivement) -Tableau pleine grandeur

La contrainte de traction biaxiale, σ₁(t), apparaissant dans la partie centrale des éprouvettes, côté revêtement, a été calculée à partir de la charge, Q(t), au moyen de l'équation suivante, fournie par la norme ASTM C1499-19 (2019) :

où : Q(t) est la charge variable dans le temps, h est l'épaisseur nominale de l'éprouvette, DS et DL sont respectivement les diamètres des anneaux de support et de charge, D est le diamètre de l'éprouvette en verre et ν=0,22 est le coefficient de Poisson du verre. Pour une éprouvette rectangulaire, D est le diamètre d'un cercle qui exprime la dimension caractéristique de la plaque comme suit :

où:

et l₁ et l₂ sont les longueurs des arêtes. Les paramètres de charge de fatigue ont été choisis pour maximiser l'étirement du revêtement sans atteindre la rupture de l'éprouvette par fatigue ou même par de simples chargements statiques. La valeur moyenne de σ₁(t) et l'amplitude de contrainte sont calculées en appliquant l'Eq. (1), et rapporté dans le tableau 2. Une grande valeur de la contrainte moyenne et une faible amplitude de contrainte ont été choisies pour maintenir un niveau élevé de contrainte de traction du côté du revêtement pendant tout l'essai de charge cyclique, une condition nécessaire pour activer la corrosion sous contrainte.

De plus, afin de reproduire une condition environnementale la plus sévère possible, l'anneau support et l'éprouvette ont été immergés dans l'eau pendant toute la durée de l'essai (voir Fig. 2c). Le pH de l'eau a été contrôlé à l'aide de bandes de pH à plage complète (1-14) et l'eau a été remplacée chaque fois que la couleur de la bande de pH s'écartait de celle de la valeur neutre, 7, pour éviter tout effet sur la réaction entre les molécules d'eau et le verre. Les essais de chargement cyclique ont été réalisés à température ambiante.

Altération naturelle

Un ensemble de 15 échantillons de verre carrés revêtus ayant l=120 mm et h=4 mm ont été exposés aux agents atmosphériques pendant 510 jours (17 mois), du 4 février 2019 au 30 juin 2020, pour évaluer la durabilité du revêtement face aux intempéries naturelles. Les échantillons ont été montés sur un cadre placé horizontalement sur le toit d'un bâtiment de Politecnico di Torino, Corso Duca degli Abruzzi, 24, Torino (Lat : 45.0628, Long : 7.6621, Alt : 254 masl) (voir Fig. 4). Les variations réelles de crête à crête de la température et de l'éclairement maximal (SRmax) étaient comprises entre 38,8 °C (été) et -1,5 °C (hiver) et entre 1256 W/m² (été) et 33 W/m² (hiver), respectivement. Tout au long de la période surveillée, l'humidité relative moyenne s'est élevée à 63,46 %, tandis que les précipitations quotidiennes ont culminé à 92,66 mm. Les variations quotidiennes des conditions climatiques auxquelles les spécimens ont été exposés sont reportées à la Fig. 5. Le nombre de jours d'exposition par saison et les paramètres moyens de météorisation sont résumés dans le Tableau 3.

Tableau 3 Paramètres d'altération naturelle : humidité relative moyenne (ARH), température maximale moyenne (ATmax), irradiance maximale moyenne (AImax) -Tableau pleine grandeur

Les données sur les conditions environnementales proviennent de la Station Météorologique de Physique Atmosphérique du Département de Physique de l'Université de Turin, Via Pietro Giuria, 1, Turin (Lat : 45.0521, Long : 7.6814). À la fin de la période d'altération, tous les spécimens ont été retirés du toit, analysés et testés avec le montage à double anneau coaxial.

Tableau 4 Conditions d'altération artificielle par cycle -Tableau pleine grandeur

Altération artificielle

Un ensemble de 19 échantillons de verre carrés revêtus ayant l = 75 mm et h = 3 mm ont été vieillis artificiellement pour établir les effets à long terme de la lumière, de la chaleur et de l'humidité sur les propriétés mécaniques, chimiques et physiques du revêtement. La maturation a été réalisée à l'aide d'un équipement de vieillissement accéléré aux UV mis à disposition par les laboratoires Cromology Italia SpA (Porcari, Italie). En l'absence de norme spécifique, le vieillissement a été effectué selon la procédure prévue par la norme EN ISO16474-3:2013 (2013), qui est la norme de référence pour tester la durabilité des peintures et vernis exposés aux conditions environnementales extérieures.

Les cycles de vieillissement duraient 8 h chacun et consistaient en deux périodes d'exposition : (i) 4 h de rayonnement UV et séchage à 60°C et (ii) 4 h de rayonnement UV et condensation à 50°C. L'irradiance de la lampe UV était de 0,83 W/m²/nm, à 340 nm. La condensation de l'humidité est considérée comme le meilleur moyen de simuler l'attaque de l'humidité extérieure, car la majeure partie de cette humidité est le résultat de la rosée. Les conditions d'altération artificielle sont résumées dans le tableau 4 pour plus de commodité.

Les cycles de vieillissement ont été menés pendant 7 semaines (1176 h), après quoi les échantillons ont été retirés de la machine de vieillissement, analysés et testés avec la configuration à double anneau coaxial. Afin de suivre l'évolution du vieillissement, un échantillon a été prélevé chaque semaine d'exposition aux intempéries artificielles et analysé par inspection visuelle.

Méthodes de caractérisation

Après les processus de vieillissement, la surface revêtue de tous les échantillons de verre a été inspectée visuellement pour identifier et localiser les défauts du revêtement. Ensuite, différentes analyses ont été réalisées en fonction du processus de vieillissement.

Des mesures d'angle de contact statique ont été effectuées pour évaluer les propriétés de surface des échantillons de verre revêtu, avant et après le vieillissement naturel. Les résultats ont été comparés à ceux du verre non revêtu. Un instrument Krüss DSA100 (KRÜSS GmbH, Hambourg, Allemagne) a été utilisé, équipé d'une caméra vidéo et d'un logiciel d'analyse d'images, avec la technique de la goutte sessile. L'eau a été utilisée comme liquide de test et les gouttes étaient de 10 μl. Cinq mesures ont été prises sur des échantillons de verre non revêtus, sept sur des échantillons de verre fraîchement revêtus et dix sur des échantillons de verre revêtus naturellement vieillis qui avaient été lavés à l'eau et au savon et rincés à l'eau distillée après exposition. Il est à noter que l'étiquette « éprouvettes de verre fraîchement revêtues » identifie les échantillons testés quelques jours après l'application du revêtement.

La transparence des échantillons de verre revêtu naturellement vieilli a également été évaluée au moyen d'un spectrophotomètre UV-visible JENWAY 6850 UV/Vis (Cole-Parmer, Stone, UK).

La spectroscopie FTIR-ATR a été utilisée pour suivre l'évolution du vieillissement du revêtement pour les échantillons revêtus artificiellement altérés. A cet effet, cette analyse a été réalisée sur des éprouvettes exposées pendant 1, 2, 3, ... jusqu'à 7 semaines de vieillissement. Un spécimen a été retiré de la machine de vieillissement chaque semaine et stocké dans des conditions sombres et sèches jusqu'à la fin de la septième semaine, lorsque la spectroscopie FTIR-ATR a été appliquée à tous les spécimens. Pour cette raison, seuls les 13 spécimens, sur les 19 initiaux, qui ont atteint la septième semaine de vieillissement ont été testés mécaniquement pour évaluer les performances du revêtement vieilli.

Après les investigations non destructives susmentionnées, des tests mécaniques ont été effectués sur tous les échantillons de verre revêtu pour évaluer l'efficacité résiduelle du revêtement vieilli à protéger la surface du verre contre la corrosion sous contrainte. La configuration à double anneau coaxial a été utilisée (voir Fig. 2) conformément à la norme ASTM C1499-19 (2019). La dimension des anneaux de support et de charge pour les spécimens ayant une taille d'arête l = 120 mm et une épaisseur h = 4 mm, était DS = 90 mm et DL = 40 mm comme déjà expliqué dans la Sect. 2.3, tandis que DS et DL pour les spécimens ayant l = 75 mm et h = 3 mm étaient de 60 mm et 30 mm, respectivement.

Lors des essais de chargement, les éprouvettes et l'anneau de support ont été placés dans une cuve remplie d'eau pour créer un environnement sévère avec un taux d'humidité constant. Les essais mécaniques ont été effectués au moyen d'une machine d'essai universelle servo-hydraulique MTS avec une capacité de cellule de charge de 10 kN. Une vitesse de déplacement constante a été appliquée pour induire dans les éprouvettes une vitesse de contrainte égale à 0,15 MPa/s, jusqu'à la rupture. Un faible taux de charge a été choisi au lieu d'une charge constante pour avoir des temps de test certains et raisonnablement limités et pour faciliter une comparaison quantitative entre les échantillons de verre non revêtus et revêtus. Dans le cas où la corrosion sous contrainte est complètement empêchée par le revêtement, en fait, les échantillons de verre revêtus ne se briseraient jamais sous une charge constante.

La valeur de 0,15 MPa/s, qui a provoqué la rupture des échantillons en 6 à 14 min, a été choisie sur la base de preuves qu'un tel taux est suffisamment faible pour révéler les effets de la corrosion sous contrainte (Lindqvist et al. 2012 ; Mariggiò et al. 2020). La résistance à la flexion, σf, a été calculée à partir de la charge de rupture, Qf, au moyen de l'Eq. (1) et les résultats ont été comparés à ceux d'échantillons de verre fraîchement revêtus et non revêtus, rapportés dans Mariggiò et al. (2020). Des exemples du modèle de fissure généralement obtenu avec le test à double anneau coaxial sont illustrés à la Fig. 6 pour deux valeurs extrêmes de résistance à la flexion : plus la résistance à la flexion est élevée, plus la taille moyenne des fragments est petite. Il est à noter que le test n'est valable que si l'origine de la rupture est située à l'intérieur de l'empreinte de l'anneau de chargement.

Analyse statistique des données de force

Les micro-fissures réparties de manière aléatoire sur la surface du verre ainsi que leur géométrie et leur profondeur réparties de manière aléatoire provoquent une très forte dispersion de la résistance à la flexion du verre. Par conséquent, une inférence statistique des données de force a été effectuée.

La population de résistance du verre peut être représentée par une fonction de distribution de Weibull à deux paramètres :

où Pf est la fonction de distribution cumulative de la défaillance, et β et θ sont les paramètres de forme et d'échelle de Weibull, obtenus par le meilleur ajustement des données expérimentales. La fonction de distribution de Weibull peut être linéarisée en prenant le logarithme deux fois :

Selon EN 12603 (2002), les paramètres β et θ sont calculés avec la méthode des bons estimateurs linéaires sans biais :

où : n est la taille de l'échantillon, s est le plus grand entier inférieur à 0,84n, et les valeurs de kn, estimées en fonction de la taille de l'échantillon n, sont répertoriées dans le tableau 3 de l'EN 12603 (2002).

Les données de force, σf, sont classées par ordre croissant (i = 1 à n) pour construire un échantillon ordonné, puis une probabilité d'échec est attribuée à chaque valeur σi de l'échantillon ordonné au moyen d'estimateurs de probabilité G^i :

Enfin, chaque point (σf, G^i) est tracé dans le diagramme de Weibull, qui relie la probabilité de rupture à la contrainte de rupture.

Dans la présente section, les résultats des essais effectués pour évaluer les effets du vieillissement sur la performance du revêtement contre la corrosion sous contrainte sont présentés et discutés. La performance des éprouvettes vieillies a été évaluée par rapport à la performance des éprouvettes non revêtues et des éprouvettes fraîchement revêtues, c'est-à-dire des échantillons testés quelques jours après l'application du revêtement, dont les résultats peuvent être trouvés dans Dalle Vacche et al. (2019b) et Mariggiò et al. (2020).

Après les processus de vieillissement, tous les spécimens ont été nettoyés et inspectés à l'œil nu pour localiser les défauts du revêtement. Les dommages de surface ont été examinés visuellement avec le spécimen placé sur une table dans des conditions d'éclairage de plafond régulières. Aucune imperfection évidente n'a été détectée sur les surfaces revêtues d'échantillons chargés cycliquement et naturellement altérés, tandis que des échantillons artificiellement altérés exposés pendant six et sept semaines présentaient des fissures et un délaminage du revêtement (voir Fig. 7).

Effets du chargement cyclique

La résistance à la flexion de chaque éprouvette revêtue chargée cycliquement a été évaluée au moyen du test à double anneau coaxial directement après la procédure de chargement cyclique, afin d'éviter d'éventuels effets de cicatrisation des fissures. Le diagramme de Weibull obtenu à partir de l'ensemble d'échantillons est représenté sur la figure 8, où il est comparé aux diagrammes de Weibull de la résistance à la flexion d'échantillons non revêtus et fraîchement revêtus.

Une première analyse qualitative des points de données expérimentaux suggère que le revêtement a une durabilité élevée contre le chargement cyclique puisque la distribution de la probabilité de défaillance des spécimens revêtus chargés cycliquement est très proche de celle des spécimens fraîchement revêtus. Les lignes droites, qui représentent la fonction de distribution de Weibull linéarisée, correspondent bien aux ensembles de données expérimentales, indiquant que la distribution de Weibull peut être utilisée pour les interpréter correctement.

La courbe qui correspond le mieux aux points de données des spécimens revêtus chargés cycliquement (marqueurs triangulaires violets) est caractérisée par β^=4,34 et θ^=109,99 MPa, celle des spécimens non revêtus (marqueurs carrés rouges) est définie par β^=5,16 et θ^=68,25 MPa, tandis que celle des spécimens fraîchement revêtus (marqueurs circulaires verts) par β^=5,60 et θ^ =121,80 MPa. L'efficacité du revêtement peut être quantifiée par le paramètre d'échelle θ^, qui représente la résistance associée à une probabilité de défaillance de 63,2 %.

De plus, la comparaison entre les paramètres de forme de Weibull, β^, permet d'obtenir des informations très intéressantes sur le comportement des éprouvettes revêtues chargées cycliquement. Comme prévu, le paramètre β^, qui représente la pente du diagramme de Weibull linéarisé et décrit ainsi la dispersion de résistance ainsi que la dispersion de la taille des défauts de surface critiques, est presque le même pour les échantillons de verre fraîchement revêtus et non revêtus, alors qu'il diffère pour les échantillons chargés cycliquement. En particulier, les points de données des échantillons enrobés et fraîchement enrobés chargés cycliquement sont presque appariés pour une probabilité de défaillance Pf > 70 %, alors qu'ils divergent pour les faibles valeurs de Pf. De l'avis des auteurs, la variation de β^ n'est pas signe d'une détérioration du revêtement.

Au contraire, c'est la preuve d'une très bonne tenue du revêtement lors du processus de vieillissement. Supposons que le revêtement est capable d'empêcher complètement la corrosion sous contrainte (fatigue statique) au cours du processus de vieillissement. Dans ce cas, l'éprouvette n'est soumise qu'à une fatigue dynamique, qui peut être décrite par une loi de Paris-Erdogan classique (Paris et Erdogan 1963). Cependant, comme il est bien connu, la propagation sous-critique des fissures par fatigue ne se produit que lorsque le facteur d'intensité de contrainte en pointe de fissure dépasse un seuil, qui est une propriété du matériau.

La contrainte moyenne et l'amplitude de contrainte étant les mêmes pour toutes les éprouvettes, seuls les plus grands défauts critiques de surface se sont propagés par fatigue, alors que les plus petits n'ont pas été suffisamment sollicités. Par conséquent, la dispersion de la taille des défauts critiques a augmenté, entraînant une diminution du paramètre β^. A cet égard, il faut remarquer que cinq éprouvettes se sont rompues lors du chargement cyclique, après un nombre de cycles compris entre 4 000 et 15 000, probablement du fait que les défauts critiques étaient suffisamment importants pour se propager par fatigue dynamique jusqu'à atteindre l'état de propagation instable des fissures.

En l'absence de revêtement, ou dans le cas d'une détérioration rapide du revêtement, l'éprouvette serait soumise à la fois à une fatigue statique et dynamique. Dans une telle circonstance, l'effet de la corrosion sous contrainte (fatigue statique) l'emporte de loin sur l'effet de la fatigue dynamique, surtout pour les petits défauts. La propagation des fissures par cycle peut être décrite par la loi d'Evans (Evans et Fuller 1974) :

où g et les paramètres de vitesse de fissure A et n dépendent des conditions de chargement, du matériau, de la température et de l'environnement, λ est la période du chargement cyclique, et K¯I est le facteur d'intensité de contrainte moyen par cycle

étant σ¯ la contrainte moyenne, Y un facteur de géométrie et de chargement, et a la profondeur de la fissure. Par conséquent, la vitesse de propagation de la fissure dépend fortement de la profondeur initiale de la fissure, puisqu'elle varie directement comme a⁽ⁿ/ᵃ⁾, plus le défaut de surface initial est profond, plus la vitesse de propagation de la fissure est rapide.

Un exemple est fourni ici pour souligner le fait que la plupart des échantillons de verre chargés cycliquement se seraient fracturés pendant le chargement cyclique s'ils n'avaient pas été recouverts par le revêtement développé. Les échantillons chargés cycliquement et fraîchement revêtus ont été préparés avec des plaques de verre provenant du même lot et, par conséquent, nous pouvons raisonnablement supposer qu'ils avaient la même densité et la même taille de défauts de surface initiaux. Maintenant, en supposant que les échantillons de verre fraîchement revêtus n'étaient pas affectés par la corrosion sous contrainte, la taille du défaut de surface critique, c'est-à-dire celui qui a conduit à la rupture, peut être obtenue par la relation entre la contrainte de rupture et la taille de la fissure dérivée de la mécanique de la rupture élastique linéaire :

où la valeur de la ténacité à la rupture Kᶦᶜ, comprise entre 0,72 et 0,82 MPa m¹/² pour le verre sodocalcique, est fixée pour cet exemple à 0,75 MPa m¹/², et la géométrie et le coefficient de chargement Y sont égaux à 1,12 pour des fissures frontales rectilignes dans un solide semi-infini (Overend et Zammit 2012). La résistance à la flexion du verre fraîchement revêtu rapportée à une probabilité de rupture Pf≤63,2 % est σf≤θ^FC=121,80 MPa et, par conséquent, par l'Eq. (11) on peut en déduire que les 63,2 % de la population statistique des défauts de surface critiques ont une profondeur initiale acr≥9,62 μm. Pour des conditions environnementales constantes, le paramètre A dans l'Eq. (9) peut être exprimé comme (Haldimann et al. 2008):

où v₀=30 mm/s et n=16 sont représentatifs du verre immergé en permanence dans l'eau (Haldimann 2006). Evans et Fuller (1974) ont montré que, pour une onde de contrainte en dents de scie, le paramètre g dans l'Eq. (9) peut être approximé comme suit :

étant ΔKI l'amplitude du facteur d'intensité de contrainte par cycle. En fixant la profondeur initiale du défaut de surface critique acr=9,62 μm et la période λ=1/3 s, la mise en œuvre de l'Eq. (9) dans un algorithme numérique montre qu'un échantillon de verre échouerait dans les 13 cycles, comme le montre la Fig. 9, s'il était soumis à des conditions de chargement cycliques comme décrit dans la Sect. 2.3 et résumé dans le tableau 2. Cet exemple montre que bien plus de cinq échantillons se seraient fracturés en 20 000 cycles si une corrosion sous contrainte s'était produite sur les échantillons de verre recouverts.

Certes, l'éq. (9) ne peut être appliqué que lorsque le facteur d'intensité de contrainte dépasse le seuil de croissance de fissure sous-critique, KI,th, qui peut être supposé égal à 0,25 MPa m¹/² selon Haldimann (2006). La dimension du défaut de surface initial pour lequel la sous-propagation ne se produit pas peut être calculée à l'aide de l'Eq. (11), en remplaçant KIC par KI,th et σf par la contrainte moyenne du chargement cyclique σ¯=50 MPa. On obtient ath = 6,34 µm pour le présent exemple. Ainsi, dans le cas où le revêtement n'aurait pas été appliqué, seuls les échantillons de verre ayant acr ≤ath = 6,34 μm auraient survécu au chargement cyclique.

En conclusion, en plus d'être résistant aux chargements cycliques, le revêtement peut être utilisé pour dériver le comportement de fatigue dynamique pur du verre, qui ne peut être obtenu autrement en raison de l'effet concomitant de la fatigue statique.

Effet de l'altération naturelle

Une analyse des spectres visibles a été effectuée sur les échantillons revêtus naturellement vieillis afin d'évaluer la transparence, l'une des propriétés les plus particulières et les plus appréciées du verre, également dans les applications structurelles. Le pourcentage de transmission des longueurs d'onde dans la gamme de la lumière visible est illustré à la figure 10, où il est comparé à ceux du verre non revêtu et du verre fraîchement revêtu. La transmittance est supérieure à 60 % dans le domaine visible pour tous les échantillons de verre, ce qui signifie que la transparence du verre, égale à environ 90 % en l'absence de revêtement, est sensiblement réduite, mais reste tout de même supérieure à la valeur de la transmittance minimale admissible du vitrage qui, selon une étude réalisée par Boyce et al. (1995), se situe dans la fourchette de 25 % à 38 %.

La mouillabilité de la surface revêtue des échantillons de verre a été estimée par des mesures d'angle de contact statique à l'eau. À mesure que l'angle de contact des gouttelettes avec la surface augmente, l'hydrophobicité augmente (Arkles 2006). Les angles moyens de contact avec l'eau pour les échantillons de verre non revêtu, de verre fraîchement revêtu et de verre revêtu naturellement vieilli sont indiqués dans le tableau 5. Alors que le verre est assez mouillable par l'eau et présente un angle de contact de 23,9° après l'application d'un protocole de nettoyage simplifié sur la surface testée, le verre fraîchement revêtu présente un angle de contact de 103,2° : dépassant largement 90°, la valeur indique que la surface est assez hydrophobe comme prévu par un revêtement à gradient où le composant fluor est préférentiellement concentré à la surface. . Après 510 jours de vieillissement naturel, la mouillabilité du revêtement augmente et la valeur de l'angle de contact se trouve aussi basse que 60°.

Cette valeur est similaire à celle mesurée sur un revêtement constitué de la résine pure sans l'ajout du comonomère fluoré (Dalle Vacche et al. 2019a), cela signifie donc que la composition de la surface a changé en raison de l'exposition à l'extérieur. Ceci est en accord avec des études récentes évaluant les réarrangements des polymères en fonction de l'environnement. Lorsque des revêtements contenant une faible quantité d'un composant fluoré sont préparés et maintenus dans de l'air sec, les chaînes fluorées se séparent à la surface du revêtement et assurent l'hydrophobicité. Lorsque le revêtement est en contact avec un solvant polaire tel que l'eau, les fractions fluorées peuvent facilement se réorganiser et provoquer une augmentation de la mouillabilité (Trusiano et al. 2019).

Tableau 5 Angles de contact statique de l'eau -Tableau pleine grandeur

Les diagrammes de Weibull pour les échantillons de verre à revêtement non revêtu, fraîchement revêtu et naturellement patiné sont illustrés à la Fig. 11. Les points de données des spécimens revêtus naturellement patinés (triangles bleu clair) sont bien ajustés par une fonction de distribution de Weibull ayant β ^ = 3,63 et θ ^ = 102,54 MPa. Bien que la valeur θ^ des échantillons revêtus naturellement altérés soit supérieure à celle des échantillons non revêtus et très proche de celle des échantillons fraîchement revêtus, la diminution de la valeur β^ a un effet assez négatif, notamment sur l'évaluation de la résistance à la flexion de calcul, c'est-à-dire une valeur caractéristique ayant une probabilité de rupture inférieure à 5 %.

Notre conjecture est que la diminution de β^ est à nouveau due à une variation de la distribution de la taille des défauts critiques, plutôt qu'à une conséquence d'une performance réduite du revêtement. Dans ce dernier cas, en effet, la courbe de Weibull devrait subir une simple translation par rapport à celles de référence, sans aucun changement de pente. Bien que le revêtement appliqué sur les échantillons revêtus naturellement altérés par les intempéries n'ait pas été visiblement endommagé après les intempéries, la grêle et d'autres impacts de contaminants peuvent avoir entraîné de nouveaux défauts plus importants à la surface des échantillons de verre (Jenkins et Mathey 1982 ; Corrado et al. 2017). En conséquence, la dispersion de la population de défauts dans le verre à couche naturellement vieilli a augmenté, entraînant une diminution de la valeur β^.

Une comparaison plus cohérente aurait dû être faite avec des spécimens de verre non revêtu naturellement altérés, soumis aux mêmes conditions d'altération. Malheureusement, un tel ensemble de spécimens n'a pas été inclus dans la présente étude. Cependant, dans un souci de clarté, une distribution de Weibull hypothétique pour la résistance à la flexion d'échantillons de verre non revêtu naturellement altérés est illustrée à la Fig. 11 (ligne bleue en pointillés). Étant donné que les échantillons non revêtus et revêtus naturellement altérés doivent avoir une densité et une taille de défauts de surface similaires, les deux distributions ont la même valeur β^. Le paramètre θ^ pour la distribution hypothétique a été déterminé en supposant que les distributions de probabilité non revêtues et revêtues naturellement altérées sont espacées ainsi que les distributions non revêtues et fraîchement revêtues. Sous cette hypothèse, l'effet bénéfique du revêtement, même pour les faibles valeurs de probabilité de défaillance, est évident.

Effet de l'altération artificielle

La figure 12 montre les spectres FTIR-ATR collectés sur la surface du revêtement à différents temps d'altération. Tout au long du processus d'altération, on observe une augmentation constante de la bande 3700-3100 cm⁻¹ (région A) et de l'épaulement à 1640 cm⁻¹ (région C) : les signaux sont liés aux vibrations des groupes -OH et peuvent indiquer une adsorption d'eau sur le revêtement (Wang et al. 2004). L'élargissement du pic C=O dans la région 1850-1650 cm⁻¹ (région B) peut être associé à des phénomènes d'oxydation, c'est-à-dire de dégradation du revêtement en présence d'air sous lumière.

Des informations intéressantes peuvent être recueillies en observant la bande doublet à 1634 cm⁻¹ et 1618 cm⁻¹ (pics D et E) et la bande à 810 cm⁻¹ (pic F) présente pour le verre fraîchement revêtu et disparaissant après une semaine d'exposition. Ces signaux sont dus à la double liaison du groupe méthacrylate caractérisant l'oligomère utilisé pour la préparation du revêtement et soumis au durcissement par la réaction des doubles liaisons. De ce fait, le revêtement n'est pas totalement réticulé à l'issue du processus de cuisson (présence des bandes précitées) ; tandis qu'après les deux premières semaines de vieillissement, lorsque ces pics disparaissent, la conversion est complète (Dalle Vacche et al. 2019a ; Bongiovanni et al. 2012).

Tableau 6 Données statistiques des résultats expérimentaux -Tableau pleine grandeur

Comme expliqué dans la Sect. 2.5, les éprouvettes utilisées pour analyser les effets de l'altération artificielle avaient une longueur d'arête l=75 mm et une épaisseur h=3 mm, au lieu de 120 mm et 4 mm, respectivement. Une comparaison avec la probabilité de défaillance d'éprouvettes ayant l=120 mm et h=4 mm n'aurait pas été cohérente et, par conséquent, un ensemble de 18 éprouvettes non revêtues de taille 75 mm a été testé avec la configuration à double anneau coaxial. Les diagrammes de Weibull pour la résistance à la flexion d'échantillons non revêtus d'une taille de 75 mm et d'échantillons de verre revêtu artificiellement altérés sont illustrés à la Fig. 13. Afin de mettre en évidence l'incohérence susmentionnée entre des échantillons de différentes tailles, la fonction de distribution de Weibull d'échantillons non revêtus ayant l = 120 mm est également illustrée à la Fig. 13 (ligne pointillée rouge).

Les paramètres des fonctions de distribution de Weibull qui correspondent le mieux aux points de données sont : β^=3,0 et θ^=91,9 MPa pour les spécimens revêtus artificiellement altérés (triangles gris), β^=2,8 et θ^=67,5 MPa pour les spécimens non revêtus (carré orange). L'augmentation de la résistance à la flexion est évidente, même si elle était tout à fait inattendue après l'inspection visuelle initiale des échantillons, qui a révélé un détachement presque complet du revêtement après sept semaines d'exposition aux intempéries artificielles (voir Fig. 7). Une explication plausible est que les agents de couplage au silane utilisés pour améliorer l'adhérence du revêtement sur le substrat ont atteint les pointes des défauts de surface, augmentant l'hydrophobicité du verre aux endroits où la réaction de corrosion sous contrainte peut se produire. La propriété du silane d'altérer la mouillabilité du verre en induisant l'hydrophobie de surface a déjà été prouvée par plusieurs études (Dalle Vacche et al. 2019a ; Arkles et al. 2009 ; Wei et al. 1993).

Les données statistiques de tous les ensembles d'éprouvettes analysées dans cette étude sont reportées dans le tableau 6. Elles comprennent, pour chaque série d'essais, le nombre d'éprouvettes qui se sont fracturées de façon acceptable, le paramètre de forme de Weibull β^, le paramètre d'échelle de Weibull θ^ et le coefficient de variation CV^.

La durabilité d'un revêtement polymère durci aux UV optimisé pour prévenir la corrosion sous contrainte du verre a été examinée. En ce qui concerne le chargement cyclique, le revêtement s'est avéré insensible aux charges répétitives, étant donné que ses performances en matière de prévention de la corrosion sous contrainte sont restées presque intactes. Cependant, le revêtement ne peut pas empêcher la fatigue dynamique de se produire si un niveau de contrainte suffisamment élevé est atteint à la pointe des défauts de surface, comme c'était le cas dans les essais cycliques effectués dans cette étude. La croissance sous-critique des défauts de surface critiques par fatigue a été mise en évidence par une réduction du paramètre β^ de la distribution de Weibull pour la résistance à la flexion, qui n'est donc pas liée à une performance réduite du revêtement.

L'altération naturelle a eu son effet principal sur les propriétés optiques du revêtement, en ce sens qu'elle a provoqué une diminution de la transparence, bien qu'elle soit restée sur des valeurs acceptables. D'autre part, l'efficacité du revêtement dans la prévention de la corrosion sous contrainte a été presque entièrement préservée. Dans ce cas également, la réduction du paramètre β^ de la distribution de Weibull pour la résistance à la flexion doit être associée à une variation de la distribution de la taille critique du défaut due à l'impact des grêlons et autres particules.

Enfin, l'effet de l'altération artificielle sur la durabilité du revêtement est plus prononcé. Il n'y avait aucun signe de dommage dans le revêtement jusqu'à cinq semaines d'exposition, alors qu'il était presque complètement détaché après sept semaines d'exposition. Il faut remarquer que les conditions appliquées pour l'altération artificielle étaient très sévères en termes de température, d'humidité et de lumière UV. Néanmoins, une capacité résiduelle non négligeable à prévenir la corrosion sous contrainte a été observée. Une explication possible est que le silane utilisé pour prétraiter la surface du verre a atteint les pointes des défauts de surface, augmentant l'hydrophobicité du verre aux endroits où la réaction de corrosion sous contrainte pourrait se produire.

En conclusion, même si seule l'application côté air a été étudiée jusqu'à présent et que de légères modifications dans la formulation du revêtement peuvent être apportées pour améliorer encore sa durabilité, la formulation actuelle a déjà montré une très bonne performance, ce qui la rend très prometteuse pour de futures applications pratiques. D'autres études seront menées pour évaluer la résistance du revêtement aux abrasions et aux rayures, pour mieux évaluer sa bande interdite optique et pour analyser ses performances lorsqu'il est appliqué sur les bords coupés des plaques de verre.

Remerciements

Le soutien financier de Politecnico di Torino et Compagnia di San Paolo au projet "GLASS & CO - Améliorer la résistance effective du verre structurel avec des revêtements fonctionnels" est grandement apprécié. Les auteurs tiennent également à remercier Eng. Luisa Gaiero pour son aide dans la préparation des spécimens et Eng. Simona Bargiacchi et Dr. Luca Contiero de Cromology Italia SpA pour leur contribution active au projet GLASS & CO, et en particulier pour la réalisation de l'altération artificielle des échantillons de verre.

Financement

Financement en libre accès fourni par Politecnico di Torino dans le cadre de l'accord CRUI-CARE.

Informations sur l'auteur

Auteurs et affiliations

Département d'ingénierie structurelle, géotechnique et du bâtiment, Polytechnique de Turin, Corso Duca degli Abruzzi 24, 10129, Turin, Italie - Gregorio Mariggiò & Mauro Corrado

Département des sciences appliquées et de la technologie, École polytechnique de Turin, Corso Duca degli Abruzzi 24, 10129, Turin, Italie - Sara Dalle Vacche & Roberta Bongiovanni

Institut de construction de bâtiments, Université technique de Dresde, August-Bebel-Strasse 30, 01219, Dresde, Allemagne - Christian Louter

auteur correspondant

Correspondance à Mauro Corrado.

Déclarations éthiques

Conflit d'intérêt

Les auteurs n'ont aucun conflit d'intérêt à déclarer en rapport avec le contenu de cet article.