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FR2629549A1 - Method for increasing the mechanical resistance to the formation of microcracks in a structural adhesive joint between two components or in a multi-material mass - Google Patents

Method for increasing the mechanical resistance to the formation of microcracks in a structural adhesive joint between two components or in a multi-material mass Download PDF

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FR2629549A1
FR2629549A1 FR8804094A FR8804094A FR2629549A1 FR 2629549 A1 FR2629549 A1 FR 2629549A1 FR 8804094 A FR8804094 A FR 8804094A FR 8804094 A FR8804094 A FR 8804094A FR 2629549 A1 FR2629549 A1 FR 2629549A1
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FR
France
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microcracks
joint
adhesive joint
formation
increasing
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FR8804094A
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French (fr)
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FR2629549B1 (en
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Yvon Gilibert
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Original Assignee
Association pour la Recherche et le Developpement des Methodes et Processus Industriels
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Abstract

The present invention relates to a method for increasing the mechanical resistance to the formation of microcracks in a structural adhesive joint between two components or in a multi-material mass consisting of an agglomerate or aggregate of solid particles joined together by means of a binder, such as in particular micromortar, mortar and concrete. This method is characterized in that the adhesive joint 4 is subjected to a load which varies periodically according to a sinusoidal or substantially sinusoidal cycle and whose maximum strength is less than the threshold for starting microcracks; that is to say always remaining in the overall elastic field of the assembly.

Description

La présente invention concerne un procédé pour .au menter la résistance mécanique à la formation de microfis sures dans un joint adhésif structural entre deux pièces ou dans une messe de multimatériau constitué par un agglomérat ou un agrégat de particules solides assemblées par un liant. The present invention relates to a process for .au menting the mechanical resistance to the formation of secure microcracks in a structural adhesive joint between two parts or in a mass of multimaterial consisting of an agglomerate or an aggregate of solid particles assembled by a binder.

tel que notamment micromortier. mortier et béton.such as in particular micro mortar. mortar and concrete.

La plupart des assemblages collés sont le siège de concentrations de contraintes au voisinage de leurs extrémités (maximum de la contrainte de cisaillement) ainsi qutà leurs extrémités elles-memes (maximum de la contrainte nor male de décollement) ou à ltendroit de leurs bords.Ces contraintes diminuent considérablement la tenue mécanique du joint ou sa résistance à l agression de 1 environnement Il est donc de la plus haute importance. pour permettre le développement de L utilisation d'assemblages collés dans le domaine industriel de pouvoir réduire le plus possible ces contraintes et notamment le cisaillement au voisinage des extrémités et le décollement aux extrémités
Par ailleurs les agglomérats ou agrégats du type mortier. béton etc comportent. dans leur structure des parties angulaires qui sont le siège de contraintes de cisaillement variables. à gradient de variation locale important contraintes qui contribuent à I amorçage plus précoce des microfissures lorsque la structure est sollicitée
La présente invention a donc pour objet un procédé pour augmenter la résistance mécanique à la formation de microfissures dans un joint adhésif structural entre deux pièces ou dans une masse de multimatériau constitué par un agglomérat ou un agrégat de particules sclides assemblées par un liant tel que notamment micromortier mortier et béton. caractérisé en ce qu on soumet le joint adhésif à un effort variant périodiquement et d intensité maximale inférieure au seuil d'amorpage des micro-fissures c'est à-dire en restant toujours dans le domaine élastique global de 1 assemblage
On décrira ci-après à titre d'exemple non limitatif
une forme d exécution de la présente invention en référence
au dessin annexé sur lequel
La figure 1 est une vue en élévation d'un corps
d'épreuve constitué par un assemblage collé pourvu de jauges
électriques et soumis à un effort de traction périodique.
Most bonded assemblies are the seat of stress concentrations in the vicinity of their ends (maximum of the shear stress) as well as at their ends themselves (maximum of the normal detachment stress) or at the location of their edges. stresses considerably reduce the mechanical resistance of the joint or its resistance to the aggression of the environment. It is therefore of the utmost importance. to allow the development of the use of bonded assemblies in the industrial field to be able to reduce as much as possible these stresses and in particular the shearing in the vicinity of the ends and the detachment at the ends
In addition, agglomerates or aggregates of the mortar type. concrete etc comprise. in their structure of the angular parts which are the seat of variable shear stresses. with significant local variation gradient constraints which contribute to the earlier initiation of microcracks when the structure is stressed
The present invention therefore relates to a method for increasing the mechanical resistance to the formation of microcracks in a structural adhesive joint between two parts or in a mass of multimaterial consisting of an agglomerate or an aggregate of sclid particles assembled by a binder such as in particular micro mortar mortar and concrete. characterized in that the adhesive joint is subjected to a force varying periodically and of maximum intensity below the threshold for absorbing micro-cracks, that is to say always remaining in the overall elastic range of 1 assembly
A non-limiting example will be described below.
an embodiment of the present invention with reference
to the attached drawing in which
Figure 1 is an elevational view of a body
test consisting of a glued assembly provided with gauges
electric and subjected to a periodic tensile force.

La figure 2 est un diagramme illustrant la variation
périodique de l'effort de traction.
Figure 2 is a diagram illustrating the variation
of the tractive effort.

La figure 3 est un diagramme illustrant le déplace-
ment du pic de la contrainte de cisaillement en fonction du -nombre de cycles appliqués au corps d'épreuve
Les figures 4 et 5 sont des diagrammes illustrant
la variation de la déformation superficielle en fonction de
l'effort exercé. pour différents nombres de cycles de fati
gue respectivement à 1 endroit des deux jauges les plus
proches de l'extrémité du joint.
FIG. 3 is a diagram illustrating the displacement
ment of the peak of the shear stress as a function of the number of cycles applied to the test body
Figures 4 and 5 are diagrams illustrating
the variation of the surface deformation as a function of
the effort exerted. for different numbers of fati cycles
lies respectively in 1 place of the two most
near the end of the joint.

Pour déterminer avec précision 1 effet du procédé
suivant 1 invention sur le seuil d amorçage des microfis
sures dans un joint adhésif structural et sur leur propaga
tion lente (en régime stable) ou rapide (en régime instable)
jusqu'8 la rupture d'un corps d'épreuve on a utilisé;; d'une
part la méthode d extensométrie à jauges électriques qui
permet de mesurer les déformations superficielles de l'as
semblage et, d'autre part. 1 émission acoustique du joint
adhésif au cours de son endommagement progressif Cette
dernière méthode constitue une méthode de contrôle non des
tructif pour confirmer l'amorce et la propagation des micro
fissures mises en évidence par la méthode extensométrique
L'analyse est basée sur la comparaison des résultats obtenus
à différents stades du procédé c est à-dire après 1 appli
cation de nombres de cycles de fatigue différents
Pour les essais on å utilisé des corps d'épreuve 1
tels que celui représenté sur la figure 1 dont le joint est
sollicité su cisaillement prépondérant tout le long du
joint Ce corps d'épreuve 1 est constitué par deux substrats
2 et 3 assemblés au moyen d'un joint adhésif en biseau 4.
To accurately determine 1 effect of the process
according to 1 invention on the starting threshold of microfis
safe in a structural adhesive joint and on their propaga
slow (stable) or fast (unstable)
until the rupture of a test body we used; of a
share the extensometry method with electric gauges which
allows to measure the surface deformations of the ace
semblage and, on the other hand. 1 acoustic emission of the joint
adhesive during its progressive damage This
last method constitutes a method of control not
tructive to confirm the initiation and propagation of micro
cracks revealed by the extensometric method
The analysis is based on the comparison of the results obtained
at different stages of the process i.e. after 1 app
cation of numbers of different fatigue cycles
For the tests we used test bodies 1
such as that shown in FIG. 1, the joint of which is
applied to preponderant shear all along the
joint This test body 1 is made up of two substrates
2 and 3 assembled by means of an adhesive bevel 4.

Les substrats 2.3 sont constitués par deux barres parallélé-
pipêdiques, de section carrée de lOmm de coté, en un acier ferritique de nuance XC 18 Ces substrats ont été préala blement usinés de manière à présenter. à leurs extrémités collées, deux faces frontales 2a.3a. inclinées d'un même angle par rapport à 1 axe longitudinal du corps d'épreuve.
The substrates 2.3 consist of two parallel bars
piped, with a square section of 10 mm side, made of ferritic steel of grade XC 18 These substrates have been previously machined so as to present. at their glued ends, two front faces 2a.3a. inclined at the same angle with respect to 1 longitudinal axis of the test body.

donc parallèles entre elles. Ces faces ou "subjectiles" sont séparés l un de l'autre de l'épaisseur ej du joint adhésif qui est dans ce cas de 0,5mm et ce joint s'étend sur une longueur 1 de 18mm dans le plan de ce joint en biseau L adhésif utilisé est une colle époxydique connue sous le nom de "EPONAL 317". monocomposant et polymérisée à 20 C. Les subjectiles. c'est à dire les faces 2a .3a des substrats 2.3 qui sont en contact avec l'adhésif du joint 4 ont subi. avant d'être collés. les traitements mécanique et chimique adéquats de façon que leurs états de surface soient optimaux. Notamment chaque subjectile a de préférence une rugosité Rt de 7 micromètres de l'ordre de grandeur des charges minérales contenues dans l'adhésif.therefore parallel to each other. These faces or "substrates" are separated from each other by the thickness ej of the adhesive joint which in this case is 0.5mm and this joint extends over a length 1 of 18mm in the plane of this joint in bevel The adhesive used is an epoxy adhesive known as "EPONAL 317". monocomponent and polymerized at 20 C. Substrates. that is to say the faces 2a .3a of the substrates 2.3 which are in contact with the adhesive of the joint 4 have undergone. before being glued. adequate mechanical and chemical treatments so that their surface conditions are optimal. In particular, each substrate preferably has a roughness Rt of 7 micrometers of the order of magnitude of the mineral fillers contained in the adhesive.

Pour les essais on a équipé des fa ces latérales coplanaires 2b.3b des substrats dans lesquelles débouche le joint adhésif 4. de jauges électriques d extensométrie #l.J2,#3 JIl Ces jauges sont du type SCHENK. HBM. 4 120 KYlî autocompensées en température pour l'acier XC 18. à trame pelliculaire. On a soumis ensuite chaque corps d'é preuve à une étude sur une machine de traction AMSLER. For the tests, the coplanar side faces 2b.3b were equipped with substrates into which the adhesive seal 4 opens. With electrical strain gauges # 1.J2, # 3 JII These gauges are of the SCHENK type. HBM. 4 120 KYlî temperature-compensated for XC 18 steel with film weft. Each body of evidence was then subjected to a study on an AMSLER traction machine.

Les différentes jauges d'extensométrie Jl,J2.J3..JIl sous forme de chainette sont réparties à distance les unes des autres sur les faces latérales 2b 3b des substrats 2.3. The various strain gauges Jl, J2.J3..JIl in the form of a chain are distributed at a distance from each other on the lateral faces 2b 3b of the substrates 2.3.

la première jauge J1 étant située à une distance x= 2,5mm du plan transversal P passant par l'origine 0 ou première ex trémité du joint adhésif 4. prise comme étant l'arête de raccordment des deux faces 3a,3h du substrat 3. Les jauges
J2 J3. - .J7 ont été appliquées successivement dans cet ordre sur la face 3b du substrat 3. avec un entr axe constant de 4mm. La jauge J7 qui est la plus éloignée de 1 origine 0 du joint est située au-delà du plan transversal P1 passant par la seconde extrémité du joint adhésif 4 Les autres jauges J8.J9,JIO.JI1 sont elles situées sur 1R face 2b du substrat 2. L'entr'axe entre les jauges J8 et Jl est de 4mm de même que les entraxes entre les jauges J8 39 et 39 J10
L'entr axe entre les dernières jauges 510-511 est de 8 ,Smm
Toutes les jauges d extensométrie Jl-Jll ont été reliées à un appareil d'extensométrie VISHAY 4000 muni d'un logiciel d'acquisition et de traitement des résultats et plus parti culièrement pour l'acquisition des déformations relatives et le tracé des courbes F = f f (t étant la déformation et F l'effort de traction.
the first gauge J1 being located at a distance x = 2.5mm from the transverse plane P passing through the origin 0 or first end of the adhesive joint 4. taken as being the connection edge of the two faces 3a, 3h of the substrate 3 The gauges
D2 D3. - .J7 were applied successively in this order to the face 3b of the substrate 3. with a constant axis entry of 4mm. The gauge J7 which is the farthest from the origin 0 of the seal is located beyond the transverse plane P1 passing through the second end of the adhesive seal 4 The other gauges J8.J9, JIO.JI1 are they located on 1R face 2b of the substrate 2. The distance between the gauges J8 and Jl is 4mm as well as the spacing between the gauges J8 39 and 39 J10
The center distance between the last 510-511 gauges is 8, Smm
All Jl-Jll extensometry gauges were connected to a VISHAY 4000 extensometry device equipped with software for acquisition and processing of results and more particularly for the acquisition of relative deformations and the plotting of curves F = ff (t being the deformation and F the tensile force.

Le procédé suivant l'invention consiste à appliquer au corps d'épreuve 1 un effort F variant périodiquement de la manière illustrée sur la figure 2 d'une façon sinusoldale ou sensiblement sinusoidale.Dans l'exemple d'applica tion particulier décrit cet effor est un effort de traction longitudinal mais on pourrait utiliser d'autres types de sollicitation notamment en torsion. flexion. etc. Le procédé a été appliqué avec une fréquence de 30 hertz mais on pourrait utiliser une fréquence supérieure pour raccour cir la durée des essais. La variation de l'effort de traction F peut être du type ondulation; c est à-dire que cet effort reste toujours positif ou orienté dans le même sens. The method according to the invention consists in applying to the test body 1 a force F varying periodically as illustrated in FIG. 2 in a sinusoidal or substantially sinusoidal manner. In the example of particular application described this effort is a longitudinal tensile force but other types of stress could be used, in particular in torsion. bending. etc. The method was applied with a frequency of 30 hertz but a higher frequency could be used to shorten the duration of the tests. The variation in the tensile force F can be of the ripple type; that is to say, this effort always remains positive or oriented in the same direction.

ou bien encore il peut être à variation alternée avec une partie du cycle exercée en compression. Au cours d une même période la valeur de l'effort F passe deux fois par la même valeur. Aux points al et bl on a des efforts égaux Fal =Fbl et de même Fa2 =Fb2 aux points a2 et b2.or alternatively it can be of alternating variation with part of the cycle exerted in compression. During the same period, the value of the force F passes twice through the same value. At points al and bl we have equal forces Fal = Fbl and similarly Fa2 = Fb2 at points a2 and b2.

Dans la forme d'exécution non limitative illustrée par le diagramme de la figure 2 l'effort de traction F varie entre une valeur maximale Fmax de 150 daN et une valeur minimale Fmin voisine de zéro. La valeur maximale Fmax de l'effort de tracticn est choisie toujours inférieure à la valeur FD correspondant au seuil d apparition de la première amorce de microfissure. Autrement dit le procédé doit être mis en oeuvre en restant toujours dans le domaine élastique global de l'assemblage. In the non-limiting embodiment illustrated by the diagram in FIG. 2, the tensile force F varies between a maximum value Fmax of 150 daN and a minimum value Fmin close to zero. The maximum value Fmax of the tensile force is chosen always lower than the value FD corresponding to the threshold of appearance of the first primer of microcrack. In other words, the method must be implemented while always remaining in the overall elastic range of the assembly.

Divers essais ont été effectués avec des corps d é preuve collés I du type précité, en faisant varier d'une part la valeur maximale Fmax de l'effort de traction pé riodique et d'autre part le nombre de cycles de fatigue appliqués à un corps d'épreuve ayant un seuil d amorçage des microfissures FD allant de 150 à 200daN. Un tel corps d'é- preuve. non traité par le procédé de fatigue suivant l'invention, a présenté une résistance à la rupture en traction linéaire monotone, de 4100 N.Un même corps d'épreuve a par contre présenté une résistance à la rupture FR de 4300N après avoir été soumis à 7.105 cycles avec une valeur maximale de l'effort Fmax de 100daN et une résistance de rup ture de 4700N. après le même nombre de cycles. pour une valeur de Fmax de l20daN. On obtient par conséquent un accroissement sensible de la résistance à la rupture. après un même nombre de cycles de fatigue. cette résistance à la rupture augmentant avec la valeur de Fmax.  Various tests have been carried out with glued test bodies I of the aforementioned type, by varying on the one hand the maximum value Fmax of the periodic tensile force and on the other hand the number of fatigue cycles applied to a test body having a starting threshold for FD microcracks ranging from 150 to 200 daN. Such a body of evidence. not treated by the fatigue process according to the invention, exhibited a tensile resistance in monotonic linear traction, of 4100 N. The same test body, on the other hand, exhibited a tensile strength FR of 4300N after having been subjected at 7.105 cycles with a maximum value of the force Fmax of 100daN and a rupture resistance of 4700N. after the same number of cycles. for a value of Fmax of l20daN. A substantial increase in breaking strength is therefore obtained. after the same number of fatigue cycles. this breaking strength increasing with the value of Fmax.

La résistance à la rupture augmente également dans une certaine mesure si on augmente le nombre de cycles de fatigue appliqués au corps d'épreuve 1. En effet cette résistance à la rupture FR qui, pour une valeur Fmax de 100daN. est de 4300N après 7,105 cycles. se trouve être portée à 4700N après 2.106 cycles, pour une même valeur
Fmax de lOOdaN.
The breaking strength also increases to a certain extent if the number of fatigue cycles applied to the test body is increased 1. Indeed, this breaking strength FR which, for a value Fmax of 100daN. is 4300N after 7.105 cycles. happens to be brought to 4700N after 2.106 cycles, for the same value
Fmax of lOOdaN.

Cette propriété est observée pour un adhésif du type bicomposant de comportement fragile et à comportement vis co-éiastique peu marqué. This property is observed for an adhesive of the bicomponent type of fragile behavior and with weak co-elastic screw behavior.

La figure 3 illustre- l'influence du procédé suivant 1 invention sur la contrainte de cisaillement au voisinage de l extrémité du joint 4. Si on trace la courbe donnant la variation de la contrainte de cisaillement # en fonction de la distance x par rapport à 1 extrémité O du joint comme il est représenté sur la figure 3 on voit que cette contrainte de cisaillement a une valeur maximale =m an un point A proche de ltextrémité 0 du joint.Le procédé suivant l'invention, consistant à soumettre le joint à un effort d'intensité variant périodiquement. permet de transformer localement les parties extrêmes du joint qui deviennent moins fragiles en se plastifiant, tout en restant élastiques On constate en effet que plus le nombre de cycles de fatigue augmente. plus le pic correspondant au cisaillement maximal < Fm se déplace vers le bord et plus il diminue de valeur. Ceci est illustré par les points B.C qui correspondent à des nombres de cycles de fatigue respectifs nl et n2 différents n2 étant supérieur à nl. après lesquels on ob tient des valeurs du cisaillement maximal respectives ml et
m2 allant en diminuant.
FIG. 3 illustrates the influence of the method according to 1 invention on the shear stress in the vicinity of the end of the joint 4. If the curve giving the variation of the shear stress # is plotted as a function of the distance x with respect to 1 end O of the joint as shown in FIG. 3 we see that this shear stress has a maximum value = m at a point A close to the end 0 of the joint. The method according to the invention, consisting in subjecting the joint to an effort of intensity varying periodically. allows the end parts of the joint to be transformed locally, which become less fragile by plasticizing, while remaining elastic. It is indeed observed that the more the number of fatigue cycles increases. the more the peak corresponding to the maximum shear <Fm moves towards the edge and the more it decreases in value. This is illustrated by the points BC which correspond to numbers of respective fatigue cycles nl and n2 different n2 being greater than nl. after which the respective maximum shear values ml and
m2 decreasing.

Autrement dit on constate. par la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention, le déplacement de la déformation maximale vers l'extrémité du joint adhésif 4, ainsi qu'une diminution de la valeur du cisaillement maximal. In other words, we see. by implementing the method according to the invention, the displacement of the maximum deformation towards the end of the adhesive joint 4, as well as a reduction in the value of the maximum shear.

Globalement les déformations sont plus faibles b contraintes extérieures égales. Toutes les contraintes internes sont mieux réparties dans la masse du joint adhésif 4 On consta te de ce fait une amélioration de la résistance à la traction si on réalise les essais de traction après le traite ment
Ce glissement du pic de la contrainte de cisaillement vers l'extrémité du joint est également mis en évidence par les diagrammes des figures 4 et 5.Ces diagrammes repré sentent la variation de la déformation superficielle repré sentée en abscisse exprimée en micromètres par mètre en fonction de l'effort exercé F porté en ordonnée. exprimé an décanewtons. Les courbes illustrées sur le diagramme de la figure 4 sont celles qui ont été relevées par la première jauge J1 qui est la plus proche de l'extrémité 0 du joint adhésif 4 (distance entre l'extrémité ou origine O et l'axe de la jauge : 2.5mm). Les courbes jl-l,jl-2.jl 3,jl 4.jl 5 et jl 6 correspondent respectivement aux résultats obtenus après des nombres de cycles de fatigue égaux à O autrement dit à 1' état brut après collage. 27000.540OO.lO8ODO.l62000 et 216000. Les courbes j2-l,j2-2,j2-3,j2-.4,j2-5 et j2-6 correspondent à ces mêmes mesuras, effectuées après les mêmes nombres de cycles de fatigue à l'endroit de la jauge suivante 32 située 4 millimètres plus loin , c'est-à-dire à une distance x de 6.5 millimètres de 1' extrémité 0 du joint. On voit, d'après ces diagrammes. que le glissement DU déplacement du pic de la contrainte de cisaillement devient de plus en plus petit, lorsque l'on s'éloiqne du bord libre.
Overall the strains are weaker b equal external stresses. All the internal stresses are better distributed in the mass of the adhesive joint 4 An improvement in tensile strength is therefore observed if the tensile tests are carried out after treatment.
This sliding of the peak of the shear stress towards the end of the joint is also highlighted by the diagrams of FIGS. 4 and 5. These diagrams represent the variation of the surface deformation represented on the abscissa expressed in micrometers per meter in function of the force exerted F carried on the ordinate. expressed in decanewtons. The curves illustrated in the diagram in FIG. 4 are those which have been noted by the first gauge J1 which is closest to the end 0 of the adhesive seal 4 (distance between the end or origin O and the axis of the gauge: 2.5mm). The curves jl-l, jl-2.jl 3, jl 4.jl 5 and jl 6 correspond respectively to the results obtained after numbers of fatigue cycles equal to O in other words in the raw state after bonding. 27000.540OO.lO8ODO.l62000 and 216000. The curves j2-l, j2-2, j2-3, j2-.4, j2-5 and j2-6 correspond to these same measurements, performed after the same numbers of fatigue cycles at the location of the next gauge 32 located 4 millimeters away, that is to say at a distance x of 6.5 millimeters from the end 0 of the joint. We can see from these diagrams. that the slip DU displacement of the peak of the shear stress becomes smaller and smaller, when one moves away from the free edge.

c'est dire de l'extrémité O du joint et par conséquent la contrainte devient de plus en plus homogène le long du recouvrement.  that is to say from the end O of the joint and consequently the stress becomes more and more homogeneous along the overlap.

Claims (3)

REVENDICATIONS 1.-Procédé pour augmenter la résistance mécanique à la formation de microfissures dans un joint adhésif structural entre deux pièces ou dans une masse de multimatérisu constitué par un agglomérat ou un agrégat de particulessolides assemblées par un liant. tel que, notamment. micromortier, mortier et béton. caractérisé en ce qu on soumet le joint adhésif (4) à un effort variant périodiquement et d'intensité maximale inférieure au seuil d'amorçage des microfissures. c'est-à-dire en restant toujours dans le domaine élastique global de l'assemblage. 1.-Method for increasing the mechanical resistance to the formation of microcracks in a structural adhesive joint between two parts or in a mass of multimaterial consisting of an agglomerate or an aggregate of solid particles assembled by a binder. such as, in particular. micro mortar, mortar and concrete. characterized in that the adhesive seal (4) is subjected to a force varying periodically and of maximum intensity lower than the initiation threshold of the microcracks. that is to say, always remaining in the overall elastic range of the assembly. 2.- Procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce qu'on fait varier périodiquement l'effort à une fréquence de l'ordre de 30Hz ou supérieure. 2.- Method according to claim 1 characterized in that the effort is varied periodically at a frequency of the order of 30Hz or higher. 3.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'on fait varier 1 'ef- fort suivant un cycle sinusoldal ou sensiblement sinusoldal.  3.- Method according to any one of the preceding claims, characterized in that one varies the force according to a sinusoldal or substantially sinusoldal cycle.
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