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BFUP De la théorie à la pratique

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BFUP De la théorie à la pratique

La salle de cinéma « les Enfants du paradis » à Chartres (28) a été enveloppée dans une résille filiforme, décalée de 3 m par rapport à l’édifice. Les brins des 68 panneaux de 50 mm de section, sont en BSI Ceracem, avec fibres métalliques et teintés en noir par addition de colorant. (Doc. Rudy Ricciotti Architecte.)

Les propriétés exceptionnelles des BFUP ou BFUHP (Bétons fibrés à ultrahaute performance) s’expliquent par la forte compacité d’un matériau constitué de granulats très fins et renforcé de fibres métalliques.

Passerelles, ponts, dallages, résilles,toitures, sculptures, ou bardages, les BFUP sont exploités avec succès, aussi bien pour des applications exigeantes structurellement, souvent dans des environnements corrosifs, que pour des réalisations esthétiques.

Le secret de leurs performances s’explique par une matrice cimentaire composée d’un granulat très fin avec un fort dosage en liant, qui donne un matériau dense et compact renforcé par des fibres. Ainsi, leur résistance, tant en compression qu’en traction directe et par flexion, est bien supérieure à celle d’un béton ordinaire. Pouvoir s’affranchir des armatures classiques de béton armé ouvre l’éventail des possibilités avec la réalisation de pièces en BFUP minces, légères, aux formes courbes, perforées ou ajourées.Le frein principal au développement des BFUP demeure leur coût élevé de mise en œuvre par rapport aux bétons courants. Le caractère innovant d’un nouveau projet doit être évalué rapidement, afin de déterminer les surcoûts éventuels, recours à un BE spécialisé, demande d’Atex, essais de convenance... La manutention et la mise en œuvre ne sont, en revanche, pas les étapes les plus coûteuses, dans le cas où les éléments sont livrés préfabriqués sur le chantier, en grandes dimensions.Plusieurs précautions doivent néanmoins être prises lors d’une pose qui nécessite souvent un outil de levage, où la géométrie des éléments doit être contrôlée lors des opérations d’assemblage. Et une attention doit être portée à leur prise au vent lors de leur pose à la grue. Un gros travail de conception des joints, ainsi que des assemblages est aussi à prévoir, afin de garantir des performances cohérentes avec celles des composants. Après sa pose, ce béton souvent laissé apparent est particulièrement durable et ne nécessite aucun entretien.

Un dimensionnement complexe

Béton hybride, le BFUP s’avère difficile à dimensionner correctement. Si le matériau est fabriqué à partir d’un Pre-Mix, le fournisseur délivre des lois de comportement type avec la fiche d’identité. Pour l’analyse des efforts, plusieurs types de composants sont classiquement distingués, plaques minces ou épaisses, poutres, voiles, coques... Un des sujets est d’anticiper et de maîtriser l’orientation des fibres, garant de la résistance postfissuration.

La réduction d’épaisseur avec un coulage en couche mince favorise l’orientation des fibres et augmente la résistance du matériau, ce que souligne Thierry Thibaux, directeur technique chez Eiffage TP : « Si un BFUP est dosé à 200 kg de fibres acier par mètre cube et coulé en grande masse, ce fibrage est équivalent à une densité d’armatures conventionnelles de 80 kg/m3. Lorsque le BFUP est coulé en couche mince, l’effet favorable d’orientation des fibres le long des parois porte l’équivalence à 120 kg d’armatures/m3 ».Les opérations de manutention peuvent aussi être dimensionnantes dans le cas de pièces élancées et de grandes dimensions, en jouant un rôle limitatif sur les dimensions des pièces préfabriquées. Enfin, dans certaines réalisations structurelles, il peut être utile d’armer le BFUP, afin d’optimiser le rapport résistance et économie de matières.

Certes, les calculs de dimensionnement commencent à être bien connus dans les cas simples, qui peuvent être soit l’absence de contraintes structurelles (résille, bardage, toiture...), soit une utilisation de composants de forme simple (plaques ou poteaux), ou industrialisés. Dans le cas de projets plus complexes ou pour les grands chantiers, le dimensionnement peut obliger le BE associé au projet à se tourner vers un confrère spécialisé sur le sujet. Comme les BFUP sortent de la réglementation, la référence est un guide de recommandations établi en 2002 par l’AFGC (Association française de génie civil), en partenariat avec le Setra (Service d’études techniques des routes et autoroutes). La réactualisation de ce guide dans l’esprit des Eurocodes est pratiquement finalisée.

Une des recommandations importantes de l’AFGC est de valider les processus de mise en œuvre par des épreuves de convenance et des carottages sur un élément témoin, en l’absence de références ou de processus de production industrialisé. Ces tests servent, entre autres, à déduire un coefficient noté K qui pondère les lois de comportement théoriques utilisées dans le calcul du dimensionnement. Ce coefficient de sécurité sur la répartition et orientation des fibres est une des indispensables particularités du calcul des BFUP.

Une offre logicielle parcellaire

Complexes à dimensionner, les bétons demeurent réservés à un marché de niche. Les logiciels du marché sont encore rares. Le seul code de calculs existant dans le commerce est Sofistik, capable d’analyser des phénomènes complexes non-linéaires, souvent inabordables sans calcul itératif. Un module Ductal a été développé par cet éditeur en collaboration avec C&E Ingénierie et Lafarge. À partir de plans Autocad, il permet de répartir les contraintes, y compris dans certains cas de BFUP armé, qui peut être utile pour arriver à un compromis résistance et économie de matières. Chez Autodesk, il n’existe pas de module proprement dit pour le béton fibré, mais leur logiciel Robot d’analyse de structures possède une extension de calculs RDM sous forme de surcouche Excel, nommée Spread Sheet Calculator. « Une de ces feuilles permet de dimensionner un dallage en béton fibré, explique Emmanuel Lagardette, responsable avant-ventes Robot chez Autodesk. L’utilisateur entre une contrainte admissible et va demander au constructeur de lui fournir la densité de fibres métalliques ou synthétiques qui correspond. »

Une formulation (presque)à la demande

Une caractéristique de ces bétons ultra-performants réside dans leur faible rapport eau sur liant qui se situe entre 0,15 et 0,2 contre 0,4 à 0,6 pour le béton ordinaire. L’emploi d’adjuvants dosés entre 0,5 et 2 % du liant permet de retrouver une rhéologie adéquate. Ces plastifiants réducteurs d’eau et super-plastifiants fluidifiants défloculent les grains de ciment.

Du fait de sa compacité et de sa faible teneur en eau, le BFUP présente un fluage (déformations sous charges permanentes) très fortement réduit et un retrait de dessiccation presque nul. En revanche, son retrait endogène est supérieur à celui des bétons classiques. Cette quasi-absence de déformations différées, qui peut être améliorée par traitement thermique après prise, facilite la conception d’ouvrages précontraints pouvant franchir de grandes portées. Quant au dosage des fibres utilisées en renfort, il est classiquement de 2 à 3 %, atteignant parfois 4 %. Des dosages plus extrêmes ont déjà été mis en œuvre sur chantiers avec des bétons peu fibrés (à moins de 1 %) pour des pièces mixtes, BFUP et acier par exemple, ou à l’inverse le LCPC a expérimenté des bétons très fibrés avec un dosage de 10 ou 11 %.

La nature des fibres employées est fondamentale. Les applications structurelles nécessitent des bétons avec des fibres métalliques et peuvent parfois se contenter d’un granulat plus grossier. Les produits avec des fibres minérales, organiques ou synthétiques, sont réservés aux applications esthétiques, moins sollicitées mécaniquement.

L’absence de fibres métalliques et de traces d’oxydation liée à la présence de fibres à la surface des parements, donne aussi accès à une palette de couleurs plus large, à partir d’une base blanche. Mais l’incorporation de pigmentation dans le liant, fait chuter la résistance du matériau. Des éléments architectoniques, comme des résilles ou des bardages, sont parfois renforcés avec des fibres métalliques, afin d’être capables de reprendre des efforts au niveau des fixations, ainsi que les sollicitations dues au vent.Un autre sujet est la résistance au feu. Classés M0, les BFUP ne transmettent pas la chaleur. Le risque en cas d’incendie vient de la surpression qui se produit dans ces bétons très denses et peu perméables, qui peut conduire à un écaillage très important, voire explosif avec un éclatement du matériau. La solution pour respecter les spécifications réglementaires ISO de résistance au feu est d’incorporer au mélange2 à 3 kg de fibres en polypropylène par mètre cube. Ces fibres fondent à une température relativement basse vers 160 °C et se vaporisent à 340 °C. La création d’un réseau de microcapillaires augmente la perméabilité à l’origine très faible du matériau et permet le cheminement de la vapeur d’eau vers l’extérieur.

Des moules de haute qualité

La consistance généralement fluide des BFUP permet le coulage de pièces de géométries complexes, ou avec des parois de faible épaisseur, ainsi qu’un remplissage aisé des coffrages et des moules. Contrairement au béton ordinaire, les arêtes sont à proscrire pour les coffrages. La confection des moules se fait avec chanfrein et des angles arrondis, afin d’éviter de provoquer des amalgames de fibres dans des zones trop resserrées. Pour les formulations comportant des fibres métalliques, le moule doit impérativement être rigide.Avec les fibres organiques, le choix de la matière des moules est plus large. Ils peuvent être rigides (bois, métalliques) ou en matériaux de synthèse, silicone ou élastomère. Le coffrage en plastique ou polystyrène peut être découpé automatiquement, afin d’obtenir la forme tridimensionnelle désirée. Un moule souple peut encaisser les déformations liées à ce retrait, mais sa dureté doit être élevée (60 Shore A) du fait du pouvoir abrasif du BFUP. La fluidité du béton et la finesse de ses grains demandent à ce que le moule soit parfaitement étanche, propre et en bon état car le moindre défaut est visible. La haute précision du moulage assure un produit sans aspérités, utilisable en apparent. La reproduction de motifs très fins à partir de détails très précis de la microtexture du coffrage (ou du moule) est exploitée pour créer des reliefs, ou des dessins, sur les surfaces brutes du béton. Du fait de la faible teneur en eau du béton et du retrait endogène important qui en résulte, la cure est importante, via par exemple, une brumisation d’eau à la surface.

Un coulage maîtrisé

Le malaxage du Pre-Mix doit respecter certaines règles et une série d’étapes, malaxage à sec, pour homogénéiser, puis mélange des constituants liquides. Enfin, nouveau malaxage plus court après l’addition de fibres. La maîtrise du rapport eau sur ciment, inférieur à celui nécessaire pour l’hydratation du ciment, est indispensable. La réserve de ciment anhydre des BFUP leur donne leur durabilité, du fait de cette capacité potentielle d’autocicatrisation en cas de fissuration. « Mais cela nécessite d’avoir de bons réflexes. Par exemple, en béton classique, de l’eau est ajoutée pour fluidifier. Avec le BFUP, il ne faut pas ajouter d’eau en fin de gâchage, mais de l’adjuvant », confie Laurence Jacques, directrice Ductal France-BeLux chez Lafarge.Aucun ajout d’adjuvant ou d’eau n’est autorisé après la fabrication du béton. Lors du coulage, le caractère autoplaçant du béton fait qu’il ne nécessite généralement pas de vibrations. Afin d’éviter les chocs thermiques et de limiter les gradients lors de la prise, toute une série de précautions doit être prise, dont un coulage en continu et une hauteur de chute inférieure à 50 cm.

Si la préfabrication est recommandée, les BFUP peuvent aussi être coulés sur chantier. La résistance du béton obtenu étant fonction de l’homogénéité de l’orientation des fibres, il faut définir en amont la méthode utilisée pour le couler, afin d’éviter la formation de fronts de matière et l’apparition de bouchons. Les fibres présentent une tendance à s’orienter dans le sens de l’écoulement, parfois dans le sens de la gravité. Il faut aussi veiller aux points singuliers lors du coulage pouvant fragiliser localement l’élément, comme par exemple l’intégration de douilles destinées aux attaches. « Pour l’étude du coulage de pièces particulièrement complexes, Lafarge a mis au point un fluide modèle qui présente une viscosité similaire au Ductal, à une échelle réduite, précise Laurence Jacques. Cela permet de faire des tests dans des moules Plexiglas à échelle réduite et de décider, par exemple, de la nécessité ou non d’une injection. »

Un traitement et une protection

Plusieurs heures après la fin du décoffrage, un cycle de traitement thermique peut être appliqué au béton s’il est préfabriqué. Cette opération est à distinguer de l’étuvage vers 65 °C réalisé à des fins de rotations de coffrage plus rapides. La pièce est soumise à une température d’environ 90 °C avec un degré d’humidité proche de la saturation, pendant une durée variant d’un à trois jours. Ce traitement accélère la maturation du matériau, en lui conférant plusrapidement une stabilité dimensionnelle.

Les performances sont aussi améliorées, avec une réduction de la porosité entraînant une durabilité accrue, des résistances mécaniques plus élevées, un risque moindre de fissuration par retrait...Le fort dosage en liant des BFUP et leur granulométrie très fine, leur donnent une porosité capillaire très faible, d’environ 3 % contre 15 % pour un béton ordinaire et non-interconnecté. Cela leur garantit une étanchéité à l’air et à l’eau dix fois supérieure à celle d’un béton ordinaire, associée à une faible perméabilité à l’oxygène ou aux ions chlorures. « En revanche, cette absence de porosité transversale les rend sensibles aux produits tachants, contrairement au béton normal, met en garde Laurence Jacques. Ils sont difficiles à nettoyer, comme l’eau ne diffuse pas. En revanche, cette propriété est exploitée pour faire un béton imprimé, de manière durable. » La solution est de les protéger en surface avec un hydrofuge (comme une couche de polyuréthanne ) garantissant aussi une protection parfaite des fibres. Sur la surface du béton peut aussi être appliquée une protection antigraffiti ou une lasure légèrement teintée, si l’architecte souhaite uniformiser les légères variations de teinte des éléments bruts.  

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