Décryptage CONCEPTION Structures en béton de fibres métalliques (2de partie)

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Décryptage CONCEPTION Structures en béton de fibres métalliques (2de partie)

Schéma 3 Schéma du comportement en traction d’un morceau de béton soumis à un effort de traction.

Faisant suite à la présentation des BFM (1), cet article met l’accent sur la mise en œuvre de ces fibres qui peuvent être combinées ou non à une armature. Il met en exergue les différentes applications des BFM, les méthodes d’essais à employer selon leur composition et le type de fibre à sélectionner selon l’action attendue. 33.1 Les structures ou éléments structuraux fortement hyperstatiques 33.2 Les structures mixtesen béton armé et fibres 33.3 Les structures précontraintes fibrées sans armatures passives 33.4 Les structures à renforcement techniquement difficile

1. Méthodes de dimensionnement

Dimensionner une structure en BFM ou une structure mixte armatures-fibres ne pose aujourd’hui aucun problème particulier. Parfaitement opérationnelles et couramment utilisées, des recommandations nationales (2) portant sur l’utilisation des BFM remédient à l’absence de réglementation, en France comme à l’étranger.

L’ensemble de ces recommandations est fondé sur l’équilibre d’une section fissurée(3) et la connaissance du comportement contrainte-ouverture de fissure en traction directe du BFM. Ce comportement peut être obtenu, soit directement à partir d’essais de traction, soit indirectement à partir d’essais de flexion.

Parallèlement à ces recommandations fondées sur une approche simplifiée, il existe des modèles numériques utilisant les éléments finis, qui prennent en compte le comportement non-linéaire des BFM et notamment, leur comportement post-fissuration. Il est recommandé d’utiliser ces modèles plus sophistiqués, quand il s’agit de dimensionner une structure dont le comportement est très hyperstatique. En effet, dans ce cas, les approches simplifiées des recommandations conduisent à un surdimensionnement important de la structure, dont le coût est artificiellement élevé et au non-respect de l’esprit qui prévaut dans une approche de développement durable.

2. Une grande durabilité à la corrosion

Contrairement aux idées reçues, les BFM sont beaucoup plus durables que le béton armé vis-à-vis des phénomènes de corrosion. L’analyse de la corrosion des fibres métalliques et de ses conséquences considère les fibres affleurant en surface et les fibres traversant une fissure. Les premières engendrent des désagréments esthétiques, les secondes sont sujettes à désordres structurels.

Normalement, le béton assure la protection des fibres vis-à-vis de la corrosion. Sa capacité à protéger les fibres dépend principalement de sa compacité, c’est-à-dire de la porosité de sa structure et de l’épaisseur d’enrobage des fibres. Ainsi, l’ajout de fibres dans le béton doit s’accompagner de la modification de son squelette granulaire: augmentation de la quantité de ciment et du rapport sable/granulats quand le pourcentage de fibres croît. Ces deux modifications concourent à produire un BFM le plus compact possible, dans lequel les fibres sont enrobées de manière satisfaisante, sans se toucher. Ainsi, la corrosion ne concerne que les fibres métalliques proches de la surface d’un BFM. Elle se traduit alors par des salissures de rouille à la surface des parements des structures. Ce problème esthétique peut être quasiment résolu en utilisant un BFM autoplaçant, des fibres métalliques traitées pour résister à la corrosion (fibres en acier galvanisé ou inoxydable) ou des coffrages non-métalliques(4) ou revêtus d’un tissu synthétique.

A contrario, lorsqu’une fibre traverse une fissure débouchant en surface, des conséquences mécaniques sont à craindre. Pour des ouvertures de fissure inférieures ou égales à 100 ?m, seuil à ne pas dépasser pour les structures soumises à un environnement très agressif, les fibres métalliques ne subissent pas de corrosion conduisant à la diminution des caractéristiques mécaniques des BFM. Or, les règles de dimensionnement des structures conduisent à éviter des ouvertures de fissures supérieures à ce seuil de 100 ?m, quand ces structures sont soumises à un environnement très agressif.

3. Applications industrielles

Les propriétés des BFM se révèlent particulièrement intéressantes pour le dimensionnement et la construction de structures porteuses. Les BFM fortement dosés en fibres sont plus performants que le béton armé vis-à-vis du fonctionnement en service des structures. Ils sont aussi très efficaces quand le processus de fissuration de la structure se traduit par un grand nombre de macrofissures de faible ouverture(5) avant l’apparition du mécanisme de ruine. De plus, la corrosion des fibres ne s’accompagne jamais de l’éclatement du béton, contrairement à la corrosion des armatures de béton armé. Enfin, faciles de mise en œuvre, les BFM sont très sensibles au degré d’hyperstaticité de la structure dans laquelle ils sont utilisés : plus la structure est hyperstatique, meilleur est le comportement en traction du BFM.

Les BFM présentent toutefois des points sensibles qui exigent des précautions lors de leur utilisation :

– l’hétérogénéité de la distribution spatiale des fibres induit l’hétérogénéité spatiale des caractéristiques mécaniques du BFM dans la structure ;

– une orientation liée à la méthode de mise en œuvre du BFM, de la géométrie et des dimensions de la structure ;

– une sensibilité aux effets d’échelle vis-à-vis du comportement à la rupture : en effet, à la rupture, les ouvertures de fissure sont liées aux dimensions de la structure (effet géométrique) ; or, les fibres métalliques couramment utilisées ont une efficacité mécanique importante pour des ouvertures qui n’excèdent pas le millimètre. En conséquence, plus une structure est grande, plus sa capacité portante potentielle (capacité portante/inertie) et sa ductilité sont faibles.

C’est pourquoi différents types d’applications structurelles des BFM fortement dosés en fibres ont été définis.

3.1 Les structures ou éléments structuraux fortement hyperstatiques

Sont concernés : les dallages industriels, les tuyaux de canalisation, le béton projeté de réparation. Ces applications industrielles, qui constituent le plus gros du marché actuel des BFM, nécessitent des BFM dont le dosage en fibres est inférieur à 50 kg/m3. Fortement dosés en fibres, les BFM pourraient étendre ces domaines d’application aux tuyaux en BFM résistant à de hautes pressions, aux radiers reprenant des efforts importants et aux revêtements définitifs de tunnel.

3.2 Les structures mixtes en béton armé et fibres

Dans le cas d’une structure soumise à des efforts de flexion importants et pour laquelle le dimensionnement à l’état limite ultime (grandes ouvertures de fissure) est prépondérant, l’efficacité mécanique des fibres métalliques est inférieure à celle obtenue par des armatures positionnées de manière optimale vis-à-vis des fissures de flexion. En fait, les fibres sont intéressantes pour remplacer les armatures complexes à mettre en œuvre (main-d’œuvre importante) et dont l’efficacité mécanique n’est pas à la mesure des sollicitations appliquées.

Ainsi, les BFM peuvent-ils ainsi reprendre les efforts dus aux sollicitations secondaires, comme le cisaillement ou le poinçonnement. Les fibres métalliques peuvent alors remplacer tout ou partie des armatures secondaires (cadres d’effort tranchant, aciers de confinement, etc.).

La structure mixte armatures-fibres présente d’autres points intéressants :

– l’homogénéité obtenue avec un BFM permet de mettre en place des armatures de flexion d’un diamètre supérieur (6) et de diminuer ainsi, dans certains cas, les coûts de main-d’œuvre ;

– dans son fonctionnement en service, une structure mixte armatures-fibres présente des ouvertures de fissure nettement moindres que celles d’une structure en béton armé classique. Ce qui augmente sa durée de vie ;

– la synergie entre les fibres et les armatures améliore la liaison béton-armature. D’où un meilleur comportement sous sollicitation de fatigue répétée de la structure mixte, comparé à celui d’une structure classique en béton armé ;

– la suppression totale ou importante des cadres d’effort tranchant permet « d’évider » l’âme d’une poutre ou la zone d’effort tranchant ; outre le gain en poids et en coût de matière, ces « évidements » peuvent être utilisés pour faire passer des gaines techniques.

Optimiser l’efficacité mécanique du couple fibres-armatures nécessite de repenser la stratégie globale du renfort d’une section. En effet, le fait que les fibres ont une action sur la reprise des moments de flexion permet de faire remonter les armatures de flexion dans la section, les éloignant ainsi de la surface. Ce choix technique accroît la protection des armatures et la durée de vie de la structure, en faisant davantage participer les aciers de flexion à la reprise de l’effort tranchant.

L’utilisation des fibres métalliques dans les structures en béton armé n’a pas que des aspects positifs : en effet, notamment vis-à-vis du comportement sous effort tranchant et pour des raisons géométriques, les fibres métalliques sont beaucoup moins efficaces quand la hauteur ou l’épaisseur de la structure augmente (7).

C’est un effet d’échelle important qui limite la hauteur de la structure pour laquelle les fibres sont efficaces à moins d’un mètre.

3.3 Les structures précontraintes fibrées sans armatures passives

On retrouve la plupart des aspects positifs signalés ci-dessus vis-à-vis du béton armé.

La différence la plus importante par rapport au béton armé réside dans le nombre et l’ouverture des fissures d’effort tranchant. Pour un effort tranchant identique, les structures en béton précontraint présentent toujours un plus grand nombre de fissures, plus ou moins ouvertes, que les structures en béton armé. Cette caractéristique conduit à des effets d’échelle beaucoup plus faibles dans les structures en béton précontraint fibré que dans les structures en béton armé fibré.

L’efficacité mécanique des fibres dans le remplacement des cadres d’effort tranchant étant nettement moins sensible aux effets d’échelle, la gamme de hauteur des poutres et des dalles pour laquelle les fibres sont performantes est donc beaucoup plus étendue pour les structures précontraintes fibrées.

En conclusion, l’association de la précontrainte et des fibres métalliques est sûrement la plus pertinente du point de vue mécanique.

3.4 Les structures à renforcement techniquement difficile

Entrent dans cette catégorie, de manière non-exhaustive : les structures très fortement armées car subissant des sollicitations importantes, les structures aux géométries complexes, les structures résistant à des chocs ou des sollicitations dynamiques telles que des explosions, par exemple :

– Certaines structures sont intensément ferraillées parce qu’elles subissent des efforts importants : les structures soumises à des séismes, celles qui abritent les turbines d’un barrage et pour lesquelles une grande partie des armatures est justifiée en service. Dans ces situations, le ferraillage est fastidieux, exige beaucoup de temps, est donc coûteux et pose des difficultés de bétonnage en raison du peu de place disponible pour l’écoulement du béton. Le remplacement d’une partie du ferraillage par les fibres métalliques est alors très pertinent.

– Les structures aux géométries complexes sont principalement des structures bidimensionnelles de type coque. Dans ce cas, le renfort d’armatures est parfois difficile à réaliser (même s’il est bien fait dans la pratique) et donc consommateur de temps. La coque constituant le toit en béton de l’aérogare 2E de l’aéroport de Roissy en est un bon exemple : l’utilisation de fibres aux endroits stratégiques aurait sûrement été bénéfique.

Citons également les parois moulées circulaires (qui ont en outre un fonctionnement hyperstatique), pour lesquelles positionner les armatures sur une grande hauteur n’est pas simple. Il en est de même des aéroréfrigérants de centrale nucléaire et, dans une moindre mesure, des voussoirs préfabriqués de tunnel.

– Les structures devant résister à des chocs ou des sollicitations dynamiques. Les BFM fortement dosés en fibres sont plus sensibles aux effets de vitesse (8) que le béton armé. Ils sont donc très intéressants pour les applications militaires, les conteneurs de stockage des déchets radioactifs ou encore les structures civiles pouvant faire l’objet d’attentats.

4. Formulation des BFM et action des fibres sur la fissuration

L’optimisation de la composition des BFM est obligatoire. D’autant que la formulation d’un BFM ne se résume pas à l’introduction directe d’un certain pourcentage de fibres dans un béton préalablement optimisé sans fibres. En effet, l’introduction de fibres perturbe l’arrangement granulaire de la matrice, ce qui a pour conséquence de diminuer la maniabilité du matériau et d’altérer sa compacité. Cette perturbation est d’autant plus importante que le pourcentage de fibres est élevé et que, pour des dosages allant de 15 à 30 kg/m3, la formulation de la matrice peut rester inchangée. En revanche, pour des BFM réellement considérés comme des composites fibrés en terme de fonctionnement mécanique, c’est-à-dire comportant au moins 50 kg/m3 de fibres, il est impératif de reformuler la matrice.

Pour des bétons non-autoplaçants, on utilise la méthode Baron-Lesage (9), afin d’optimiser le squelette granulaire des bétons non-fibrés. Cette méthode est fondée sur trois hypothèses principales largement vérifiées par l’expérience :

– pour un rapport eau/liant fixé au départ, le béton le plus maniable est celui dont le squelette granulaire (G S) (10 ) est le plus compact ;

– les proportions optimales en granulats dépendent peu de la nature et du volume du liant ;

– l’introduction de fibres métalliques ne modifie pas les deux premières hypothèses.

Dans la pratique, la méthode se décompose en trois étapes (voir schéma 1).

• Étape 1. Le cahier des charges d’un BFM permet de fixer :

– le rapport eau/liant ;

– le diamètre du plus gros granulat ;

– la géométrie et les dimensions de la fibre ;

– le pourcentage de fibres ;

– la maniabilité souhaitée.

À partir de ce cahier des charges, on commence par optimiser la formulation du béton non-fibré (béton de référence) en utilisant, soit la méthode Baron-Lesage, soit des méthodes plus classiques (Dreux, etc.).

• Étape 2. Partant du béton de référence, on ajoute les fibres :

? on fait varier le rapport massique S/S G et l’on détermine la maniabilité correspondant à chaque valeur de ce rapport ;

? on trace ensuite la courbe de maniabilité en fonction du rapport S/S G et l’on détermine le rapport optimal, qui correspond à la meilleure maniabilité.

• Étape 3. Si la maniabilité correspondant à l’optimum du squelette minéral est différente de celle fixée par le cahier des charges, pour atteindre la maniabilité souhaitée, il suffit :

? soit d’augmenter ou de diminuer le volume de liant ;

? soit d’augmenter ou de diminuer la quantité initiale de superplastifiant.

REMARQUE

La maniabilité souhaitée est obtenue, soit en ajustant la quantité de liant, soit en faisant varier la quantité de superplastifiant. Augmenter le liant donne un meilleur enrobage aux fibres (donc un meilleur fonctionnement mécanique de celles-ci dans la matrice durcie) et adoucit une finition moins «hérissée» de fibres. L’emploi de superplastifiants renchérit, en revanche, la mise en œuvre.

Avec des bétons autoplaçants, il faut faire varier le rapport massique S/S G, afin de compenser le manque d’autoplaçance due à l’introduction des fibres. La méthode de formulation applicable à ces bétons est toutefois similaire à la précédente.

Quels appareils d’essai de maniabilité utiliser ?

La maniabilité d’un béton peut être déterminée par différentes méthodes expérimentales fondées sur des appareils divers utilisant des paramètres qui leur sont propres. Les plus connus et les plus utilisés en France sont le cône d’Abrams et le maniabilimètre LCL :

? le cône d’Abrams peut être qualifié d’essai « statique », puisqu’il met en évidence l’aptitude du béton à se mettre en place sous l’effet de la pesanteur ; la maniabilité y est caractérisée par une hauteur d’affaissement ;

? le maniabilimètre LCL est un essai « dynamique » qui met en évidence l’aptitude du béton à se mettre en place sous vibration ; la maniabilité est caractérisée par un temps d’écoulement (voir schéma 2).

Pour les bétons de fibres non-autoplaçants, le maniabilimètre LCL est recommandé, pour deux raisons :

– lorsque le pourcentage de fibres est relativement important (? 50 kg/m3 par exemple), il devient très difficile d’observer des affaissements significatifs des BFM, ce qui rend imprécise la détermination du squelette minéral optimal (courbe plate) ;

– le volume de matériau testé avec le cône d’Abrams est relativement faible, à savoir 6 litres, alors que le maniabilimètre LCL opère sur 30 litres ; ce dernier permet donc d’accéder à une information plus représentative du comportement rhéologique du BFM frais, surtout lorsque les fibres métalliques incorporées font 50 à 60 mm de longueur.

Pour les bétons autoplaçants, c’est l’essai d’étalement au cône d’Abrams qui est préconisé. Mais, dans le cas des bétons autoplaçants, on mesure le diamètre du béton étalé et non pas sa hauteur d’affaissement.

REMARQUE

Pour les bétons autoplaçants en général et les BFM autoplaçants en particulier, le maniabilimètre LCL est inadapté. En effet, la vibration conduit à un temps d’écoulement très court qui ne permet pas d’en étudier la variation avec l’évolution du squelette granulaire.

5. Processus de fissuration de la matrice cimentaire et action mécanique des fibres

Les fibres n’interviennent effectivement et efficacement que lorsque des fissures générées par des contraintes de traction apparaissent. L’analyse de cette intervention des fibres dans le processus de fissuration permet de comprendre qu’il existe un continuum entre un BFM dit « classique » (11) et un BFUP (12).

On peut schématiquement distinguer trois étapes dans le processus de fissuration d’un volume de béton soumis à des contraintes macroscopiques de traction (voir schéma 3) :

• Étape n° 1. La microfissuration diffuse au sein de tout le volume de béton.

• Étape n° 2 . Les microfissures se connectent progressivement pour créer des mésofissures, puis une ou plusieurs macrofissures (13) : c’est la phase de localisation de la fissuration ; la création de macrofissure(s) constitue la fin de cette deuxième étape et le début de la troisième.

• Étape n° 3. La propagation d’une ou de plusieurs macrofissures conduit à la rupture du volume de béton considéré.

Du point de vue mécanique, on peut considérer que la première étape correspond à un comportement intrinsèque au matériau, parce que si les fissures sont considérées comme très petites vis-à-vis du volume sollicité, il est toujours possible de définir des contraintes et des déformations statistiquement homogènes.

L’étape de localisation correspond au passage d’un comportement de matériau à un comportement de structure : à la fin de cette étape, les microfissures devenant des mésofissures puis des macrofissures, on ne peut plus définir de contraintes, ni de déformations statistiquement homogènes. Les seules relations mécaniques applicables sont des lois efforts-déplacements, qui constituent des comportements de structure.

Quant à la dernière étape, elle correspond à un comportement spécifique de structure.

6. Une action différente selon la taille

Durant la phase de microfissuration diffuse, les fibres métalliques peuvent « coudre » les microfissures actives et retarder l’apparition des mésofissures, donc des macrofissures et, par conséquent, de la localisation (voir schéma 4). On observe alors une augmentation de la résistance du matériau. Durant la phase de mésofissuration (transition entre la microfissuration et la macrofissuration), les fibres peuvent coudre les mésofissures et donc retarder l’apparition des macrofissures et donc de la localisation. S’observe alors une augmentation de la résistance du matériau et surtout de sa ductilité. Durant la phase de propagation des macrofissures actives, les fibres métalliques peuvent également « coudre » ces macrofissures, assurant ainsi une capacité portante et une ductilité plus grandes à l’échelle de la structure.

Dans la plupart des cas, la géométrie optimale de la fibre métallique qu’il faut utiliser pour agir sur la micro ou la macrofissuration active est différente :

– contre les microfissures, les fibres doivent être nombreuses, de petit diamètre et courtes pour des raisons de maniabilité (14) du matériau ;

– contre les macrofissures, leur longueur doit être suffisamment grande pour assurer leur ancrage correct dans la matrice. Pour les mêmes raisons de maniabilité, les fibres longues ne peuvent être utilisées que dans des proportions beaucoup plus faibles que les fibres courtes.

Le respect du pourcentage important de fibres courtes ou du pourcentage faible de fibres longues n’est vrai que si la maniabilité est un paramètre important de la mise en œuvre du béton, ce qui est le cas des BFM coulés, pompés ou projetés par voie humide. Si cette maniabilité n’est pas un paramètre important, par exemple pour un BFM très « sec » et compacté au rouleau ou pour du Sifcon (Steel Infiltrated Fiber Concrete), on peut introduire un pourcentage élevé de fibres longues et de faible diamètre, ce qui permet d’agir à l’échelle du matériau et à l’échelle de la structure, avec une seule dimension de fibre.

Toutefois, la longueur de la fibre à utiliser est fortement dépendante des caractéristiques mécaniques de la matrice ; si la matrice est très compacte et très adhérente aux fibres, une fibre considérée comme courte pourrait a priori agir correctement à la fois au niveau des micro et des macrofissures.

Dans la pratique aujourd’hui, la majorité des BFM utilisés mettent en œuvre des fibres qui n’interviennent qu’à l’échelle des macrofissures ou parfois des mésofissures. Comme c’est le cas de la majorité des BFUP existants : ces bétons fibrés mono-échelle contiennent au maximum250 kg/m3 de fibres. Une nouvelle génération de composites cimentaires met en œuvre simultanément des micro, des méso et des macrofibres : ces composites cimentaires multi-échelle peuvent contenir jusqu’à 850 kg/m3 de fibres.

7. BFM et développement durable

Avec des ouvertures de fissures n’excédant pas 300 ?m, les BFM sont indiscutablement plus performants que le béton armé classique vis-à-vis de la maîtrise de la fissuration susceptible d’apparaître dans le fonctionnement en service d’une structure. Il ne fait également aucun doute que les structures composées d’armatures passives et de fibres ou les structures précontraintes fibrées sont mécaniquement plus performantes que les solutions traditionnelles en béton armé ou en béton précontraint.

Dans ces structures mixtes, armatures traditionnelles ou précontraintes se partagent le « travail » mécanique avec les fibres. Aux armatures traditionnelles (aciers de flexion) et à la précontrainte reviennent les efforts principaux (efforts de flexion en majorité), aux fibres, les efforts secondaires (effort tranchant, poinçonnement, torsion...).

Ce travail « d’équipe » ne se limite pas aux aspects mécaniques, mais se poursuit au niveau de la durabilité. Dans le cas des structures traditionnelles en béton armé ou en béton précontraint, la corrosion des armatures traditionnelles est habituellement accélérée par la présence des fissures de service, par lesquelles pénètrent les ions chlorures. Les fibres métalliques vont aider les armatures à surmonter ce point faible par deux actions :

– en limitant l’ouverture des fissures en service à des niveaux tels que, d’une part, ces produits de corrosion des fibres qui se trouvent à proximité de la surface de la structure puissent « boucher » ces fissures et que, d’autre part, elles puissent se cicatriser, par poursuite de l’hydratation des grains de ciment anhydres « coupés » par ces fissures ;

– en provoquant des profils de fissuration très tortueux qui augmentent le trajet potentiel des ions chlorures pour atteindre les armatures.

Cette augmentation avérée de la durée de vie des structures en béton armé ou en béton précontraint a des répercussions importantes pour le gestionnaire d’ouvrage : en particulier, elle réduit le nombre d’opérations d’entretien ou de réparation qui sont parfois longues et difficiles, souvent coûteuses, pas toujours efficaces et qui peuvent perturber l’usager et avoir un effet sur l’environnement.

L’utilisation des fibres dans la préfabrication peut avoir un effet sur la maîtrise des émissions de CO2. Dans des applications industrielles, telles que les poutres et poutrelles précontraintes par fils adhérents, substituer des fibres métalliques aux cadres traditionnels d’effort tranchant diminue significativement la quantité de ciment utilisée par élément préfabriqué. En effet, dans ce type d’élément structural, une partie du béton utilisé est surabondant au regard des sollicitations mécaniques. C’est le cas de l’âme de ces poutres et poutrelles qui subit principalement des contraintes de cisaillement d’intensité différente le long de la structure.

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