Fibres acier : des renforts pour les bétons structurels

Les bétons ne cessent de progresser dans tous les domaines : performances mécaniques, facilité de mise en œuvre, liberté de formes, qualité des parements, etc. En matière de structure, les bétons hautes ou ultrahautes performances (BHP, BUPH) permettent d’atteindre des niveaux de résistance à la compression quasiment illimités, de 800 voire jusqu’à 1 000 Mpa. Même si la réduction du volume d’eau au moyen d’adjuvants superplastifiants et un empilement plus compact des grains constituent les premiers facteurs de performance, les fibres utilisées en complément, voire en substitut des armatures participent à l’évolution générale des technologies du béton. Ces fibres de renforcement ne sauraient être considérées comme une panacée en matière de béton structurel. Quelques exemples permettent toutefois d’apprécier différentes possibilités dans la conception des fondations, des superstructures et des façades. Schématiquement, on peut dire que la suppression des armatures est possible dans les bétons subissant des efforts relativement faibles. Plus précisément, les renforts fibrés présentent une meilleure efficacité tant sur les structures hyperstatiques que sur des structures isostatiques comme des poutres, par exemple. De plus, une armature s’avère en général indispensable pour assurer une résistance homogène à une structure de grande longueur et/ou de grande surface. Cette règle connaît une exception avec les bétons hautes ou ultrahautes performances renforcés de fibres métalliques et sans armatures sur des ouvrages de grandes tailles.

Dès les années 20, les fibres acier sont utilisées en renforcement du béton

De nombreuses fibres peuvent entrer dans la composition du béton. Historiquement, on retiendra que le brevet sur « l’amiante-ciment » a été déposé en 1902. Quant aux fibres en acier, elles ont été utilisées en renforcement du béton dès les années 20. Connues depuis le début du siècle, les fibres de verre ont été testées à partir de 1950. À ce jour, une dizaine de matières ont fait l’objet de tentatives plus ou moins probantes, en particulier l’acier, l’amiante, l’aramide, la cellulose, le carbone, la fonte amorphe, le laiton, le polypropylène et le verre. La plupart restent d’un usage marginal en structure. En pratique, trois familles de fibres dominent : métalliques, polypropylène et verre. Mais, ce dernier matériau n’est pas réellement adapté à des bétons structurels au sens strict.

Les fibres métalliques les plus courantes sont en acier. Afin de favoriser une bonne adhérence avec le béton, elles se présentent sous différentes formes ou états de surface : ondulées, crantées, tréfilées, torsadées, etc. Leur champ d’application est large avec comme usages principaux, la réalisation des sols (réduction des risques de fissuration du béton à jeune âge), les tunnels, galeries et talus (béton projeté permettant de sécuriser rapidement le chantier), les composants préfabriqués tels que tuyaux, caniveaux, ­garages, caveaux, transformateurs électriques, enfin les pieux de fondation. Les fibres métalliques sont également utilisées dans la composition des bétons de très hautes performances, comme le Ductal développé par Lafarge, Bouygues et Rhodia. Les fibres de faible diamètre (0,15 à 0,20 mm) remplacent alors les armatures pour des niveaux de résistance de l’ordre de 200 Mpa ou plus. Une étude menée dans le cadre du Projet national Befim (Bétons de fibres métalliques) a permis de valider la faisabilité et les performances de panneaux de façades minces nervurés (épaisseur courante 5 cm, cadre nervuré périphérique de 12 cm) de dimensions 1 x 2,7 m en béton de sable (grains de 5 mm maximum) renforcé de fibres de fonte amorphe Fibraflex. Ces fibres se présentent sous la forme d’un ruban de très faible épaisseur (25 microns) de 20 mm de longueur. Deux largeurs ont été testées : 1 et 1,6 mm et trois dosages : 0,5 %, 0,75 %, 1 % du volume.

Les performances mécaniques des fibres de polypropylène sont inférieures à celles des fibres métalliques. Leurs principales qualités résident dans leur insensibilité chimique, leur souplesse et leur allongement à la rupture (15 à 20 %) favorisant la ductilité du béton. Elles sont peu résistantes au feu (température de fusion d’environ 160°C) ce qui s’avère paradoxalement positif sur le comportement au feu d’un béton armé ou précontraint. En effet, la « disparition » des fibres dégage un réseau de micro capillaires permettant le cheminement de la vapeur d’eau vers l’extérieur, ce qui réduit les risques de surpression dans un béton très dense. De section circulaire ou aplatie, d’une longueur de 40 à 50 mm, les fibres de polypropylène sont incorporées à faible dose dans le béton (de 1 à 10 kg par m3). Elles sont utilisées pour la réalisation de dallages industriels ou de chaussées, de pièces préfabriquées, de mortiers projetés, de béton mis en œuvre avec des coffrages glissants et pour la sculpture. Les éléments préfabriqués constituent sans doute le domaine le plus typique pour des pièces aussi différentes que des cuves de rétention pour autoroute, des caveaux, des fosses septiques ou des cadres de baies.

Une application typique : les pieux de fondations profondes

Sur les raisons qui l’ont amené à développer le procédé Solfibres, Serge Lamotte, président de la société Sols et Fondations explique : « Dans les années 1980, nous avons souhaité pouvoir exploiter et perfectionner le système de forage à la tarière creuse. Avec cette technique, le béton est injecté par le fond au fur et à mesure du relevage au moyen d’un tube intégré au centre de la tarière elle-même. Dans ces conditions, la mise en place d’une armature est problématique puisqu’elle ne peut se faire qu’en force dans le béton frais, ce qui s’avère difficile au-delà d’une certaine profondeur. C’est pourquoi nous avons étudié l’utilisation de béton renforcé de fibres métalliques sans armature, sauf en tête de pieu sur une hauteur limitée à quelques mètres par exemple ». Les fibres Arbed Tabix et Tabix de rapport diamètre/longueur 1/60 sont fabriquées dans un fil tréfilé dur à teneur en carbone inférieure à 0,15 %. L’adhérence et la cohésion béton-fibre sont assurées par les ondulations réparties sur toute la longueur de la fibre. Pour un diamètre de 1 mm, la longueur de 60 mm possède des ondes de 0,65 mm d’amplitude sur 8 mm de longueur. Le comportement du béton est régulé par l’ajout de superfluidifiant (0,5 à 1,5 % du poids du ciment), avec ou sans retardateur selon les usages (avec dans le cas de pieux de fondation).

Le moment le plus délicat : l’intégration des fibres dans le béton

Utilisant le moins d’eau possible, le fluidifiant retardateur fait évoluer le slump de 5-6 à 16-18. Le moment le plus délicat s’avère l’intégration des fibres dans le béton. Le béton est fabriqué sur chantier selon un protocole rigoureux. Les fibres attachées en bandes sont versées dans le tamis d’une machine spéciale avant d’être projetées à grande vitesse (180 m/seconde) dans le mélange. Détail essentiel, un déflecteur est placé en sortie du soufflage juste au-dessus du béton afin de répartir les fibres sur toute sa surface. En zone sismique, une cage d’acier est nécessaire, au moins en tête de pieux. Si nécessaire, une barre d’acier est intégrée sur toute la hauteur du pieu pour reprendre l’intégralité des efforts de traction (autrement dit, dans les calculs, le béton de fibres compte pour zéro). Actuellement, le respect du cahier des charges garantit des marges de sécurité élevées. Aussi, de récentes expérimentations permettent d’affiner la prescription et un nouveau document sera édité au deuxième semestre 2003 avec une méthode de calcul plus favorable, mais tout aussi fiable puisque basée sur des prévisions de déformation scientifiquement validées. Les fibres de renforcement du béton autorisent aujourd’hui des audaces architecturales, témoin cet étrange coquillage édifié dans un grand parc de loisirs à Valence (Espagne). Dessinée par l’architecte Félix Candela, cette voûte parabolique-hyperbolique abrite un restaurant. Composée de 8 lobes identiques, ses appuis délimitent un octogone de 13,58 m de côté. La hauteur atteint 12,7 m et la portée libre 35,5 m. L’épaisseur des coques se réduit de 12 cm en pied à 6 cm seulement au faîte. Au début, les études prévoyaient un double treillis en acier. Les calculs et les essais ont abouti à la prescription d’une maille unique (fils de 8 mm sur trame 15 x 15 cm), facteur de simplification et de gain de temps appréciables sur le chantier. Le coffrage a été réalisé en planches de bois de pins, croisées sur lequel le béton a été projeté. Les fibres Dramix 80 de 0,44 mm de diamètre et 30 mm de longueur entrent dans la composition du béton à raison de 50 kg/m3. Les coques raidies par des nervures paraboliques ont été lissées à la main. Le résultat confirme la bonne aptitude des bétons de fibres à la création de structures hyperstatiques.

Modestes et invisibles, les semelles de fondation constituent une application relativement banale des bétons armés de fibres coulés sans armature. Seuls les petits chantiers de maisons individuelles sont concernés comme le spécifie l’avis technique du procédé de la société Bekaert. On peut utiliser un béton traditionnel ou autoplaçant qui facilite davantage la mise en œuvre des semelles. L’intérêt de cette technique réside dans sa simplicité pour les petites entreprises artisanales. Leurs habitudes et leurs savoir-faire ne sont pas remis en cause. De bons résultats sont aussi obtenus en associant un béton Agila de Lafarge, très fluide, et des fibres d’acier Dramix de Bekaert. Le surcoût et les risques sont limités par les faibles volumes en jeu, de 10 à 15 m3. Le chantier est particulièrement rapide, avec un opérateur unique « accompagnant » le coulage de la semelle.