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Les fibres, des composants nécessaires pour le béton

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Les fibres, des composants nécessaires pour le béton

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Résistance aux chocs, à la flexion, à la traction, à l’abrasion, comportement au feu, réduction des armatures… Utiliser des fibres dans le béton n’aurait que des avantages. Le point avec Francis Dutruel, directeur de la division produits ouvrages au Centre d’études et de recherches de l’industrie du béton (Cerib).

Les Cahiers techniques du bâtiment :L’utilisation des fibres dans le béton ne date pas d’hier. Quelles sont aujourd’hui les principales fibres utilisées ?

Francis Dutruel : Sans parler des fibres naturelles type cellulose, lin ou chanvre dont l’utilisation est plutôt limitée à des usages spécifiques qui relèvent du stade expérimental. Aujourd’hui, trois grandes familles de fibres sont utilisées : les fibres synthétiques minérales comme les fibres de verre ou de carbone ; les fibres synthétiques organiques telles que les polypropylènes, polyvinyl-­alcools ou aramides tel le kevlar ; et, de loin les plus utilisées, les fibres métalliques en acier, acier galvanisé, inox et plus rarement en fonte.

CTB : Quelles sont leurs caractéristiques essentielles ?

F.D. : Chaque fibre présente des caractéristiques et des propriétés qui lui sont propres : dimensions (diamètre, longueur…), formes (fils lisses, crantés, ondulés…), résistance mécanique (résistance à la traction), durabilité dans la matrice cimentaire…. Pour améliorer les performances mécaniques des bétons, elles doivent avoir une bonne capacité de déformation, c’est-à-dire posséder un module d’élasticité plus élevé que celui de la matrice. Elles doivent être relativement longues et fines (1), flexibles sans être fragiles pour éviter leur destruction lors du malaxage, faciles à incorporer et sans danger pour la main-d’œuvre. Leur forme ou leur état de surface doit faciliter l’accrochage afin de bien adhérer à la pâte de ciment. Sans oublier le coût, qui doit rester raisonnable pour un dosage le plus faible possible. Cela étant, les fibres disponibles aujourd’hui n’apportent pas toujours une réponse acceptable quant aux principaux critères.

CTB : Qu’apportent les fibres au béton ? Que cherche-t-on à améliorer ?

F.D. : Comme il n’y a pas de fibres universelles, les améliorations apportées au béton varient selon la forme et la nature des fibres utilisées. D’une manière générale, elles vont améliorer ses performances mécaniques. Il s’agit, d’une part, d’augmenter la résistance à la traction par flexion et, d’autre part, d’améliorer la ductilité, soit son aptitude à se déformer sous les charges. On sait qu’avec un élément non renforcé, le béton est fragile et la rupture éventuelle peut être brutale, alors qu’un élément renforcé de fibres se comporte, avant rupture, suivant trois phases successives. Dans un premier temps, la matrice et les fibres agissent ensemble dans une phase élastique ; dans la seconde phase, des microfissures se créent dans la matrice et les efforts sont repris par les fibres qui limitent le développement et la propagation des fissures tant que leur adhérence est suffisante. Lors de la troisième phase, les fissures s’ouvrent et les fibres commencent à glisser jusqu’à leur point de rupture ou leur perte d’adhérence. Les deux dernières phases traduisent la ductilité du béton. On peut ainsi atteindre des résistances en flexion élevées, 50 Mpa par exemple pour certains bétons à hautes performances.

CTB : Les fibres sont-elles utilisées à d’autre fins ?

F.D. : Oui, elles agissent également en terme de résistance aux chocs en dispersant au sein du béton l’énergie appliquée à l’impact, d’où une limitation des épaufrures et l’élimination des éclats de matière. Elles sont aussi requises pour parfaire la résistance à l’abrasion, à la fatigue et à l’usure en limitant le déchaussement des granulats. Elles sont par ailleurs utiles au renforcement des arêtes. Utilisées en dallage, elles diminuent le retrait ce qui permet l’espacement des joints. En préfabrication, améliorant nettement la résistance mécanique du béton à jeune âge, elles autorisent la manutention et la palettisation des produits dans des délais plus courts. Elles assurent également une meilleure tenue du béton frais en cas de démoulage immédiat après formage. De même, dans la conception d’ouvrages complexes, leur utilisation diminue singulièrement les armatures. Enfin, les fibres polypropylènes améliorent indéniablement le comportement au feu des bétons.

CTB : Pouvez-vous nous en dire plus sur ce dernier point ?

F.D. : Le béton, matériau imperméable mais poreux, renferme de l’eau dont une partie correspond à de l’eau excédentaire nécessaire à l’ouvrabilité, et ce d’autant moins que les bétons sont mécaniquement performants. En cas d’élévation importante de la température, l’eau, restée prisonnière, se transforme en vapeur. Si le béton est de bonne qualité, elle s’échappe plus difficilement et crée des contraintes internes qui peuvent entraîner un écaillage en surface. L’astuce consiste à ajouter des fibres polypropylène, de 1 à 3 kg/m3, qui fondent lorsque les températures atteignent 140 à 170°C. Elles créent ainsi un réseau tridimensionnel fait d’une multitude de petits canaux qui vont permettre à l’eau de s’échapper. Cette caractéristique diminue considérablement la propension à l’éclatement du béton. Cela est d’autant plus vrai avec les BHP (2) et les BUHP (3). En effet, plus on monte dans la qualité des bétons, plus ils sont imperméables, et plus les fibres polypropylènes s’avèrent indispensables. Une étude et des essais sont d’ailleurs en cours sur ce thème au Cerib.

CTB : Quels sont leurs domaines de prédilection ?

F.D. : Compte tenu de leurs propriétés, ­elles trouvent de nombreuses applications partout où il faut réduire les risques de fissuration, espacer les joints de retrait, augmenter la résistance aux chocs et améliorer la résistance en traction. Les fibres d’acier sont utilisées principalement en dallage industriel, c’est de loin l’application la plus importante. Les composites ciment-verre (CCV) autorisent la réalisation d’éléments préfabriqués très minces avec des performances mécaniques élevées : éléments architectoniques, panneaux de façade autoporteurs, tuyaux, caniveaux, coffrets et autre fosses septiques. Elles sont également intéressantes pour les produits qui ont une forte densité d’armature en raison de contraintes multidirectionnelles. Dans ce cas, elles permettent une simplification des armatures et une diminution des épaisseurs. C’est le cas des voussoirs et des pieux.

CTB : Y a-t-il des limites à leur utilisation ? Se substituent-t-elles aux armatures ?

F.D. : Je n’en vois que deux. La première est d’ordre économique. Nous ne maîtrisons pas suffisamment la répartition des fibres dans le béton pour n’en mettre que là où elles sont nécessaires. Dans certains cas, cela entraîne une augmentation des coûts par rapport à une armature traditionnelle. La seconde vient de problèmes de maniabilité et d’homogénéité en raison du volume de fibres. Une bonne maniabilité suppose un rapport longueur sur diamètre des fibres multiplié par le volume des fibres, en général inférieur à trois. Ce qui fait que l’on ne peut pas toujours en mettre autant qu’on le souhaiterait. On peut cependant « tricher » pour augmenter le volume de fibres en les collant entre elles sous forme de plaquettes, avec une colle hydrosoluble qui se dissout lors du malaxage. Cette méthode diminue le rapport longueur sur diamètre. Pour ces raisons, les fibres ne sauraient remplacer, du moins pour l’instant, toutes les armatures traditionnelles. En revanche, des expériences sont menées pour en remplacer une partie, en particulier les armatures passives, transversales.

CTB : Vers quel type de produit s’oriente-t-on ? Où en est la recherche ?

F.D. : Les fibres de Kevlar et de carbone sont mécaniquement prometteuses. Elles sont deux à trois fois plus solides qu’un acier haute résistance, possèdent une excellente adhérence et ne présentent pas de problème de corrosion, ni de fragilité à la surface des bétons. Mais, pour le moment, leur coût élevé en diminue l’intérêt. Il resterait à mettre au point des méthodes pour vérifier la répartition des fibres dans un ouvrage :aujourd’hui, seul un carottage permet de le faire. Il en est de même pour les méthodes de calcul des performances des produits réalisés avec des bétons de fibres. Cependant, des études en cours ­visent à contrôler le comportement au feu des nouveaux bétons face à l’écaillage.

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