Le béton de fibres métalliques : un matériau aux avantages multiples

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1 N : 1O-97 Boulekbache B., Université Hassiba Benbouali de Chlef, Algérie Le béton de fibres métalliques : un matériau aux avantages multiples Boulekbache B.*, Hamrat M. Département de Génie Civil, Université Hassiba Benbouali de Chlef, Algérie, Chemrouk M. Université des Sciences et Technologies Houari Boumedienne, Alger, Algérie, Amziane S. Polytech'Clermont, Université Blaise Pascal, Clermont Ferrand, France Résumé L ajout des fibres métalliques a un effet positif sur les caractéristiques mécaniques des bétons. Dans ce domaine, on peut citer l accroissement simultané de la ductilité du matériau et de la résistance à la traction. La formation et la propagation de fissures sont retardées et la taille d ouverture de ces fissures est largement réduite. Toutefois, l'introduction des fibres dans le béton a un effet néfaste sur sa rhéologie à l état frais et donc sur sa facilité de mise en œuvre. En conséquence, l orientation des fibres dans la matrice se trouve modifiée. L effet de cette orientation sur les caractéristiques mécaniques est certain. Les travaux présentés dans cet article sont les résultats d une étude expérimentale sur les propriétés mécaniques des bétons renforcés de fibres métalliques de rhéologies et de classes différentes (bétons autoplaçants et bétons à hautes performances ). Deux dosages volumiques de,5% et 1,% de fibres à crochets ayant un élancement de 65 et 8 ont été utilisés. Les facteurs d'orientation qui traduisent la répartition des fibres dans la matrice ont été ainsi calculés. Nous réalisons des essais de compression, fendage et cisaillement direct. Les résultats montrent que la rhéologie des bétons est un paramètre essentiel de l orientation des fibres. Dès lors que l on obtient une orientation dans le sens de l efficacité mécanique, les résistances mécaniques (fendage et cisaillement direct) sont nettement améliorées. En revanche, une mauvaise orientation des fibres annule leurs contributions mécaniques. Les fibres se sont avérées plus efficaces dans les matrices à hautes résistances, en augmentant à la fois la charge ultime et la ductilité. Cette augmentation est attribuée à la bonne qualité d'adhérence entre les fibres et la matrice. Par ailleurs, la résistance à la compression n est pas affectée par la présence des fibres. Mots-clés: Béton, Fibres métalliques, Rhéologie, Ductilité, Orientation, résistance. 1. INTRODUCTION Eviter des ruptures fragiles est un des objectifs de toute conception en béton armé. Ce type de rupture est encore plus fréquent dans le cas d un béton de résistance élevée, du fait que la ductilité est inversement proportionnelle à la résistance. Cependant, avec l amélioration des ses propriétés mécaniques, ce matériau devient fragile et explosif, et donc moins ductile à la rupture. Un tel comportement fragile du béton est particulièrement troublant dans les régions sismiques et peut causer des dégâts importants en vies humaines et en infrastructures, même en présence d armatures de confinement [1] (B. Boulekbache, 29). Les fibres métalliques ajoutées au béton frais rendent le matériau béton durci plus ductile et plus déformable. Ces fibres permettent la couture des fissures formées dans la matrice fragile du béton et à confiner leur développement, rendant le matériau durci plus apte à se déformer et donc à absorber de l énergie [2] (B. Boulekbache, 2) [3] (A. Naaman, 26). Pour bénéficier pleinement des avantages de ce matériau telles que l augmentation de sa résistance à la compression, de sa résistance à la traction et de sa résistance au cisaillement, même si l augmentation de ces deux dernières ne sont pas en proportion avec la première, la ductilité du matériau béton à haute résistance doit être améliorée * Auteur correspondant : bboulekbache@yahoo.fr Rabat Maroc / Novembre 211 1

2 N : 1O-97 Boulekbache B., Université Hassiba Benbouali de Chlef, Algérie En couturant une fissure, les fibres absorbent partiellement la force de traction et donc le béton fissuré ne perd pas complètement sa résistance à la traction après fissuration. Une résistance de traction résiduelle est maintenue dans le béton contenant des fibres après fissuration, contrairement au béton ne contenant pas de fibres. L objectif n est cependant pas d améliorer la résistance en compression du matériau du fait qu elle est déjà suffisamment élevée pour un béton à haute résistance, mais essentiellement d améliorer le comportement du matériau vis à vis de la traction, améliorer sa ductilité et son comportement après fissuration. Pour atteindre cet objectif, le présent travail permet de mettre en évidence les aspects positifs de l ajout de fibres métalliques au béton à haute résistance sous sollicitations de compression, fendage et cisaillement direct. 2. PROGRAMME EXPERIMENTAL 2.1. Matériaux utilisés Deux types de bétons sont formulés selon les proportions indiquées au tableau 1. Les fibres utilisées sont des fibres métalliques munies de crochets à leurs extrémités, de résistance à la traction de 1 MPa. Dans cette étude, on a utilisé deux dosages volumiques en fibres,5 et 1 % et deux élancements de fibres 65 et 8. Deux classes de bétons ont été confectionnées, un béton autoplaçant B6 et un béton à hautes performances B8. Les bétons sont confectionnés dans un malaxeur d une capacité de litres. Pour éviter la formation d amas fibreux, les fibres sont introduites petit à petit après homogénéisation complète du béton. Les éprouvettes destinées aux essais de compression et fendage sont des éprouvettes cylindriques 11x22cm et prismatiques xx35 cm pour les essais de cisaillement direct. Elles sont soumises à une vibration externe (table vibrante) sauf en ce qui concerne le béton auto-plaçant. Par la suite, les éprouvettes sont conservées dans une salle hygrométrique qui assure une température de 2 C et une humidité relative de 9 ± 5 %, jusqu'au jour de l'essai. Les résultats des essais des bétons à l'état frais sont présentés dans le tableau 1. Désignations des spécimens : -, : désigne Béton Auto-Plaçant et Béton à Hautes Performances, - F xx-yy, F xx-yy : la lettre "F" désigne béton fibré, les deux chiffres qui suivent le type de béton désignent l'élancement et le dosage en fibres respectivement. 3. RESULTATS ET DISCUSSION Tableau 1. Formulation et propriétés rhéologiques des bétons testés Ciment (kg/m 3 ) Fumée de silice (kg/m 3 ) 42,5 Filler Calcaire (kg/m 3 ) 2 9 Eau (kg/m 3 ) Superplastifiant (kg/m 3 ) 5, 4,25 Gravier 4/ (kg/m 3 ) Sable /4 (kg/m 3 ) E/L,31,29 Affaissement (cm) / 16 Etalement (cm) 7 / Seuil de cisaillement (Pa) Rabat Maroc / Novembre 211 2

3 N : 1O-97 Boulekbache B., Université Hassiba Benbouali de Chlef, Algérie 3.1. Test de compression Les essais de compression sont réalisés selon la norme (NF P ) sur trois cylindres (11x22 cm). L'ajout des fibres d'acier ne semble pas modifier la résistance ultime à la compression. Dans notre cas, on constate que les fibres ont réduit légèrement la résistance à la compression de 3 à 6 % pour un élancement de fibres égal à 65. Cette diminution est plus importante (8 à 13 %) lorsque l'élancement est 8. En effet, les fibres induisent des défauts dans la matrice cimentaire pouvant conduire à une moindre compacité [4] (A.M. Pailllère, 1993) [5] (P. Rossi, 1994). En revanche, la présence des fibres améliore sensiblement le comportement post-pic; réduit la pente descendante de la courbe contrainte-déformation et augmente la capacité de déformation avant rupture (Figure 1). Ces courbes montrent que le comportement post-pic est étroitement lié à la fraction volumique et à l'élancement des fibres. Résistance à la compression (MPa) 7 (b) Témoin F 6-1 F F 6-.5 F Déformation axiale ( ) Résistance à la compression (MPa) 9 (b) Témoin F F F F Déformation axiale ( ) Figure 1. Comportement en compression des bétons testés (a) (b) 3.2. Fendage L'essai de fendage est exécuté selon la norme NF EN L'éprouvette cylindrique est comprimée le long de deux génératrices diamétralement opposées comme le montre la figure 2. Pour éviter une rupture locale en compression au niveau des génératrices de chargement et répartir la charge appliquée, deux bandes minces en contreplaqué neuf d une largeur de mm, d une épaisseur de 4 mm et d une longueur supérieure à la longueur de la ligne de contact avec l éprouvette, sont placées entre les plateaux de chargement et l'éprouvette. Figure 2 : Essai de fendage : (a) configuration (b) distribution de contraintes (c) rupture type On constate que la résistance au fendage est améliorée avec l'utilisation des fibres particulièrement pour les et en raison de la meilleure adhérence fibre-matrice (figure 3). Après fissuration, la résistance est reprise par les fibres interceptant la fissure; ceci permet aux éléments en béton contenant des fibres de supporter d avantage de chargement, même au-delà de la fissuration. Les fibres qui traversent la fissure offrent une résistance résiduelle (résistance au-delà de la fissuration). Ces fibres se déforment aux extrémités ancrées qui se redressent graduellement avec l augmentation du chargement au-delà de la charge de fissuration. Les fibres traversant la fissure reprennent les contraintes et se déforment, celles ne traversant pas de fissures restent non stressées. Les résultats ont montré que le comportement post pic a été nettement amélioré. Plus de fissures se développent avec l augmentation du chargement et la rupture se produit par épuisement élastique des fibres et éventuellement arrachage des Rabat Maroc / Novembre 211 3

4 N : 1O-97 Boulekbache B., Université Hassiba Benbouali de Chlef, Algérie fibres au niveau d une fissure qui n est pas nécessairement la première à se former, mais plutôt celle qui est la moins couturée. Résistances au fendage (MPa) Témoin Figure 3. Résistances au fendage La ductilité des bétons fibrés a été analysée par deux indices de ductilité I 5 et I 3. La ductilité des bétons a été nettement améliorée par la présence des fibres. Par ailleurs la ductilité des fibrés est supérieure à celle des bétons ordinaires; attribuée à la bonne adhérence fibres-matrice des (figure 4). I 5 6 I Indices de ductilité Indices de ductilité Figure 4. Indices de ductilité en fendage Cisaillement direct Dans nos travaux, la résistance au cisaillement est déterminée conformément à la norme japonaise JSCE- SF6 [JSCE 9] avec des modifications sur les dimensions de l'éprouvette. L effort de cisaillement est appliqué par un bloc de chargement avec deux tranchants distants de 15 cm. L éprouvette (xx35cm) est supportée par deux appuis rigides distants de 15,5 cm. Pour amorcer le cisaillement, une rainure de 1 cm de profondeur et 2 mm d épaisseur est sciée tout autour de l éprouvette entre les tranchants et les appuis (Figures 5). Pour éviter toutes rotations de l éprouvette, ces deux extrémités ont été solidarisées par deux cornières. Une charge statique est appliquée avec vitesse de, MPa/s. Le déplacement enregistré est la moyenne de deux déplacements enregistrés par les LVDT attachés à la partie supérieure et inférieure de l éprouvette. Pour les bétons non fibrés, on observe d'après la figure 6 que la résistance à la compression a une grande influence sur la résistance au cisaillement du béton. La résistance au cisaillement du augmente de 55.8 % par rapport au. La résistance au cisaillement ultime augmente avec le dosage volumique, l'élancement de la fibre et la résistance à la compression. On remarque une augmentation considérable de l'effort de cisaillement de 1ère fissuration et ultime dû à l'augmentation de la résistance à la compression du béton. Les spécimens avec un dosage en fibres de 1 % et d'élancement 65, l'augmentation est de 54.9 et 64.6 % pour les F et F respectivement. Pour les spécimens dosés à 1 % et d'élancement 8, l'augmentation est de 55.9 et 68.8 % respectivement (figure 6). Les fibres se sont avérées plus efficaces dans les. Cette augmentation est attribuée à la bonne adhérence entre les fibres et la matrice. Rabat Maroc / Novembre 211 4

5 N : 1O-97 Boulekbache B., Université Hassiba Benbouali de Chlef, Algérie Eprouvette Bloc d'application de la charge (dimensions en mm) Figure 5. Dispositif du cisaillement direct Résistance ultime au cisaillement (MPa) Témoin Figure 6. Résistances ultimes de cisaillement La ductilité est la propriété visée dans les essais. Pour évaluer la ductilité relative à chaque spécimen, des indices de ductilité I 2, I 3 proposés par ACI 544 ont été calculés et présentés dans la figure 7. En général, l'addition des fibres a eu comme conséquence une amélioration de la ductilité pour tous les cas. La figure indique que les spécimens ayant un volume plus élevé de fibre, 1 %, et un élancement plus grand, 8, ont eu une meilleure ductilité. Nous remarquons que la rhéologie influence la ductilité des spécimens en béton fibré. Pour l'indice I 3, nous observons des améliorations de 27 % pour les spécimens F 35-1 et 195 % pour les F 35-1 par rapport aux spécimens non fibrés (figure 7). D'autre part, on constate que la ductilité est encore meilleure pour les configurations avec des fibres de longueur 6 cm, à cause de l'effet du confinement apporté par les parois. L'orientation des fibres dans le sens longitudinal s amplifie du fait que la largeur de l'éprouvette ( cm) tend vers celui de longueur de la fibre (6 cm). Indice de ductilité I 2 Indice de ductilité I Figure 7. Indices de ductilité en cisaillement 4. Conclusions - A partir des essais, on peut conclure que l ajout de fibres améliore le comportement du matériau béton sous chargement. La rupture change d une cassure explosive à une rupture souple et ductile après formation de plusieurs fissures qui restent fines parce que couturées par des fibres. - Les fibres se sont avérées plus efficaces dans les matrices à hautes résistances, en augmentant à la fois la charge ultime et la ductilité, grâce à la bonne adhérence entre les fibres et la matrice du béton. L augmentation de la résistance à la traction par fendage augmente de 15 à 4 % pour un dosage volumique en fibres de,5 % et de 4 à 6 % pour un dosage de 1 %. En cisaillement direct, les spécimens dosés à 1 %, l'augmentation est de 55.9 et 68.8 % pour les fibres d'élancement 8. - La ductilité est la propriété principale visée pour pallier au comportement fragile des bétons, particulièrement pour les. Les résultats ont montré que le comportement post pic a été nettement amélioré. - La résistance à la compression n est pas améliorée avec l ajout de fibres métalliques. Rabat Maroc / Novembre 211 5

6 N : 1O-97 Boulekbache B., Université Hassiba Benbouali de Chlef, Algérie Références [1] Boulekbache, B. Hamrat M. Chemrouk M. and Amziane S., 29. Influence of the Rheology of Steel Fibres Reinforced Concretes on their Mechanical Properties. European Journal of Environmental and Civil Engineering, 13(4), [2] Boulekbache, B. Hamrat M. Chemrouk M. and Amziane S., 2. Flowability of fibrereinforced concrete and its effect on the mechanical properties of the material. Construction and Building Materials, 24(9), [3] Naaman, A.E., 26. Fibre Reinforced Concrete- State of Progress at the Edge of the New Millennium, 9 th Conference on Concrete Engineering and Technology (CONCET), Kuala Lumpur, Malaysia. [4] Paillere, A.M., Le béton de fibres métalliques, Etats actuels des connaissances. Annales de l'itbtp, série béton, 32(515), [5] Rossi, P., Steel fiber reinforced concretes (SFRC): An example of French research. ACI Materials Journal, 91(3), Rabat Maroc / Novembre 211 6