COLLOQUE INTERNATIONAL «REDUCTION DU RISQUE SISMIQUE» CHLEF LES 10 et 11 OCTOBRE 2012 ETUDE DU COMPORTEMENT DES POUTRES EN BETON RENFORCE DE FIBRES METALLIQUES SOUS CHARGEMENT MONOTONE CROISSANT F. Setti 1, K. Ezziane 1, B. Setti 2, F. Merzoug 1 1 Laboratoire Géomatériaux, Université Hassiba Benbouali, Chlef, Algérie, (setti_fati@yahoo.fr, ezzianek@yahoo.fr, fatiha.merzoug1@gmail.com ) 2 Laboratoire sciences des matériaux et environnement, Université Hassiba Benbouali, Chlef, Algérie (setti_ba@yahoo.fr) Résumé Malgré tous ses avantages, le béton reste un matériau fragile, ayant une faible résistance à la traction ce qui caractérise sa fragilité sous les effets des efforts de traction. Le renforcement par des fibres métalliques a pour objectif majeur d'améliorer le comportement vis à vis à la traction afin de retarder, de limiter ou d éviter une rupture quasi-fragile. Sur la base d un procédé expérimental visant à une utilisation optimale des fibres métalliques afin d améliorer le comportement post élastique du béton armé dans le domaine de la construction ; notre étude s intéresse au comportement monotone des poutres sous sollicitations a trois point, afin d améliorer les caractéristiques mécaniques des poutres en béton de fibres et d établir une fiche d identification de ces nouveaux bétons ont comparant ces poutres à des poutres témoins. A cet effet quatre mélanges ont été utilisés, un béton sans fibres servant de béton témoin, et un béton renforcé de fibres métalliques avec trois dosages en fibres évalués à 0.5, 1 et 1.5% du volume du béton. Les résultats obtenus montrent que l'ajout de fibres, même à faible quantité, améliore le comportement du matériau vis-à-vis de la résistance en traction par flexion. L introduction des fibres limite l'ouverture des fissures d'une manière appréciable donc la ductilité du béton de fibres est plus importante lorsque le taux de fibres augmente. Mots Clés : Béton, Ductilité, Flexion, Flèche, Fibres métalliques. 1. INTRODUCTION L ajout de fibres métalliques au niveau de la matrice cimentaire améliore le comportement postfissuration du béton soumis à un effort de traction [1]. L ajout de fibres comme renfort dans des matériaux composites à matrice cimentaire implique des modifications de rhéologie, de microstructure et de propriétés d'usage dont la durabilité, l esthétique et la résistance à la fissuration. Le renfort apporté par les fibres en matière de propriétés à la rupture est souvent complexe et dépend fortement de la microstructure produite [2, 3, 4]. Les fibres présentent des caractéristiques, tant géométriques que mécaniques différentes selon leur nature. Chaque type de fibres peut présenter une influence particulière sur le comportement mécanique du béton, ce qui se traduit par des applications spécifiques. 1
Le choix du type de fibres utilisées est donc fonction du domaine d utilisation et des performances souhaitées [5]. L'amélioration de la résistance du béton renforcé par des fibres métalliques permet non seulement d'améliorer le comportement en flexion et en traction, mais également la résistance à la compression du béton, plusieurs chercheures [6,7] observèrent dans leurs résultats statiques en compression, que la présence de fibres d acier dans la matrice augmente la résistance à la rupture lorsque le volume de fibres augmente. Les essais de flexion sur poutre sont les plus couramment employés pour déterminer le comportement des BRF, ils sont faciles à réaliser dans des conditions courantes de laboratoire. Le contrôle du chargement par la mesure du déplacement permet une bonne stabilité des résultats [8]. La ductilité dépend essentiellement du volume, de l orientation et du type des fibres. Il a été montré par plusieurs chercheurs que les fibres déformées à leurs extrémités sont plus efficaces par rapport à celles déformées sur leur longueur entière [9]. Cependant les fibres munies de crochets sont celles qui présentent le plus d'avantages à cause de leur bonne adhérence mécanique [10]. L objectif de cette étude est la compréhension du comportement des bétons renforcés par des fibres métalliques en en flexion ainsi la ductilité et la déformabilité en fonction du dosage en fibres. 2. PARTIE EXPERIMENTALE 2.1. Constituants des bétons étudiés 2.1.1. Fibres Les fibres utilisées sont des fibres HE++ 75/50 à haute teneur en carbone. Elles sont fabriquées à partir de fil d acier tréfilé à froid et se présentent sous forme cylindrique et munies de crochets aux extrémités. La figure 1 représente le type de fibre utilisée. Figure 1. Fibres Arcelor Mittal de type HE++ 75/50. Les caractéristiques géométriques des fibres utilisées sont données dans le tableau suivant : 2
Tableau 1. Caractéristiques des fibres métalliques HE++ 75/50 Forme Longueur (mm) Diamètre (mm) Elancement (l/d) Résistance à la traction (MPa) Longueur des fibres par 10 kg (m) Nombre de fibres par kg 50 0.75 67 1900 2885 5700 2.1.2. Matrice Comme matrice, c est un béton confectionné à partir de: - ciment de type CPJ- CEM II/A 42.5 fabriqué à l usine de Chlef. Sa densité est de 3.1 alors que sa surface spécifique est de 3700 cm2/g, Les caractéristiques chimiques, minéralogiques ainsi que sa composition sont présentées dans le tableau 2. Tableau 2. Caractéristiques des fibres métalliques HE++ 75/50 Composition chimique % Composition minéralogique % Composition du ciment % SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 CaO MgO SO 3 MgO K 2 O PAF 20.58 4.90 4.70 62.8 0.53 2.28 0.63 0.42 1.00 C 3 S C 3 S C 3 A C 4 AF 41.8 33.3 5.1 10.7 clinker Calcaire Gypse 86.5 10 3.5 - Granulats constitues de sable roulé provenant de Oued Chlef, qui a pour module de finesse Mf = 2.42, une densité apparente de 1.63 et un équivalent de sable Es = 89.74 %, et un gravier concassé de la carrière d Oued Fodda de la région de Chlef (Algérie), dont Les impuretés sont de l ordre de 1.2% et un coefficient Los Angeles LA = 24 %. Les courbes granulométriques des deux constituants (sable, gravier) sont représentées sur la figure 2. - Superplastifiant haut réducteur d'eau, fabriqué par la société Algérienne Granitex ; commercialisé sous l appellation «MEDAFLOW 30». De couleur jaunâtre, de densité de 1,07 et de 30% d extrait sec. - L eau utilisée dans notre cas est l eau du robinet supposée potable et ne contient aucune impureté nuisible. 3
Figure 2. Courbes granulométriques du sable et gravier. 2.2. Formulation et préparation des éprouvettes Afin d optimiser la composition préliminaire trouvée par la méthode de Dreux-Gorisse, des essais de maniabilité sont effectués au niveau du laboratoire pour optimiser la composition en fixant le rapport E/C à 0,45 avec un dosage de 400 kg/m3 de ciment, et faire varier le rapport S/G. Cette formulation préliminaire doit être optimisée selon la méthode pratique de Baron- Lesage [1]. Avec cette méthode, on à tester quatre mélanges avec S/G différent (0.5;0.6;0.7;0.8) pour chercher la valeur optimale donnant la meilleure ouvrabilité. Les résultats sont représentés sur la figure 3. La valeur optimale trouvée coïncide avec la valeur obtenue par la méthode Dreux-Gorisse. La préparation des éprouvettes (7 7x28cm) est réalisée selon la norme NF P 18-400. Le malaxage est réalisé à l aide d une bétonnière dont la durée de malaxage totale est de 3 minutes. La vibration a été réalisée à l aide d une table vibrante à amplitude de vibration réglable. Les échantillons sont démoulés après une journée puis conservés dans l eau à 20C jusqu au jour de l essai. Les essais réalisés sont l essai de traction par flexion à trois points et l essai de compression sur les demi-prismes résultants du premier essai. Figure 3. Recherche de la compacité optimale. 4
3. RESULTATS ET DISCUSSIONS 3.1. Influence du taux de fibres métalliques sur la résistance à la compression Les résultats de résistance à la compression du béton avec différentes fractions volumiques de fibres d aciers obtenues à 7 et 28 jours sont représentés dans la figure 4. La figure 3 montre que la limite de rupture des bétons en compression à l âge de 7 et 28 jours est croissante en fonction de l augmentation du taux de fibres et le gain de résistance par exemple à 7 jours, il est de l ordre de 11, 21 et 29 % pour un dosage volumique en fibres respectivement de 0.5, 1 et 1.5%, ceci peut s expliquer par la forme et l orientation des fibres ainsi que la bonne liaison ou adhérence des fibres métalliques avec la matrice du béton qui permet d augmenter la capacité à retarder la formation des fissures et arrêter leur propagation. Figure 4. Variation de la résistance à la compression en fonction du temps. 3.2. Influence du taux de fibres métalliques sur la résistance à la traction par flexion Les essais ont été réalisés sur des éprouvettes 7 7 28 cm avec un béton de différents pourcentages de fibres (0, 0.5, 1 et 1.5%), et testées à l âge de 7 et 28 jours. Figure 5. Variation de la résistance à la traction par flexion en fonction du temps. 5
D après la figure 5, on constate que l addition de fibres entraîne une nette augmentation de la résistance à la traction par flexion telle qu on obtient une résistance qui double de valeur en présence de 1.5% de fibres. Pour un béton contenant 1% de fibres métalliques, sa résistance à la flexion est améliorée de 62 %. Il est bien clair que l amélioration apportée par l ajout des fibres sur le comportement mécanique en traction par flexion est beaucoup plus importante que celle à la compression, cette amélioration est due à la participation de la fibre à la couture de fissures. 3.3. Influence du taux de fibres métalliques sur la déformabilité (Courbe effort-flèche) Le suivi des flèche d éprouvettes de dimensions 7x7x28 cm et comportant différentes proportions de fibres métalliques, a été exécuté par l appareil CBR. L évaluation des flèches est mesurée au micron prés, en tenant compte de la vitesse de déformation et de la déformabilité de l anneau de mesure de la force concentrée. L anneau est équipé de comparateur de déformation (1µ) où on peut lui attribuer la force exercée correspondante. La figure 6 illustre les résultats obtenus. Figure 6. Evolution des flèches en flexion de la charge pour une éprouvette de 7x7x28 cm. Le béton de fibres a présenté une flèche au pic, proportionnelle à la quantité des fibres qu il contient. Pour une éprouvette ayant une épaisseur de 7cm, sa flèche correspondante à la charge maximale est de 0.71, 1.86, 2.27 et 2.49 mm respectivement pour une présence de fibres métalliques de 0, 0.5, 1 et 1.5%. Après ce pic la flèche continue d augmenter tout en gardant une résistance à la flexion acceptable, Il est bien clair d après la figure 6 que l'allure des courbes effort-flèche est identique pour toutes les teneurs en fibres utilisées, on peut voir trois zones, on constate que la première partie du diagramme est une zone sans dégradation, ce qui traduit la phase élastique, avant l apparition de la première fissure. La microfissuration reste très discrète dans cette partie. Puis une zone présentant un léger infléchissement correspondant au début de la fissuration, c est la limite au-delà de laquelle les fissures se développent de manière instable. Une troisième phase plastique très apparente, caractérisée par l'augmentation des flèches à charge relativement constante. 6
A partir de ces résultats, on constate que les fibres métalliques : - retardent l apparition des fissures, - augmentent la contrainte maximale, - améliorent la ductilité et la déformation. 3.4. Influence du taux de fibres métalliques sur la ductilité du béton L augmentation de la résistance à la fissuration et celle à la flexion sont les caractéristiques généralement mentionnées, mais la plus importante et la plus typique des bétons renforcés de fibres, c est sa ténacité. A partir de la figure 7, pour une éprouvette de 7 cm d épaisseur le facteur de ductilité évolue de la valeur unitaire d un béton témoin jusqu à 1.52, 1.86 et 2.33 respectivement pour un béton comportant 0.5, 1 et 1.5 % de fibres métalliques. L indice de ductilité du béton témoin est égal à 1, celui de béton de fibres varie avec le pourcentage de fibres, leur nature mais également avec la vitesse de chargement. Figure 7. Facteur de ductilité en fonction du dosage en fibres. Cet indice permet de déterminé la qualité d une fibre. Il faut noter qu il dépend aussi de l apparition de la première fissure, si cette dernière se produit rapidement, l indice sera élevé, si elle se produit tard, l indice sera faible. 4. CONCLUSION Cette étude a mis en évidence le rôle et l influence du taux de fibres métalliques sur les caractéristiques des bétons, après les résultats trouvés on peut citer les remarques suivantes : - L augmentation du taux des fibres métallique diminue la maniabilité des bétons testés mais elle reste toujours dans le domaine plastique par ajout progressive de superplastifiant. - Le comportement en compression n est que peu influencé par la présence des fibres, on constate une légère progression de la résistance à la compression en fonction du taux de fibres métalliques. 7
- L addition de fibres entraîne une nette augmentation de la résistance à la traction par flexion, qui double de valeur en présence de 1,5% de fibres. - L ajout de fibres métalliques même à faible pourcentage 0.5% améliore le comportement mécanique des bétons. On observe aussi une rupture fragile du béton témoin sans aucune déformabilité au-delà de l apparition de la fissuration. Par contre, pour le béton de fibres une évolution des flèches post fissuration est encore mesurable malgré la diminution de la charge concentrée. - Les fibres métalliques sont ajoutées dans la matrice pour améliorer la ductilité et la résistance en flexion et retarder la formation et le développement des fissures. 5. BIBLIOGRAPHIE [1] Rossi, P., 1998. Les bétons de fibres métalliques. Presse de l ENPC. [2] S. ROLS, Conception d'un composite ciment-fibres de polypropylène ductile et durable, Thèse Génie des matériaux. Lyon : INSA, 1996, 206p. [3] R. Roziere, S. Granger, PH. Turcry, A. Loukili. Influence of paste volume on shrinkage cracking and fracture, Cement and concrete composite, 29(2007), 626-636. [4] R. Nilica, H. Harmuth. Mechanical and fracture mechanical characterization of building materials used for external insulation composite systems. Cement and Concrete Research, 35(2007) 1641-1645. [5] Casanova, P., "bétons renforces de fibres métalliques du matériau a la structure Etude expérimentale et analyse du comportement de poutres soumises à la flexion et à l'effort tranchant", Thèse Doctorat, Ecole Nationale des Ponts et Chaussées, 1995, 225 pages. [6] Damgir, R.M., and Ghugal, Y. M., Prediction of compressive strength by incorporating steel fibers, 35th Conference on Our World in Concrete & Structures, Singapore, 2010, 25-27. [7] RamlI, M., and Thanon dawood E., High-Strength Flowable Mortar Reinforce d By Steel Fiber. Slovak journal of civil engineering, 19(2011), 10-16. [8] N. Banthia, M. Sappakittipakom. Toughness enhancement in steel fiber reinforced concrete through fiber hybridization. Cement and concrete research. 37 (2007) 1366-1372. [9] M. Bentalha, H. Houari. Etude du comportement des matrices cimentaires renforcées de fibres métalliques sous chargement monotone croissant. Sciences & Technologie. 25(2007) 51-58. [10] Boulekbache, B., "Etude des bétons de fibres métalliques avec référence aux propriétés rhéologiques et de ductilité sous sollicitations de : Compression, Fendage, Cisaillement direct et Flexion", thèse doctorat en sciences, Université Houari Boumediene, Alger, 2010, 166 pages. 8