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Le béton renforcé de fibres est un béton auquel on ajoute des fibres, généralement des fibres métalliques ou polymères (additions), au moment de la fabrication, afin d’améliorer le comportement structural et l’aptitude au service. Les fibres, enrobées dans la pâte de ciment durcie, agissent comme une armature. Dans des cas particuliers, les fibres sont additionnées pour améliorer les propriétés du béton frais, p. ex. la rigidité du béton jeune, l’augmentation de la résistance au feu ou la réduction du rebond du béton projeté. Le terme béton renforcé de fibres est aussi employé lorsque le diamètre maximal du granulat est inférieur à 4 mm. Le béton fibré à ultra-hautes performances est traité séparément ici: béton fibré à ultra-hautes performances.
Les explications suivantes se limitent aux fibres courtes d’une longueur maximale de 50 mm. L’orientation des fibres dans le béton durci varie en fonction de la technique de mise en oeuvre:
dispersion spatiale régulière dans l’ensemble du volume du béton, y compris les surfaces, les arêtes et les angles
orientation préférentielle en un plan (béton fibré projeté)
L’addition de fibres peut réduire l’ouverture des fissures par la formation d’une multitude de très fines fissures qui sont en général sans conséquences. De cette manière, le développement des fissures est fortement limité (fig. 5.3.1).
Lorsqu’une première fissuration s’est formée dans le béton, les fibres peuvent assurer la transmission des tensions et des forces dans la zone fissurée. A condition d’être suffisamment encastrées dans la pâte de ciment, elles relient les deux flancs de la fissure et entravent sa propagation. Elles agissent donc comme un frein à la fissuration (fig. 5.3.2).
L’origine des fissures dans le béton peut varier (fissures). L’addition de fibres présente une mesure possible de prévention des fissures. Le tableau 5.3.1 récapitule l’emploi des fibres les plus couramment utilisées dans la pratique en fonction des causes de fissuration.
Fig. 5.3.1: Effet inhibiteur et dispersif des fibres en comparaison avec un béton sans fibres.
Fig. 5.3.2: Section fissurée d’un béton non armé et d’un béton renforcé de fibres avec la zone de transmission des contraintes lors de la fissuration initiale.
Tab. 5.3.1: Champs d’application des différents types de fibres.
5.3.2 Exigences normatives
En principe, le béton renforcé de fibres doit remplir les exigences de la norme SN EN 206. En plus, il doit respecter les règles de la recommandation SIA162/6 «Béton renforcé de fibres métalliques». Les exigences complémentaires sont à spécifier; telles que le type de fibres (longueur, diamètre), leur dosage ou leurs propriétés mécaniques faisant l'objet d'exigences, comme p. ex. la résistance effective à la traction par flexion fctf ou bien l’énergie de rupture Gf.
Selon la recommandation SIA 162/6, ces deux paramètres sont à déterminer expérimentalement par des essais sur dalle carrée ou circulaire en béton renforcé de fibres métalliques (fig. 5.3.3 béton renforcé de fibres). Alternativement, la résistance effective à la traction par flexion peut être déterminée sur un prisme de flexion (SN EN 14651: éprouvette pour fibres métalliques).
Le calcul de la sécurité structurale du béton renforcé de fibres se base sur la résistance ultime de la section. De manière simplifiée, on tient compte de la contribution des fibres à la transmission des forces sur le côté en traction dans un bloc de contraintes (fig. 5.3.4).
Fig. 5.3.3: Dalle carrée et circulaire en béton renforcé de fibres métalliques après l’essai selon SIA 162/6.
Fig. 5.3.4: Répartition des contraintes pour la détermination de la résistance ultime de la section selon SIA 162/6.
Un dimensionnement analogue pour les bétons renforcés de macrofibres polymères est recommandé jusqu’à l’introduction d’un règlement normatif en Suisse.
Le béton projeté renforcé de fibres possède selon la norme SN EN 14487-1 les propriétés supplémentaires et/ou complémentaires suivantes:
classes de résistance résiduelle
classes de la capacité d’absorption d’énergie
La résistance résiduelle, aussi appelée résistance postpeak, correspond à la contrainte calculée dans le béton renforcé de fibres en fonction de la flèche de l’éprouvette lors d’un essai de flexion. La capacité d’absorption d’énergie indique la quantité d’énergie qui peut être absorbée en chargeant une plaque renforcée de fibres (aire sous la courbe contrainte/flèche, voir figure 5.3.9 béton léger).
5.3.3 Technologie du béton
Généralités
La composition des bétons renforcés de fibres correspond généralement à celle des bétons pompés (béton pompé). Les bétons renforcés de fibres montrent un besoin de pâte en ciment plus élevé pour un enrobage suffisant des fibres et pour une bonne finition de surface. La courbe granulométrique du granulat est plus riche en sable que celle d’un béton sans fibres. En règle générale, on choisit une consistance plastique à la mise en oeuvre.
Les bétons renforcés de fibres métalliques pour des sols industriels armés possèdent des teneurs en fibres atteignant jusqu’à 35 kg/m3. Les dosages plus élevés de 35 à 80 kg/m3 ne sont employés dans la pratique que dans des cas particuliers, p. ex. lorsqu’une grande partie de l’armature minimale est remplacée par des fibres métalliques.
Les dosages habituels des fibres polymères varient entre 0.5 et 2 kg/m3 pour restreindre le retrait plastique et 2 à 4 kg/m3 pour améliorer la résistance au feu. Les macrofibres polymères sont dosées à raison de 3 à 10 kg/m3 pour augmenter la capacité porteuse.
Ciment
En principe, tous les ciments admis par la norme SN EN 206 sont aptes à la production de béton renforcé de fibres.
Granulats
Le diamètre maximal du granulat peut influencer la répartition et l’orientation des fibres. Si la longueur des fibres est trop courte par rapport au diamètre maximal du granulat, les fibres seront écartées par le granulat et leur longueur sera insuffisante pour ponter de manière efficace les fissures entre les grains les plus grands (fig. 5.3.5). Le diamètre maximal du granulat doit être adapté à la longueur des fibres, p. ex. pour le béton projeté il est souvent limité à 8 mm. Par contre, le béton renforcé de fibres pour les sols industriels et les surfaces de roulement peut être produit avec un granulat à diamètre maximal de 32 mm (longueur habituelle des fibres métalliques 60 mm). En général, la longueur de la fibre sera au moins 2 fois plus grande que le diamètre maximal du granulat. Un granulat concassé ou à granularité discontinue combiné à un fort dosage en fibres peut influencer négativement l’ouvrabilité du béton.
Fig. 5.3.5: Influence du diamètre maximal du granulat sur la répartition des fibres: à gauche distribution homogène des fibres et du granulat, à droite écartement des fibres par un granulat à diamètre maximal trop grand.
Malaxage
Les fibres sont ajoutées au béton frais pendant le malaxage. Il faut veiller à une bonne séparation des fibres et leur distribution homogène dans le béton frais. Il est avantageux de mélanger d’abord le béton et introduire les fibres par la suite. La durée de malaxage humide n’augmente pas dans le cas de fibres métalliques. L’addition des fibres dans le malaxeur principal de la centrale à béton assure une répartition optimale des fibres.
Les fibres peuvent aussi être ajoutées dans le camion malaxeur, en faisant tourner le tambour à haute vitesse pendant 5 minutes. Les fibres, pour des besoins statiques, ne doivent pas être endommagées, pliées ou tordues pendant le malaxage. Si l’élancement des fibres (rapport entre la longueur et l’épaisseur) augmente, l’ouvrabilité diminue et la tendance à former des pelotes de fibres se renforce (fig. 5.3.7). Dans la pratique, on choisit un élancement des fibres l/d de 50–80.
Le dosage de grandes quantités de fibres est optimisé avec des équipements automatisés (fig. 5.3.8) qui facilitent le travail et permettent d’épargner du temps. Les fibres sont aussi livrées collées, en faisceaux qui se décomposent dans le béton frais ou en sachets solubles dans l’eau, ce qui facilite le dosage.
Mise en place
La mise en place du béton renforcé de fibres est en principe identique à celui du béton courant. Le sol de fondation ne doit pas être gelé et doit montrer suffisamment de stabilité. La pose de feuilles plastiques entre le sol compacté et la dalle de fondation, comme couche de séparation, rend l’emploi d’une couche de béton maigre souvent superflu. Dans le bâtiment, la dalle de fondation en béton renforcé de fibres est mise en place en une couche. Habituellement, on peut renoncer à une double nappe d’armatures, on déverse le béton directement du camion malaxeur dans le coffrage de la dalle. De plus, il est possible d’augmenter la cadence de mise en oeuvre en choisissant des dimensions de plaques plus grandes. Dans le cas du pompage d'un béton renforcé de fibres, le diamètre maximal du granulat sera limité en général à 16 mm. Il faut veiller à utiliser un diamètre du tuyau de pompage suffisamment grand (120 mm), et sans courbures, à cause du risque de bourrage.
Fig. 5.3.6: Fibres métalliques dans le béton frais.
Fig. 5.3.7: Pelotes de fibres, formées par une séparation insuffisante des fibres lors de l’introduction au malaxeur et une formulation du béton inadéquate.
Fig. 5.3.8: Spirale de dosage pour les fibres métalliques.
Compactage
Les bétons fibrées nécessitent plus d’énergie de compactage que les bétons sans fibres. L’énergie de compactage nécessaire augmente avec la teneur en fibres. Les équipements habituels de compactage (règle vibrante ou lisseuse à ailettes) peuvent être employés.
5.3.4 Recommandations pour la planification du béton renforcé de fibres
Comportement structural du béton fibré
Le béton sans fibres montre sous une sollicitation en traction une rupture quasi subite lorsque la résistance maximale à la traction est atteinte (voir fig. 5.3.9, courbe bleue). L’effet structural des fibres métalliques dans le béton repose sur l’arrachement des fibres de la pâte de ciment. L’adhérence des fibres au moment de l’arrachement absorbe beaucoup d’énergie. De ce fait, les bétons renforcés de fibres développent une grande puissance de dissipation et montrent une ductilité élevée.
Le comportement structural du béton fibré est caractérisé par sa résistance post-fissuration. Au contraire du béton sans fibres, la résistance ne tombe pas à zéro en cas d’effort de traction ou de flexion, mais reste au niveau de la résistance résiduelle (fig. 5.3.9, courbe rouge). Après la première fissuration, les fibres reliant les fissures sont arrachées de la pâte de ciment. Une fois la résistance à la première fissuration dépassée, la courbe contrainte/déformation, aussi appelée courbe de travail, est fortement influencée non seulement par le comportement vis-à-vis de l’arrachement des fibres, mais aussi par le dosage en fibres. La résistance résiduelle est, en règle générale, plus basse que la résistance à la première fissuration du béton en cas de moyennes ou faibles teneurs en fibres, inférieures à la teneur nommée «sous-critique». Dans les bétons à dosage très élevé en fibres avec une teneur «sur-critique» en fibres, p. ex. les BFUP, la résistance résiduelle maximale peut même dépasser la résistance au moment de la première fissuration. Ce comportement est présenté plus en détail ici: béton fibré à ultra-hautes performances.
Les facteurs les plus importants qui influent sur la résistance résiduelle sont multiples (tab. 5.3.2).
Fig. 5.3.9: Diagramme contrainte-déformation pour des bétons avec et sans fibres.
Tab.5.3.2: Influence des fibres sur la résistance résiduelle.
Propriétés mécaniques
L’addition de fibres métalliques et de macrofibres polymères peut augmenter la résistance à la compression, plus que doubler la résistance à la traction et multiplier la résistance au choc ainsi que l’absorption d’énergie. Le module d’élasticité n’est que légèrement influencé.
Résistance effective à la traction par flexion fctf
La figure 5.3.10 montre les domaines de résistance effective à la traction par flexion fctf selon la norme SIA 162/6 en fonction du dosage des fibres polymères et métalliques. Elle met en évidence qu’un dosage de macrofibres polymères de 10 kg/m3 donnera une résistance à la traction par flexion à peu près identique à celle d’un dosage de 25 kg/m3 de fibres métalliques. Au contraire du béton renforcé de fibres métalliques, une augmentation du dosage en macrofibres polymères ne conduira pas à une élévation de la résistance à la traction par flexion.
Fig. 5.3.10: Résistance effective à la traction par flexion fctf selon la norme SIA 162/6 pour différents types de fibres en fonction de leur dosage.
Composition du béton
Le tableau 5.3.3 présente des compositions de béton et des résistances effectives à la traction par flexion fctf pour différents bétons renforcés de fibres.
Fig. 5.3.11: Surface de rupture d’un béton renforcé de fibres métalliques.
Fig. 5.3.12: Dalle en béton renforcé de fibres. (Source: Bekaert (Suisse) SA).
Tab. 5.3.3: Exemple de formulation d’un béton renforcé de fibres pour différentes résistances effectives à la traction.