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LES BETONS FIBRES A ULTRA HAUTES PERFORMANCES
GENERALITES
La recherche d’une résistance en compression élevée (fc > 60 MPa) pour la réalisation de structures élancées justifie souvent à elle seule le recours aux Bétons à Hautes Performances (BHP). En effet, elle permet au concepteur d’optimiser la taille et le poids des ouvrages grâce à la diminution de l’épaisseur des éléments. Toutefois, une haute résistance en compression n’est pas le seul intérêt des bétons à hautes performances. Ainsi, par rapport aux bétons « classiques », les BHP apportent les améliorations suivantes :
− meilleure durabilité intrinsèque du matériau,
− fluage réduit en particulier pour les BHP avec fumée de silice,
− possible fluidité de ces bétons qui limite considérablement les accidents de bétonnage,
− rigueur de formulation qui impose un suivi de fabrication rassurant pour le maître d’œuvre.
Les bétons fibrés à ultra hautes performances (BFUP) se distinguent des bétons à hautes et très hautes performances (AFGC-Sétra, 2002) :
− par leur résistance en compression, supérieure à 150 MPa,
− par l’emploi systématique de fibres, qui assurent la non-fragilité du matériau et modifient le recours classique aux armatures passives,
− par leur fort dosage en liant et la sélection dont les granulats font l’objet.
La présence de fibres dans le béton améliore la ductilité en agissant sur le processus de fissuration à deux échelles : à l’échelle du matériau (augmentation de la résistance à la traction) et à l’échelle de la structure (augmentation de la capacité portante et de la ductilité).
Les BFUP actuellement disponibles sur la marché notamment en France, sont : le BSI® développé par Eiffage (Thibaux, 2010a), les différentes gammes du Ductal® (Batoz et Behloul, 2010) incluant le BPR (Béton de Poudres Réactives) issu du programme de recherche entre Bouygues, Lafarge et Rhodia, et le BCV® de Vinci (Delauzun et al., 2010). Des développements ont eu lieu ou sont en cours chez la plupart des cimentiers mais aussi dans certains laboratoires comme :
− l’IFSTTAR (ex-LCPC) avec le CEMTEC- multiscale® (Rossi et al., 2005). Ce matériau a été utilisé pour la réparation de dalles de ponts routiers (Brühwiler et al., 2005 ; Brühwiler et Denarié, 2008).
− l’Université de Kassel en Allemagne avec le M1Q, B3Q BFUHP (Fehling et al., 2005).
− l’Université de Delft aux Pays-Bas avec l’Hybrid-fibre concrete (Markovic, 2006).
− l’Université de Cardiff au Royaume-Uni avec le CARDIFRC (Stiel et al., 2004).
− l’Université de Michigan (Wille et al., 2011).
− le Centre d’Etudes et de Recherche de l’Industrie du Béton [CERIB] (Toutlemonde, 2010) .
Parallèlement aux BFUP, d’autres matériaux présentant certaines caractéristiques communes aux BFUP ont été développés comme les High Performance Fibre Reinforced Cement Composites [HPFRCC] (JSCE, 2008). Ces matériaux tels que l’ECC (Li et Leung, 92 ; Fischer and Li, 2007) sont caractérisés par une grande ductilité en traction mais avec des performances en termes de résistance à la compression et à la traction et de durabilité inférieures à celles des BFUP (fc ≤ 80 MPa).
COMPOSITION DES BFUP
La formulation des bétons à hautes performances repose sur un ou plusieurs des critères suivants :
− réduction de la taille des granulats pour améliorer l’homogénéité du mélange afin d’éviter un ensemble d’inclusions rigides qui sont des défauts vis-à-vis du comportement mécanique et qui constituent des points de concentration de contraintes.
− augmentation du volume de pâte (ciment et additions réactives),
− optimisation de la distribution granulométrique des poudres et granulats,
− réduction du rapport Eau/Liant (E/L) à une valeur inférieure à 0,4,
− éventuellement amélioration de la microstructure par traitement thermique après prise,
− ajout de fibres pour augmenter la capacité de déformation et la résistance à la fissuration,
− amélioration de la limite élastique par l’emploi de micro-fibres métalliques.
Ainsi, on peut distinguer différentes gammes de BHP (Toutlemonde, 2004):
− gamme des BHP (fc-cara = 50 à 80 MPa) BHP sans ultrafines utilisant des superplastifiants pour une réduction du rapport Eau/Ciment (E/C) [E/C = 0,35 à 0,4],
− gamme des BTHP (fc-cara = 60 à 100 MPa) BTHP avec ultrafines (fumée de silice notamment) et superplastifiants pour une défloculation (E/C =0,27 à 0,35),
− gamme des BTHP (fc-cara = 100 à 180 MPa) BTHP avec ultrafines ainsi qu’une optimisation granulaire poussée et un choix particulier des granulats (E/C =0,2 à 0,3),
− gamme des BUHP (fc-cara = 180 à 250 MPa) BUHP avec ultrafines ainsi qu’un choix des matériaux et une limitation des hétérogénéités (E/C =0,17 à 0,25). Traitement thermique éventuel après la prise du matériau.
En ce qui concerne les bétons de fibres métalliques « classiques » (BFM), ceux-ci se caractérisent par une gamme de résistance en compression qui s’étend de 30 MPa à 100 MPa et un pourcentage volumique de fibres compris entre 0,4 % et 1,5 % (rarement plus de 1 %). Pour ces bétons, les fibres ont un rôle de reprise partielle d’efforts secondaires : ferraillage minimum, contrôle de l’ouverture des fissures de retrait empêché.
Les BFUP se distinguent donc :
− des BUHP par l’emploi de fibres,
− des BFM par une matrice cimentaire nettement améliorée et un pourcentage de fibres plus élevé (supérieur à 2 %).
CARACTERISTIQUES MECANIQUES DES BFUP
Les propriétés mécaniques des BFUP présentent un intérêt fondamental pour le comportement structural. On passe en revue la situation de base qui concerne les poutres sollicitées par un moment de flexion et un effort tranchant. Le comportement en compression uniaxiale et en compression avec une déformation transversale de traction concomitante est décrit dans un premier temps. Ensuite, le comportement en traction uniaxiale est détaillé, en particulier l’aspect multifissurant des BFUP pseudo-écrouissants et l’aspect monofissurant des BFUP adoucissants.
COMPORTEMENT EN COMPRESSION DES BFUP
Le comportement en compression uniaxiale des BFUP se caractérise par :
− une résistance en compression comprise entre 150 MPa et 250 MPa ;
− un module élevé compris entre 45 GPa et 65 GPa. La variation des modules entre les différents BFUP dépend essentiellement de la rigidité des granulats utilisés ;
− une évolution limitée de la linéarité jusqu’à un niveau de contrainte proche de la résistance maximale (85-90 %).
Une fois la contrainte ultime atteinte, comme pour tous les bétons, la déformation n’est plus homogène au sein de l’éprouvette testée et la décroissance de l’effort observée après le pic correspond à un effet de structure. Cette décroissance peut d’ailleurs être particulièrement brutale et dispersée si le taux de fibres est inférieur au pourcentage minimum de fibres préconisé (Fouré, 2010). L’allure des courbes est donc relativement dispersée entre les auteurs. Cette dispersion est liée à une différence de comportement notamment selon le volume de fibres du matériau testé mais également à une différence des protocoles d’essais et des moyens de mesure utilisés. Les tests réalisés par (Behloul, 1996) sur du BPR® révèlent l’existence d’un plateau une fois le pic d’effort atteint, suivi d’une chute de contrainte qui se stabilise sous la forme d’un second plateau à environ un tiers de la contrainte ultime, qui continue jusqu’à une déformation de l’ordre de 2% (voir Figure 1-1). Les essais de (Jungwirth et Muttoni, 2004 ; Jungwirth, 2006) sur du BSI® indiquent une diminution de contrainte brusque après le pic de l’ordre de 10%, suivie par un comportement progressivement adoucissant (voir Figure 1-1). Enfin les tests menés par (Fehling et al., 2005) montrent un comportement adoucissant après le pic caractérisé par une inversion de pente.
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Table des matières
INTRODUCTION
CONTEXTE GENERAL
OBJECTIFS DU TRAVAIL DE THESE
MODALITES DES TRAVAUX EXPERIMENTAUX
PORTEE DE CETTE CONTRIBUTION
ORGANISATION GENERALE DU MANUSCRIT
CHAPITRE 1 ETAT DE L’ART
1.1 LES BETONS FIBRES A ULTRA HAUTES PERFORMANCES
1.1.1 GENERALITES
1.1.2 COMPOSITION DES BFUP
1.1.3 CARACTERISTIQUES MECANIQUES DES BFUP
1.1.3.1 COMPORTEMENT EN COMPRESSION DES BFUP
1.1.3.2 COMPORTEMENT EN TRACTION DES BFUP
1.1.4 RECOMMANDATIONS ET REGLES DE CALCUL
1.1.5 REALISATION DE STRUCTURES EN BFUP
1.2 CARACTERISATION DU COMPORTEMENT EN TRACTION
1.2.1 CLASSIFICATION DU COMPORTEMENT DES BETONS FIBRES
1.2.2 ESSAIS DE CARACTERISATION DU COMPORTEMENT EN TRACTION DES BETONS FIBRES
1.2.2.1 ESSAIS DE TRACTION DIRECTE
1.2.2.2 METHODES D’ESSAI INDIRECTES SUR EPROUVETTES ENTAILLEES
1.2.2.3 METHODES D’ESSAI INDIRECTES SUR EPROUVETTES NON-ENTAILLEES
1.2.3 CONCLUSIONS
1.3 COMPORTEMENT A L’EFFORT TRANCHANT
1.3.1 POUTRES EN BETON ARME OU PRECONTRAINT
1.3.1.1 GENERALITES
1.3.1.2 FACTEURS INFLUENÇANT LE COMPORTEMENT DES POUTRES A L’EFFORT TRANCHANT
1.3.1.3 EVALUATION DE LA RESISTANCE A L’EFFORT TRANCHANT
1.3.1.4 CONCLUSION
1.3.2 POUTRES EN BETON DE FIBRES METALLIQUES
1.3.2.1 COMPORTEMENT EXPERIMENTAL
1.3.2.2 EVALUATION DE LA RESISTANCE A L’EFFORT TRANCHANT
1.3.2.3 CONCLUSION
1.3.3 POUTRES EN BETON FIBRE A ULTRA HAUTES PERFORMANCES
1.3.3.1 COMPORTEMENT EXPERIMENTAL
1.3.3.2 EVALUATION DE LA RESISTANCE A L’EFFORT TRANCHANT
1.3.3.3 DISCUSSION
1.3.4 CONCLUSIONS
CHAPITRE 2 CARACTERISATION DU COMPORTEMENT POST-FISSURATION EN TRACTION
2.1 INTRODUCTION
2.2 CAMPAGNE EXPERIMENTALE
2.3 METHODE DIRECTE : ESSAIS DE TRACTION DIRECTE
2.3.1 PRINCIPE DE LA METHODE
2.3.1.1 ESSAIS PRECURSEURS ET PHASE DE DEVELOPPEMENT
2.3.1.2 METHODE APPLIQUEE LORS DE LA CAMPAGNE EXPERIMENTALE
2.3.2 RESULTATS EXPERIMENTAUX
2.3.2.1 DEPOUILLEMENT DES RESULTATS
2.3.2.2 COMPORTEMENT ELASTIQUE
2.3.2.3 COMPORTEMENT POST-FISSURATION
2.3.2.4 CONCLUSION
2.4 METHODE INDIRECTE : ESSAIS DE FLEXION QUATRE POINTS
2.4.1 DESCRIPTION DU DISPOSITIF EXPERIMENTAL
2.4.1.1 DISPOSITIF GENERAL DES ESSAIS ET ASSERVISSEMENT
2.4.1.2 INSTRUMENTATION DES CORPS D’EPREUVE
2.4.1.3 DEROULEMENT DES ESSAIS
2.4.2 PRINCIPE DES METHODES D’ANALYSE
2.4.2.1 BFUP PRESENTANT UNE MULTIFISSURATION FINE ET FAIBLEMENT ESPACEE
2.4.2.2 BFUP PRESENTANT UNE MULTI MACROFISSURATION
2.4.2.3 DEMARCHE ADOPTEE POUR LE TRAITEMENT DES RESULTATS EXPERIMENTAUX
2.4.3 RESULTATS EXPERIMENTAUX
2.4.3.1 COMPORTEMENT ELASTIQUE (LIMITE DE LINEARITE ET MODULE D’YOUNG)
2.4.3.2 COMPORTEMENT POST-FISSURATION
2.5 CONFRONTATION DES RESULTATS ANALYSES ISSUS DES ESSAIS DE TRACTION DIRECTE ET DE FLEXION QUATRE POINTS
2.5.1 TYPE DE COMPORTEMENT POST-FISSURATION ET COMPORTEMENT ELASTIQUE
2.5.1.1 TYPE DE COMPORTEMENT POST-FISSURATION
2.5.1.2 COMPORTEMENT ELASTIQUE (LIMITE DE LINEARITE ET MODULE D’YOUNG)
2.5.2 COMPARAISON POUR LES BFUP ECROUISSANTS EN TRACTION DIRECTE
2.5.3 COMPARAISON POUR LES BFUP ADOUCISSANTS EN TRACTION DIRECTE
2.6 CONCLUSIONS
CHAPITRE 3 COMPORTEMENT A L’EFFORT TRANCHANT DES POUTRES EN BFUP
3.1 INTRODUCTION
3.2 DESCRIPTION DE LA CAMPAGNE EXPERIMENTALE
3.2.1 CARACTERISTIQUES ET DIMENSIONNEMENT DES CORPS D’EPREUVE
3.2.1.1 CARACTERISTIQUES DES CORPS D’EPREUVE
3.2.1.2 VERIFICATIONS DU DIMENSIONNEMENT PAR RAPPORT A L’OBJECTIF DE RUPTURE PAR EFFORT TRANCHANT
3.2.2 FABRICATION DES POUTRES
3.2.3 DISPOSITIF D’ESSAI ET INSTRUMENTATION DES CORPS D’EPREUVE
3.2.3.1 DISPOSITIF GENERAL DES ESSAIS ET ASSERVISSEMENT
3.2.3.2 PROGRAMME DE CHARGEMENT
3.2.3.3 INSTRUMENTATION DES CORPS D’EPREUVE
3.3 RESULTATS EXPERIMENTAUX
3.3.1 CARACTERISATION DES DIFFERENTS MATERIAUX
3.3.1.1 COMPORTEMENT MECANIQUE DES BFUP OU BUHP
3.3.1.2 CARACTERISATION MECANIQUE DES ARMATURES PASSIVES ET ACTIVES
3.3.2 COMPORTEMENT GLOBAL DES POUTRES
3.3.2.1 POUTRES PRECONTRAINTES
3.3.2.2 POUTRES ARMEES
3.3.2.3 SYNTHESE
3.4 ANALYSE PAR LA CONFRONTATION DES RESULTATS AVEC DIFFERENTS MODELES DE CALCUL
3.4.1 FISSURATION DIAGONALE D’EFFORT TRANCHANT
3.4.1.1 ANALYSE DES ESSAIS VIS-A-VIS DE LA FISSURATION DIAGONALE
3.4.1.2 COMPARAISON AVEC D’AUTRES CAMPAGNES EXPERIMENTALES
3.4.2 RESISTANCE A L’EFFORT TRANCHANT : APPROCHE « CONTRAINTE – OUVERTURE DE FISSURE »
3.4.2.1 METHODES TESTEES : HYPOTHESES PRISES EN COMPTE POUR LES CALCULS
3.4.2.2 COMPARAISON ENTRE LES RESULTATS EXPERIMENTAUX ET LES DIFFERENTES PREVISIONS
3.4.3 RESISTANCE A L’EFFORT TRANCHANT : APPROCHE « CONTRAINTE – DEFORMATION »
3.4.3.1 APPROCHE ANALYTIQUE
3.4.3.2 MODELISATION NUMERIQUE : APPROCHE CONTINUE
3.5 CONCLUSIONS
CONCLUSION GENERALE
