Généralité sur les bétons fibrés

Comportement de béton fibré à la compression

La figure I.10 montre le comportement d’un cylindre en béton soumis à un effort de compression. Pour un béton ordinaire, le comportement est linéaire élastique jusqu’`a environ 30% de la résistance à la compression. Au-delà de cette phase dans les micro-défauts préexistants dans l’éprouvette de béton, des microfissures naissent et sont souvent la conséquence d’irrégularités dans le champ de compression dues à la présence d’inclusions plus rigides (les granulats) ou moins rigides (les pores) (Redaeilli, 2009). Alors ces fissures se propagent parallèlement à l’effort de compression jusqu’à une contrainte d’environ 70-75% de la résistance à la compression. Pour des contraintes supérieures, les fissures commencent à interagir (Majumdar and Narayan Swamy, 1977). La rupture est atteinte par la formation d’un mécanisme global dont la forme dépend des caractéristiques du matériau, de sa géométrie (Redaeilli, 2009). La figure I.11 montre la courbe contrainte-déformation de compression dans un béton de fibres métalliques ayant un dosage en ciment de 500 kg/m3.

La même allure que celui du béton sans fibre est obtenue avec un même comportement dans la phase élastique, sauf que la résistance à la compression finale (fc) est de 10 à 15% plus importante. La différence des contraintes post-pic obtenue entre les deux dosages étudiés (2 et 3%) est de l’ordre 50 %. L’ajout de fibres n’influence que faiblement sur le comportement avant pic. Les valeurs de (fc) et (εc) peuvent théoriquement augmenter, grâce au contrôle de la fissuration exercé par les fibres pendant la phase de propagation des fissures longitudinales. En revanche, l’ajout d’un taux important de fibres dans le mélange augmente le nombre de micro-défauts présents dans le matériau (Neves R. D and F. de Almeida, 2005). Les fibres influencent généralement de façon positive la ductilité en compression et augmentent l’énergie nécessaire à l’ouverture et au glissement le long des surfaces de rupture. Les fibres empêchent l’éclatement et la séparation des morceaux en béton fissuré et garantissent une résistance résiduelle importante. Cette efficacité des fibres peut être influencée par la direction de bétonnage comme dans le cas des agrégats, la présence des fibres peut entrainer la formation de vides à cause des effets locaux de la ségrégation (cf. Figure I.12) (Redaeilli, 2009).

La tenue au feu : Le béton est un matériau poreux qui renferme de l’eau, cette eau excédentaire est nécessaire à l’ouvrabilité du béton à l’état frais. Dans le cas d’élévation importante de la température, l’eau restée prisonnière se transforme en vapeur créant des contraintes internes pouvant entraîner un écaillage du béton en surface. La tenue au feu est un aspect relatif à la durabilité des bétons fibrés. Les fibres métalliques n’apportent pas un plus déterminant dans la tenue au feu des structures. Par contre, les microfibres de polypropylène, ont un effet positif très significatif vis-à-vis de cette problématique. Cette efficacité constatée est liée à un phénomène très simple : lors d’un feu, les fibres de polypropylène disparaissent (elles ont atteint leur point de fusion) pour laisser la place à un réseau important de fines “canalisations” (capillaires) réparties dans tout le volume de la structure. Ces canalisations servent de vases d’expansion pour la vapeur d’eau sous pression générée par le feu de s’échapper et de réduire la pression dans les pores. Ce phénomène constitue un moyen efficace pour limiter l’écaillage de surface d’un béton soumis à une élévation de température excessive (Rossi, 2010)

L’utilisation des fibres de toutes natures dans plusieurs domaines en particulier dans la construction est de plus en plus pratiquée. Vu les problèmes de santé que présente les fibres d’amiante, leur substitution par des fibres végétales ou synthétiques est plus en plus utilisée. De ce fait, de récentes recherches sont en cours dans le but d’améliorer les propriétés des matériaux renforcés par ces fibres. La nature des fibres utilisées est en relation avec leurs applications et les modes de mise en oeuvre. Le choix des fibres dépend du rôle que l’on désire faire jouer. Il est certain qu’un rôle structural assez élevé associe à une grande durabilité et à une utilisation économique exige l’emploi de fibres de haut module d’élasticité comparé à celui de la matrice. En général, on peut affirmer que les fibres fortes que certaines avec les modules d’élasticité beaucoup plus élevés que celles du ciment et du béton, si elles sont présentes dans la matrice et ayant des rapports d’aspect appropriés amélioreront les différentes caractéristiques mécaniques de la matrice non renforcée. L’amélioration peut être importante en fonction de la fibre, sa géométrie, son orientation et du dosage volumique dans la matrice et la fabrication du composite.

L’incorporation de la plupart des fibres discutées dans ce chapitre confère une pseudo-ductilité au béton après la fissuration de la matrice. Cette caractéristique de l’extraction des fibres confère à la matière un degré élevé des améliorations apportées au retrait, à la fatigue, de résistance aux chocs, ce qui modifie la nature de l’insuffisance fragile des matériaux cimentaires. Comme le cas au très jeune âge, du fait des faibles ouvertures des fissures pouvant se créer et du mauvais ancrage de certaines fibres dans la matrice peu compacte et adhérente. Les microfibres de polypropylène sont efficaces vis-à-vis de la propagation des fissurations due au retrait plastique ; Ce phénomène constitue un moyen efficace pour les propriétés de la surface de béton au cours du temps et sur la durabilité de l’ouvrage. Les microfibres de polypropylène sont recommandées aussi pour améliorer la tenue au feu des structures en béton pour limiter le phénomène d’écaillage de surface d’un béton soumis à une élévation de température excessive. Le chapitre 2 sera consacré à une synthèse bibliographique sur tous les paramètres influençant le comportement du béton aux (FPP) à l’état frais, durci et ainsi que sur des paramètres de sa durabilité.

Les différents travaux effectués sur le paramètre d’ouvrabilité

L’affaissement au cône d’Abrams est incontestablement un des essais les plus simples et les plus fréquemment utilisés pour obtenir une indication sur l’ouvrabilité du béton frais. Voici un aperçu sur l’ajout de la FPP sur l’ouvrabilité pour les articles suivants: (Toutanji, 1999) a déterminé l’ouvrabilité d’un béton préparé avec des FPP de 6 et 51 mm de longueur et avec un dosage volumique de 0,1 ; 0,3 et 0,5% correspondant à un dosage massique de 0,9 ; 2,7 et 4,5kg/m3. Les résultats obtenus montrent qu’avec l’augmentation de la fraction volumique de la FPP de 0,1 ; 0,3 et 0,5 %, une diminution respective de l’affaissement est de l’ordre de 14 ; 7 et 4,4 cm ainsi le béton qui était très plastique pour devenir ferme (cf. Tableau II.1) Tableau II.1: Influence du dosage en FPP sur l’affaissement (Toutanji, 1999) (Najimi et al., 2009) ont étudié l’effet de la FPP de 6 ; 12 et 19 mm de longueur sur l’affaissement d’un béton avec un dosage massique de 2 kg/m3 de FPP. Les résultats obtenus montrent que l’ajout de la FPP diminue l’ouvrabilité du béton normal de 7 cm aux alentours de 3 cm pour toutes les longueurs de la fibre de 6 ; 12 et 19 mm et donc le béton était plastique pour devenir ferme mais la longueur de la fibre n’a pas une grande influence sur ce paramètre pour un même dosage (cf. Tableau II.2) (Karahan and Atiş, 2011) ont étudié l’influence de la FPP sur l’ouvrabilité des bétons frais.

Les fibres utilisées ont une longueur de 19 mm et un dosage volumique de 0 ; 0,05 ; 0,1 et 0,2 % correspondant à un dosage massique de 0 ; 0,45 ; 0,9 et 1,8 kg/m3. Les résultats montrent une réduction de l’affaissement des bétons fibrés avec l’augmentation de la teneur en fibres de 17cm pour le béton normal et le béton avec 0,45 kg/m3 à 16 et 14cm pour les dosages de 0,9 et 1,8 kg/m3 (cf. Tableau II.3) Zhang and Li, 2013) ont étudié l’effet de la FPP sur l’ouvrabilité et la durabilité du composite de béton contenant 15% de la cendre volante et 6% de fumée de silice. Les auteurs ont utilisé des fractions volumiques de la FPP de (0 ; 0,06 ; 0,08 ; 0,1 et 0,12%) soit des dosages massiques de (0 ; 0,54 ; 0,72 ; 0,9 et 1,08 kg /m3) avec une proportion de fibre de 60% de longueur de 10-15mm et un pourcentage de 40% de longueur de 15-20 mm. À partir de la figure ci-dessous, les auteurs ont montré que l’addition de la FPP diminue l’affaissement du composite de béton avec 15% de cendre volante et 6% de fumée de silice. Avec l’augmentation de la fraction volumique de la fibre, l’affaissement diminue progressivement de 22 cm pour un béton sans fibres à 20,3 cm pour un dosage de 0,12 % de la FPP (cf. Figure II.1) (Afroughsabet and Ozbakkaloglu, 2015) ont effectué un test d’ouvrabilité pour un béton contenant de la fumée de silice et de la FPP de 12 mm de longueur avec l’ajout d’un super plastifiant.

La fraction volumique de la fibre est de 0 ; 0,15 ; 0,30 et 0,45% correspondant à un dosage massique de 0 ; 1,35 ; 2,7 et 4,05 kg/m3. Les résultats montrent qu’il y a une chute de l’ouvrabilité pour le béton sans fibre de 17cm à 13 ; 11,5 et 8 cm pour un dosage de 1,35 ; 2,7 et 4,05 kg/m3 respectivement (cf. Tableau II.4) (Saidani et al., 2016) ont mesuré l’affaissement au cône d’Abrams pour un béton normal avec différents dosages en microfibre polypropylène FPP de 6 mm de longueur ayant un dosage volumique de 0 ; 1 ; 2 et 4 % par rapport au volume du ciment correspondant à un dosage massique de 0 ; 1,7 ; 3,4 et 6,8 kg/m3 en fibre. Les résultats montrent qu’il y a une certaine limite à l’ajout de la FPP au mélange. Avec un dosage de 1,7 et 3,4kg/m3 de fibre, l’affaissement était de 9,3cm pour un béton normal pour atteindre 2 et zéro cm et pour l’augmentation de ce dosage à plus de 6,8 kg/m3, le mélange semble être trop collant et relativement sec après avoir retiré le cône d’affaissement et donc cela attire l’attention sur la quantité d’eau qui a été aspirée par les fibres. En outre, les particules d’agrégats ont été séparées et non pas bien entourées par le mélange, comme on peut le voir sur la figure (cf. Figure II.2)

Essai de perméabilité à l’eau

Les différents travaux effectués sur le paramètre de perméabilité à l’eau : (Suhaendi and Horiguchi, 2006) ont mesuré le coefficient de perméabilité à l’eau pour un béton contenant un dosage en FPP de (0 ; 0,25 et 0,5%) soit un dosage massique de 0 ; 2,25 et 4,5 kg/m3. Les fibres utilisées ont une longueur de 6 et 30mm. Les résultats obtenus indiquent une augmentation du coefficient de perméabilité à l’eau avec l’augmentation de la teneur en fibre, de la longueur des fibres (cf. Tableau II.19) (Ramezanianpour et al., 2013) ont effectué un essai de pénétration d’eau sur des échantillons cubique de 150 mm de côté sous une pression de 5 bars pendant 72 h pour mesurer la perméabilité du béton avec des FPP de 12mm de longueur et un dosage massique de (0 ; 0,5 ; 0,7 ; 0,9 ; 2 et 4kg/m3). Les résultats obtenus indiquent que toutes les profondeurs de pénétration d’eau pour les bétons fibrés sont inférieures à celle du béton témoin (cf. Figure II.15).

En effet, la profondeur minimale de pénétration est de 7,7 mm pour l’échantillon contenant une teneur en fibres de 0,7 kg / m3 soit 30% inférieure à celle du béton sans fibre, ce résultat peut être probablement liée à l’effet de blocage des pores par les FPP au-delà de ce dosage une augmentation de la profondeur de pénétration d’eau est signalée, ce phénomène est dû à l’accroissement de la porosité induit par la forte addition de la FPP. Zhang and Li, 2013) ont utilisé une série d’éprouvettes de 175 ; 185 mm de diamètre avec une même hauteur de 150 mm pour déterminer la profondeur de pénétration de l’eau du composite de béton contenant 15% des cendres volantes et 6% de fumées de silice. Il a utilisé quatre fractions de volume de fibres différentes (0 ; 0,06 ; 0,08 ; 0,1 et 0,12%) soit des dosages massiques de (0 ; 0,54 ; 0,72 ; 0,9 et 1 ,08 kg /m3) avec une proportion de fibre de 60% de longueur 10-15mm et un pourcentage de 40% de longueur 15-20 mm. La pression de l’eau a été contrôlée à 35 bars. Le test devrait durer 24 h avant que les spécimens ne soient retirés de l’instrument. Les résultats obtenus montrent que l’addition de la FPP diminue considérablement la profondeur de pénétration de l’eau. Comme la fraction de fibre de fibres de polypropylènes est augmentée de 0 à 0,12%, la profondeur de pénétration de l’eau diminue de 20% de 8,7 mm à 7 mm (cf. Figure II.16).

Table des matières

Introduction générale
Chapitre I. Généralité sur les bétons fibrés
I.1. Introduction
I.2. Les bétons fibrés
I.3. Définition de la fibre
I.4 Les différents types de fibres
I.4.1. Fibres naturelles végétales
I.4.1.1. Les fibres de cellulose
I.4.2. Fibres naturelles minérales
I.4.2.1. Les fibres d’amiante
I.4.3. Fibres synthétiques d’origine minérale
I.4.3.1. Les fibres de verre
I.4.3.2. Les fibres de carbone
I.4.3.3. Les fibres d’acier
I.4.4. Fibres synthétiques organique
I.4.4.1. Les fibres polypropylènes
I.5. Les caractéristiques et les propriétés des fibres
I.6. Comportement de béton fibré à l’état frais
I.7. Comportement de béton fibré à l’état durci
I.7.1. Paramètres influençant le comportement mécanique
I.7.1.1. Longueur des fibres
I.7.1.2. Orientation préférentielle des fibres
I.7.1.3. La taille fibre/granulats
I.7.2. Comportement de béton fibré à la compression
I.7.3. Comportement à la traction
I.7.4. Comportement au retrait plastique
I.7.5. Comportement au fluage
I.7.6. La tenue au feu
I.8. Conclusion
Chapitre II. Revue bibliographique
II.1. Introduction
II.2. Essai sur le béton frais
II.2.1. L’ouvrabilité par le cône d’affaissement
II.2.1.1. Les différents travaux effectués sur le paramètre d’ouvrabilité
II.2.1.2 Principaux renseignements tirés de la littérature du paramètre d’ouvrabilité
II.3. Essai sur le béton durci
II.3.1. Résistance à la compression
II.3.1.1. Les différents travaux effectués sur le paramètre de compression
II.3.1.2. Principaux renseignements tirés de la littérature du paramètre de compression
II.3.2. Résistance à la traction par flexion
II.3.2.1. Les différents travaux effectués sur le paramètre de traction
II.3.2.2. Principaux renseignements tirés de la littérature du paramètre de traction par flexion
II.4. Essai de durabilité
II.4.1. Essai d’absorption capillaire
II.4.1.1. Les différents travaux effectués sur le paramètre d’absorption capillaire
II.4.1.2. Principaux renseignements tirés de la littérature du paramètre d’absorption capillaire
II.4.2. Essai de porosité
II.4.2.1. Les différents travaux effectués sur le paramètre de porosité
II.4.2.2. Principaux renseignements tirés de la littérature du paramètre porosité
II.4.3. Essai de perméabilité à l’eau
II.4.3.1. Les différents travaux effectués sur le paramètre de perméabilité à l’eau
II.4.3.2. Principaux renseignements tirés de la littérature du paramètre de perméabilité à l’eau
II.4.4. Essai de diffusion des ions chlorure
II.4.4.1. Les différents travaux effectués sur le paramètre de diffusion des ions chlorure
II.4.4.2. Principaux renseignements tirés de la littérature du paramètre de diffusion des ions chlorure
II.5. Conclusion
Chapitre III. Matériaux et méthodes
III.1. Introduction
III.2. Choix des matériaux
III.2.1. Ciment
III.2.2. Granulats
III.2.3. Eau de gâchage
III.2.4. Fibre polypropylène
III.2.5. Adjuvant
III.3. Propriétés des matériaux utilisés
III.3.1. Masses volumiques des granulats utilisés
III.3.2. Analyse granulométrique
III.3.2. Equivalent de sable
III.4. Préparation des bétons :
III.4.1. Paramètres étudiés
III.4.2. Nombre d’échantillons préparés
III.4.3. Composition de béton
III.4.4. Protocole de fabrication du béton
III.5. Méthodes
III.5.1. Essai sur le béton frais
III.5.1.1. Essai d’affaissement au cône d’Abrams
III.5.2. Essai sur le béton durci
III.5.2.1. Essai de résistance à la compression
III.5.2.2. Essai de résistance à la traction par flexion
III.5.3. Essai de durabilité
III.5.3.1. Essai de la porosité accessible à l’eau
III.5.3.2. Essai d’absorption capillaire
III.5.3.3. Essai de mesure de la perméabilité à l’eau
III.6. Planning des essais effectués
Chapitre IV. Résultats et interprétations
IV.1. Introduction
IV.2. Essai sur le béton frais
IV.2.1. Essai d’affaissement au cône d’Abrams
IV.3. Essai sur le béton durci
IV.3.1. Essai de résistance à la compression
IV.3.2. Essai de résistance à la traction par flexion
IV.4. Essais de durabilité
IV.4.1. Essai de porosité accessible à l’eau
IV.4.2. Essai de perméabilité à l’eau
IV.4.3. Essai d’absorption capillaire
IV.5. Conclusion
Conclusion générale et recommandations
Références bibliographiques
Annexes

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