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AUTRES PROPRIETES

Fluage

Le fluage du matériau engendre une redistribution des efforts au sein d’une structure. Les mécanismes qui en sont à l’origine portent toujours à controverse [Neviile 1981, Acker 1988, Guénot 1995] et sont liés à la matrice. Les chargements appliqués étant généralement faibles (de l’ordre de 30% de la résistance au jour d’application de la charge), les macrofibres n’ont pas à jouer leur rôle de couture. Le fluage a été relativement peu étudié dans le cas des bétons de fibres bruts, mais les essais réalisés montrent en effet peu de différence avec un béton blanc [Adams 1975, Dehousse 1975]. Dans le cas d’un béton optimisé avec une forte teneur en fibres, il est probable que l’augmentation de la quantité de pâte provoque une augmentation du fluage.

Fatigue

La majorité des essais réalisés à ce jour, et cette thèse n’échappe pas à la règle, a concerné des chargements monotones. Ces essais permettent de comprendre, de modéliser et de quantifier l’apport des fibres mais ne correspondent pas au chargement réel d’un ouvrage. En effet, une dalle, par exemple, est soumise à des chargements constants (stockage) sur de longues périodes; une poutre de pont est soumise à des chargements variables en fonction du trafic. On ne s’intéresse pas dans ce paragraphe au cas particulier des séismes qui est évoqué plus loin.
Deux types d’essais doivent donc être réalisés pour étudier ce comportement. Le premier peut être qualifié d’essai de « fatigue statique » et est lié aux phénomènes visqueux : on maintient une charge constante sur un élément de structure. Seuls des essais sur poutres et sur anneaux ont été réalisés [Nürnbergerova 1992]. Ils ont montré un bon comportement des bétons de fibres, qu’on peut attribuer à la capacité des fibres à contrôler une fissuration même fine. Cependant, on peut regretter qu’aucun essai n’ait encore été réalisé sur des éléments de structure préfissurés. Le second type d’essais concerne les chargements cycliques à basse fréquence et à charges modérées. Comme pour le comportement au cisaillement, les fibres améliorent nettement la ductilité des structures mais, en présence d’armatures, elles modifient peu la capacité portante [Batson 1972, Morris 1981, Le Roy 1986, Otter 1986, Ramakrishnan 2987, Johnston 1991, Kwak 1991].

Comportement dynamique

On a vu au paragraphe III que l’arrachement d’une fibre pouvait dissiper une importante énergie. Cette propriété a conduit les chercheurs à étudier le comportement des bétons de fibres soumis à un chargement dynamique. La gamme des chargements dynamiques est très vaste [Toutiemonde 1995]. On peut en distinguer deux catégories : les séismes et les chocs (mous ou durs). Les deux types d’action ont été étudiés et ont montré une augmentation de l’énergie dissipée grâce aux fibres.
En ce qui concerne les simulations de séismes, on retrouve des résultats du même ordre que pour les chargements cycliques évoqués plus haut [Lakshmipathy 1986, Jindal 1987, Dei Toro 1988, La Borderie 1991, Katzensteiner 1992, Tang 1992]. On peut néanmoins souligner un meilleur comportement des noeuds de rive par rapport aux noeuds courants, car ceux-ci sont plus durement sollicités par les chargements combinant cisaillement et flexion. L’intérêt des fibres est ici de remplacer tout ou partie des étriers ce qui diminuerait ia main d’oeuvre et faciliterait le bétonnage. En ce qui concerne les chocs, on peut distinguer les essais de perforation des essais de souffle ou de choc mou. Dans tous les cas, on observe une nette augmentation de l’énergie dissipée et de l’effort maximum appliqué [Naaman 1984, Reinhardt 1986, Razani 1988, Bailly 1990 et 1991, Mindess 1993, Gambarova 1994] par rapport à un béton blanc. Bailly suggère que cette augmentation reflète un mécanisme de structure (multifissuration) couplé à une augmentation de l’énergie dissipée lors de l’arrachement dynamique d’une fibre. Dans le cas d’une combinaison de fibres avec des armatures traditionnelles, on observe une augmentation importante du pic d’effort notamment avec un BHP.

Retrait

Le retrait, ou plutôt les retraits du béton sont à l’origine d’une fissuration qui peut être importante. On entend par retrait les déformations d’origine thermique ou hydrique du béton. Acker propose trois mécanismes élémentaires (autodessiccation conséquence de la contraction le Châtelier, dessiccation, chaleur d’hydratation) pour décrire les différents retraits (endogène, hydrique, thermique) [Acker 1992J. Ces phénomènes sont donc dus à la pâte de ciment, et leurs conséquences dépendent des conditions aux limites mais aussi du squelette granulaire.
De nombreux essais ont été réalisés mais il faut les étudier avec précaution. En effet, on compare généralement un béton blanc et des bétons de fibres. La compacité n’étant pas optimisée, la teneur en air peut être très différente. Ceci explique des résultats souvent contradictoires d’un article à l’autre. Il demeure que les fibres semblent avoir peu d’influence sur l’amplitude des retraits, mais qu’en revanche elles améliorent la répartition de la fissuration dans le cas de retraits empêchés [El Hachem 1990, Granju 1991, Kovler 1993].
En ce qui concerne l’amplitude des retraits, il est plus efficace de travailler sur la composition de la pâte. On a ainsi récemment obtenu des bétons à très faible retrait [de Larrard 1995]. Il faut souligner que dans le cas du retrait dit « plastique » (dessiccation prématurée en surface), l’addition de fibres synthétiques limite la fissuration. Mais le même résultat peut aussi être obtenu par une bonne cure.

Durabilité

Le maître d’ouvrage souhaite, bien évidemment, être assuré de la pérennité de la construction. En ce qui concerne les fibres métalliques, le problème principal est la corrosion. Des essais ont été menés en laboratoire et sur site, sur des blocs sains ou fissurés [Hannant 1975, Mangat 1987, Kosa 1991, Hara 1992, Grzybowski 1993]. La détérioration observée dépend du milieu extérieur mais aussi de l’ouverture initiale des fissures. Ainsi lors du resurfaçage d’une autoroute au Québec, on a pu observer l’absence de corrosion des fibres d’acier dans les fissures d’ouverture inférieures à 0,3 mm, après 8 années de service, et malgré l’utilisation de sels de déverglaçage [Chanviilard 1994a]. Enfin, les fibres affleurant à la surface se corrodent rapidement, ce qui nuit à l’aspect des parements et est particulièrement néfaste pour les applications en bâtiment, même si la rouille ne se propage pas en profondeur. Afin de remédier partiellement à ces problèmes, on peut utiliser des fibres traitées contre la corrosion.

Résistance au feu

Le bâtiment semble pouvoir fournir un large champ d’applications des bétons de fibres car il utilise des éléments préfabriqués peu ferrailles. La tenue au feu des éléments de structure est alors une des préoccupations majeures. A priori, le fait que les fibres soient courtes et apportent un renforcement discontinu doit permettre une bonne tenue au feu grâce au pouvoir isolant du béton. Cependant la question reste entière en ce qui concerne les sections fissurées. Peu d’essais ont été réalisés concernant ces problèmes, mais les bétons de fibres semblent montrer un comportement satisfaisant [Kamal 1992, Sarvaranta 1994, Kodur 1995].

UTILISATIONS DANS LES STRUCTURES

Les premières applications industrielles des BFM se sont imposées pour des raisons technologiques. Une deuxième famille d’applications, qui est le produit de réflexions et de modélisations rendues possibles par la recherche, commence à apparaître.
Dans la première catégorie, on trouve généralement des structures peu sollicitées : les dallages industriels, le béton projeté, les pieux forés et certains produits préfabriqués. Les dallages industriels consomment la majeure partie des fibres métalliques utilisées à travers le monde. Les fibres se sont imposées à la place d’un treillis soudé forfaitaire, souvent mal posé et gênant la mise en oeuvre. Dans le même type d’applications, on peut citer les voies de roulement des aéroports ainsi que les réparations de chaussées ou de trottoirs [Wu 1987, Granju 1992], Dans le cas de voies de roulement hautement sollicitées en fatigue, on n’hésite pas à utiliser des quantités élevées de fibres [Me Gregor 1995].
Pour le béton projeté en tunnel, la technique traditionnelle consiste à mettre en place un treillis dont la pose est longue et coûteuse [Morgan 1984]. De plus, les armatures créent une « ombre » lors de la mise en place du béton et génère des « hors profils » qui augmentent la quantité de béton à mettre en place. Le béton de fibres projeté permet donc, à la fois, une économie de temps et de main d’oeuvre, mais aussi un gain de qualité du renfort [Vandewalle 1990]. On retrouve les mêmes types de justification pour l’emploi des fibres dans la fabrication des pieux forés à la tarière creuse [Lamotte 1988, Vincent 1990, Berthelot 1994]. En effet, il est difficile de descendre des cages d’armatures dans un pieu de grande profondeur et cela prend du temps. L’emploi dans les produits préfabriqués se justifie lui aussi par une facilité de mise en oeuvre par rapport à la solution en béton armé. Parmi les applications, on peut citer les abris de transformateurs. Dans le cas des coffres-forts ou des conteneurs de déchets radioactifs, on fait appel, en plus, aux qualités de contrôle de la fissuration [Pech 1992]. Parmi les applications en bâtiment, on peut citer les panneaux de façade.
La deuxième catégorie de produits est en plein développement. Citons par exemple les dalles champignons [Destrée 1995]. Ces dalles, en appui sur des pieux, sont dimensionnées pour reprendre une sollicitation de flexion supérieure à la sollicitation de fissuration. On a donc affaire à un véritable élément de structure indépendant du sol. Il en est de même des dalles de ponts mixtes [Jaeger 1995]. Les voussoirs préfabriqués de tunnel sont une autre application prometteuse. Des réalisations ont déjà eu lieu en Italie et en Angleterre [Moyson 1994, Wallis 1994], ainsi que des essais en France [Casanova 1995a]. Les fibres paraissent particulièrement adaptées pour remplacer les ferraiîlages tridimensionnels complexes. Dans le cas des tunnels, on est parvenu à une optimisation du creusement qui met en avant l’intérêt des fibres [Sakai 1995]. On a en effet conçu un tunnelier qui coule le béton de fibres sous pression ä l’avancement, le tunnelier servant de coffrage glissant, ce qui permet de diminuer le temps de fabrication et d’augmenter la sécurité. Un nombre important de recherches ont été effectuées sur des éléments de structure. Des poutres ont ainsi été testées en flexion, à l’effort tranchant et en torsion. Des poteaux ont été testés en flexion composée [Al-Shaikh 1992, Alsayed 1992] et les fibres apparaissent comme un complément utile des cerces pour les poteaux en béton à hautes performances car elles assurent une ductilité supplémentaire. Comme indiqué au paragraphe « Comportement dynamique », un effort de recherche important a été effectué sur les noeuds d’ossature et a montré l’amélioration du comportement sous chargement alterné. On peut citer le développement d’une méthode de calcul par éléments finis qui permettra le dimensionnement aux chocs des conteneurs à haute intégrité dont l’objectif est l’entreposage de déchets à longue durée de vie [Sercombe 1995].

CONCLUSION

Le principal intérêt des BFM est leur capacité à se mettre en oeuvre comme un béton ordinaire ce qui permet un gain de temps, et souvent de qualité, par rapport à une solution traditionnelle. Il apparaît cependant un manque de quantification des caractéristiques mécaniques en fonction du type et de la quantité de fibres. Il n’existe pas, à proprement parler, de règles de dimensionnement des structures construites en béton de fibres. En fait, il existe des principes de calcul des dallages industriels et des pieux forés, mais il sont basés sur une caractéristique, le pic en traction par flexion, sur iaquelle les fibres n’interviennent pas pour les faibles dosages utilisés. Dans le cas des bétons projetés, en tunnel, la SNCF a adopté une approche pragmatique qui consiste à comparer les solutions béton armé et béton de fibres sur la base d’un essai de poinçonnement et de l’énergie qu’il dissipe. Cependant, si on veut un jour passer d’un chemisage provisoire à un revêtement définitif, il est nécessaire de pouvoir le dimensionner.
On a noté que les quantités de fibres étudiées dans ce mémoire (qui incluent celles utilisées industriellement) ne permettent pas une amélioration intrinsèque du matériau, mais apportent une amélioration du comportement structural, grâce au contrôle de la macrofissuration. L’emploi de ces matériaux dans les structures doit donc s’accompagner d’une caractérisation du comportement après fissuration, ainsi que d’une modélisation des éléments de structure fissurés. Cette démarche n’a été appliquée que récemment [Zahn 1991, Stang 1991, Glavind 1994, Schneider 1994] et on se propose de la développer dans le cadre de ce travail, en l’appliquant à l’étude du comportement de poutres.

Comportement postfïssuration en traction

Résumé

Les BFM étudiés dans ce mémoire contiennent des fibres métalliques longues (de 30 à 60 mm) en dosage limité (de 0,4 à 1,25 % en volume). L’action des fibres sur le comportement mécanique n’intervient donc qu’après localisation des macrofissures. On propose de caractériser cette action par un essai de traction uniaxiale sur éprouvette entaillée. Cet essai fournit une relation effort – ouverture de fissure dont on vérifiera, aux chapitres suivants, qu’elle permet le calcul prédictif du comportement d’éléments de structures.
Après une présentation de l’essai et de ses limites, on donne des exemples de résultais pour divers BFM. L’influence de certains paramètres tels que la nature des fibres, leur géométrie, l’anisotropie de répartition induite par la mise en oeuvre est mise en évidence. Ces effets militent en faveur de l’établissement d’une carte d’identité du matériau en fonction de sa composition et de sa mise en oeuvre. On propose ainsi une procédure d’exploitation qui conduit à la détermination d’un diagramme caractéristique (tenant compte de la dispersion des essais) qui peut être utilisé pour le dimensionnement d’une structure. On précise qu’il est nécessaire de carotter les éprouvettes dans des massifs représentatifs de l’application visée afin de prendre en compte l’influence de la mise en oeuvre. Pour se placer dans des conditions proches du chargement en place, le prélèvement des éprouvettes doit s’effectuer dans la direction des sollicitations principales.

QUEL ESSAI POUR QUEL OBJECTIF ?

Le calcul de structures en BFM nécessite la détermination de la « loi de comportement », supposée intrinsèque, du matériau. Comme il a été précisé au chapitre 1, les macrofibres, dans la plage des quantités utilisées dans cette étude, modifient principalement le comportement après fissuration. Il a de plus été souligné que le comportement en traction permet d’expliquer, au moins qualitativement, les résultats expérimentaux observés à partir d’autres sollicitations. Malheureusement, il n’existe pas aujourd’hui de modèle théorique permettant de prévoir, à partir de la composition du matériau, le comportement du béton de fibres après fissuration en traction. Plusieurs méthodes expérimentales ont donc été développées pour quantifier l’action des fibres sur le contrôle de la fissuration. Ce sont les essais de fendage et de module de rupture (qui ne donnent accès qu’à une valeur pic qualifiée de « résistance »), l’essai de flexion (avec mesure de la flèche et du comportement postfissuration) et l’essai de traction uniaxiale. Cependant, la plupart de ces essais ne permettent pas de déterminer un comportement intrinsèque du matériau. En effet, les résultats dépendent généralement de la taille des éprouvettes et font intervenir des effets structuraux qu’il est difficile d’analyser en terme de comportement en traction.
Il est important de rappeler ici l’influence de la mise en oeuvre sur l’anisotropie et l’homogénéité du matériau, donc sur ses caractéristiques mécaniques et leur dispersion. Si, à l’origine, les fibres ont été introduites dans le béton pour en assurer un renforcement homogène, la réalité est différente. Il est donc indispensable, dans l’optique d’un calcul de structure, de caractériser le matériau in situ dans les directions principales de sollicitations.

Fendage et module de rupture

Les essais les plus couramment utilisés pour caractériser le comportement en traction du béton sont les essais de fendage et de module de rupture (essai de flexion 3 points, piloté en effort). Ils sont appréciés en raison de leur simplicité d’exécution mais génèrent des sollicitations hétérogènes qui provoquent des effets d’échelle importants (effet de gradient). On a vu au chapitre 1, qu’en présence de fibres, la couture des macrofissures pouvait augmenter la valeur de l’effort maximum appliqué, par l’intermédiaire d’un effet de structure.
Dans le cas de l’essai de fendage, la localisation est perçue par l’émission d’un bruit. Le tableau 2.1 montre que l’effort maximum atteint, dans le cas d’un béton de fibres particulier, est supérieur à l’effort de fissuration. Or, l’interprétation des résultats de l’essai de fendage en terme de résistance en traction directe est basée sur les hypothèses de la mécanique des milieux continus. Il est donc discutable de convertir l’effort maximum mesuré en une résistance à la traction directe du matériau.
Effort de fissuration (kN) 484 510 495 510 450 ?
Effort maximum (kN) 618 744 707 675 628 648
Tableau 2.1 – Essais de fendage sur éprouvettes 16 x 32 cm. BHP fibre (résistance moyenne à la compression de 90 MPa, Î00 kg de fibres en acier à crochets). L’effort de fissuration est noté à l’instant où on capte l’émission d’un bruit caractéristique.
En utilisant un dosage suffisant en fibres, la propagation d’une macrofissure intervient avant le pic d’effort lors d’un essai de module de rupture. Cependant, une fois encore, on interprète cette valeur d’effort en terme de résistance à la traction en considérant le prisme comme élastique.
Malgré leur caractère non intrinsèque, ces valeurs de résistance sont utilisées par certains auteurs pour déterminer des relations empiriques de prévision du comportement de poutres [Swamy 1985, Sharma 1986, Narayanan M. 1987, Ashour 1992]. On est en droit de s’interroger sur la validité de ces relations à des échelles différentes en raison de l’hétérogénéité du champ de contraintes pour les deux essais présentés. De plus, cette valeur unique de résistance n’est pas reliée à une ouverture de fissure. Or, d’une part, un essai de traction montre que la résistance évolue avec l’ouvert

Table des matières

INTRODUCTION
Chapitre 1 – PROPRIETES CONSTRICTIVES
Résumé
Introduction
Formulation, fabrication et mise en oeuvre
Mécanismes physiques
Propriétés mécaniques
Autres propriétés
Utilisation dans les structures
Conclusion
Chapitre 2 – COMPORTEMENT POSTFISSURATION EN TRACTION
Résumé
Quel essai pour quel objectif ?
Essai de traction uniaxiale sur éprouvette entaillée
Résultats expérimentaux
Conclusion
Chapitre 3 – COMPORTEMENT EN FLEXION
Résumé
Introduction
Observations expérimentales
Modélisation d’une section fissurée
Validation du modèle
Extension à la flexion composée
Conclusion
Chapitre 4 – COMPORTEMENT A L’EFFORT TRANCHANT
Résumé
Introduction
Première partie : étude bibliographique
A – Poutres en béton armé
B – Poutres en béton de fibres
C – Conclusion de l’étude bibliographique
Deuxième partie : étude expérimentale de poutres en T
Introduction
Dispositif d’essai et corps d’épreuve
Résultats et analyse
Comparaison avec une méthode de calcul simplifié
Conclusion des essais sur poutres en T
Troisième partie : poutrelles rectangulaires en Béton à Hautes Performances
Introduction
Présentation de l’essai
Résultats expérimentaux
Conclusion des essais de poutrelles
Conclusion générale sur le comportement à l’effort tranchant des poutres en
Béton renforcé de Fibres Métalliques
Chapitre 5 – MODELISATION NUMERIQUE
Résumé
Introduction
Approche continue : élastoplasticité
Approche discrète : ie modèle probabiliste
Conclusion
CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES
Bibliographie
Annexe 1 – Composition des bétons
Annexe 2 – Résultats expérimentaux de caractérisation en traction
Annexe 3 – Algorithme du « noyau » du programme FLEXFIBRES
Annexe 4 – Résultats complémentaires de la validation du modèle de flexion
Annexe 5 – Résultats des essais à l’effort tranchant sur les poutres en T
Annexe 6 – Exploitation des résultats d’essai de Swamy et al (1993)
Annexe 7 – Résultats des essais sur les poutrelles rectangulaires en BHP
Annexe 8 – Comparaison économique BFM / BA (effort tranchant)

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