Qu'est-ce que le béton renforcé de fibres (BRF) ?
Un BRF est un béton auquel on ajoute des fibres métalliques pour remplacer complètement ou partiellement les ferraillages traditionnels.
Les dosages en fibres utilisés typiquement varient entre 15 et 50 kg/m³. Pour des applications structurelles le dosage peut même augmenter jusqu’à 100 kg/m³.
L’utilisation de fibres métalliques permet de réduire et de contrôler de manière efficace le retrait du béton. Les fibres relient les bords de fissure entre elles et permettent à travers de ce transfert de charges de garantir un certain niveau de résistance résiduelle après fissuration.
En parallèle, la présence de fibres évite que les microfissures toujours présentes dans le béton deviennent des macro-fissures.
Pour les dosages en fibre typiques, le comportement post-fissuration est en général partiellement ductile uniquement. Pour des dosages plus élevés respectivement par la mise en œuvre de fibres premium, on est à même d’obtenir un comportement parfaitement ductile avec écrouissage.
Comment les fibres métalliques agissent-elles dans le béton ?
Les fibres métalliques sont généralement déformées aux extrémités ou sur toute leur longueur. Ces déformations contribuent à un excellent ancrage de la fibre dans la matrice béton, de loin supérieur à l’adhérence seule entre béton et acier.
Les fibres d’acier sont réparties plus ou moins uniformément dans la masse de béton et leur orientation est spatiale. L’espacement typique entre deux fibres voisines varie entre 10 et 25 mm. De ce fait, les fibres métalliques peuvent bloquer les microfissures dans le béton dès leur apparition et éviter ainsi que la microfissure progresse et devienne une macrofissure.
Dans le cas de la formation d’une macrofissure, la fibre d’acier va agir comme un fer à béton miniature où les déformations du fil remplacent les longueurs d’ancrage traditionnelles.
Comment peut-on tester et déterminer la performance d’un BRF ?
La performance d’un BRF peut être mesurée de plusieurs façons selon différents essais standardisés. Aujourd’hui la méthode la plus courante consiste à mettre en charge des petites poutrelles en BRF bi-appuyées avec une section de 150 x 150 mm².
Les normes les plus connues en relation avec cette méthode sont la JSCE/SF4 japonaise, la CUR 35 néerlandaise, le DBV-Merkblatt allemand ou encore la directive RILEM. Un autre type d’essai consiste à tester des dallettes en BRF sous une charge ponctuelle ou une charge centrale linéaire.
Les documents les plus communs en relation avec ces essais de plaque sont :
Dans tous les cas, le comportement charge/déformation est enregistré durant l’essai afin de pouvoir caractériser le comportement post-fissuration du BRF et en déduire des valeurs de dimensionnement.
Quelle est la différence entre des fibres métalliques et des fibres micro-synthétiques ?
Les fibres micro-synthétiques sont des fibres plastiques très fines normalement faites de polypropylène (PP). Les dosages typiques sont de 600 à 900 g/m³ de béton.
Contrairement aux fibres métalliques, les fibres micro-synthétiques ne contribuent pas à améliorer le comportement post-fissuration du béton. Un béton renforcé de fibres micro-synthétiques restera aussi fragile qu’un béton non-armé. Les fibres micro-synthétiques ont uniquement une influence bénéfique sur le béton frais en réduisant le retrait plastique et en évitant que le béton commence à saigner.
Après le durcissement du béton et durant le séchage, les fibres micro-synthétiques rendent une partie de l’eau de gâchage au béton ce qui donne lieu à un effet de cure. En d’autres mots, elles ralentissent l’évaporation de l’eau libre dans le béton. Le même effet peut être obtenu avec des fibres d’acier en contrôlant de façon efficace la quantité d’eau ajoutée en fonction du mélange, en utilisant des plastifiants adéquats donnant lieu à des mélanges stables et ouvrables et en mettant en place une cure selon les règles de l’art dès que la surface est finie.
Quelle est la différence entre fibres métalliques et fibres macro-synthétiques ?
Les fibres macro-synthétiques sont de fibres en polypropylène ou autres matières synthétiques qui ont des géométries similaires aux fibres d’acier. Les dosages typiques vont de 2 à 10 kg/m³.
Les fibres macro donnent au béton une certaine résistance post-fissuration qui est cependant loin de ce qu’on peut obtenir avec des fibres métalliques. Etant donné que les composants synthétiques sont nettement plus légers que l’acier, la quantité de macro-fibres pouvant être intégrée sans problèmes majeurs dans le béton limite fortement le dosage maximal et donc la performance envisagée. De même, en raison du module d’élasticité relativement bas et au fluage du matériau sous charges permanents, le comportement à long terme (et donc la durabilité) est un problème sérieux.
Qu’entend-on par applications structurelles ?
En général, les ingénieurs font une différence entre applications portantes ou structurelles et applications non-portantes.
Une application est considérée comme structurelle si une ruine partielle ou complète d’un élément donné conduirait à la ruine consécutive d’autres éléments, accompagné de la perte de vies humaines et des dommages considérables. Les dallages industriels sur sol sont par exemple des applications non-structurelles, étant donné qu’une fissuration quelconque ne va pas conduire à la défaillance du bâtiment construit autour.
Par contre, un radier qui lui porte le bâtiment autour est à considérer comme une application structurelle, étant donné qu’une défaillance du radier peut conduire à une défaillance ou un endommagement consécutif du bâtiment entier.
Qu'est-ce que le retrait du béton ?
Afin d’obtenir une ouvrabilité suffisante du béton, il faut ajouter plus d’eau de gâchage que nécessaire pour la réaction chimique conduisant au durcissement, appelée également hydratation.
Dans un premier temps, cette eau reste dans le béton sous forme physique et une partie de cette eau quitte le béton par évaporation durant le séchage, donnant lieu à ce qu’on appelle le retrait. Si l’élément en béton ne peut pas suivre librement ce mouvement, des contraintes de tension et de flexion internes vont naître dans le béton, ce qui peut donner lieu à des fissures. Le retrait est spécialement critique pour les bétons jeunes. Avec le temps, le phénomène diminue jusqu’à venir plus ou moins à l’arrêt après une durée de 2 à 3 ans.
Le retrait est un comportement inhérent au béton qui va avoir lieu dans tous les cas. Il peut cependant être retardé en mettant en place une cure selon les règles de l’art respectivement réduit en choisissant une mélange de béton approprié. Les principaux paramètres influençant le retrait sont la quantité d’eau de gâchage, le rapport E/C, le volume de fines (ciment, cendre volante, fillers, microsilice, etc.) et le type de ciment. Si le béton est conservé sous eau, le phénomène inverse prend place ; le béton gonfle. Cependant dès que le séchage recommence, le retrait redémarre également.
Comment garantir que les fibres seront distribuées uniformément dans le béton ?
Le paramètre principal relatif à la distribution des fibres est le temps de malaxage.
En général, il faut prévoir un temps de malaxage de 1 minute par mètre cube de béton afin de garantir une répartition plus ou moins uniforme. Si les fibres sont intégrées directement dans le camion-malaxeur contenant le béton, les mêmes règles s’appliquent. Cependant, il faudra laisser tourner la toupie à pleine vitesse et le temps de malaxage ne devra pas être inférieur à 5 minutes indépendamment du volume.
Un deuxième paramètre influençant la distribution des fibres est la granulométrie. La courbe granulométrique est de préférence continue et le grain maximal est à adapter de sorte à ce qu’il y ait de la place pour installer toutes les fibres de manière correcte dans la matrice. La distribution des fibres est à considérer comme "uniforme" si aucune des valeurs du dosage mesurées sur base d’un volume de 10 litres de béton frais ne dévie pas plus de 20% par rapport à la valeur théorique.
Peut-on utiliser des fibres dans du béton auto-plaçant ?
Oui. L’utilisateur doit cependant avoir qu'en raison de la faible consistance, les fibres ont tendance à s’orienter dans la direction du fluage. Dans le cas où cette direction est différente de celle des contraintes principales de traction, l’utilisation du BRF pur sans autres ferraillages est fortement déconseillée.
Est-ce que l’addition de fibres métalliques a une influence sur l’ouvrabilité du béton ?
Oui. L’ajout de fibres métalliques rend le béton plus rigide et diminue l’affaissement au cône d’Abrams.
Pour un dosage en fibres typique de 20 à 40 kg/m³ on peut supposer que le slump va diminuer de 25 à 45 mm. Pour compenser cette perte, il faut toujours ajouter des fluidifiants au BRF et non de l’eau.
Peut-on pomper le BRF sans problème ?
Oui, le BRF reste même pompable à fort dosage (jusqu’à 100 kg/m³).
Comme pour d’autres bétons qui doivent être pompés, le mélange doit contenir suffisamment de fines pour lubrifier le procès et garantir un béton sable sans ségrégation. Les tuyaux de pompage pour BRF ne doivent pas être inférieurs à 120 mm en diamètre.
Qu’est ce qu’on entend par "oursin" et comment peut-on éviter ce problème ?
Un oursin est une multitude de fibres qui collent ensemble durant l’intégration des fibres et le malaxage. Les oursins peuvent bloquer la pompe à béton et former des intrus mal compactés dans le béton durci, susceptibles de fissuration.
On distingue deux formes d’oursins :
Le cas le plus classique est l’oursin sec, qui se forme durant l’intégration des fibres. Les fibres ne se dispersent pas correctement ni assez vite et sont alors couvertes d’une couche de pâte et sous le mouvement rotatif du tambour, le tout forme une boule qui peut atteindre 10 à 15 cm en diamètre. Ce phénomène peut être évité si on choisit une méthode d’intégration adéquate. En ouvrant un oursin sec, son intérieur contiendra uniquement des fibres et du sable fin. Il faut également noter qu’à élancement égal, certaines fibres sont plus susceptibles de former des oursins que d’autres et que pour une forme définie le risque de formation d’oursins augmente avec l’élancement (longueur de la fibre sur diamètre). En choisissant un type de fibre, il faut avoir un œil aussi bien sur la forme que sur l’élancement.
Les oursins humides se forment durant le malaxage, soit que le temps de malaxage soit trop long, que la courbe granulométrique soit discontinue, que le béton ne soit pas stable et ait tendance à ségréger ou encore que le grain maximal est tel à ne pas permettre une distribution uniforme des fibres. Etant donné que les oursins humides se forment après une première dispersion dans le béton, ils contiennent également d’autres agrégats. Il est à noter que les fibres encollées peuvent également former des oursins humides.
Dans le cas de formation d’oursins, il est très important de déterminer d’abord de quel type il s’agit afin de pouvoir proposer le(s) remède(s) approprié(s).
Comment peut-on déterminer le dosage en fibres sur du béton frais ou durci ?
La meilleure façon de déterminer le dosage est de le faire sur du béton frais étant donné que ceci permet de prendre des actions correctives avant le placement du béton.
En général la quantité de béton à analyser devrait être au moins 10 litres afin d'éviter que les résultats obtenus varient trop. Sur le béton frais, on peut enlever les fines et le sable par délavage et ensuite extraire les fibres du gravier par voie magnétique. C’est une méthode simple, mais qui consomme beaucoup de temps.
C'est pourquoi ArcelorMittal propose d’utiliser son dosomètre. Cet appareil permet d’extraire les fibres facilement et de manière fiable du béton par voie magnétique. Les fibres extraites sont ensuite séchées et pesées pour déterminer le dosage exact. La vérification du dosage en fibres sur béton durci est nettement moins fiable. Ceci est surtout du au fait que les échantillons sont pris par carottage et que le volume de ces carottes ne dépasse pas 2,5 litres. Le béton est ensuite broyé et les fibres sont extraites des résidus. Vu qu’on n’attrape que rarement toutes les fibres ou qu’on en endommage quelques unes, le dosage mesuré est normalement inférieur au dosage réel.
Aujourd’hui, on trouve également des appareils très sophistiqués sur le marché qui permettent la détermination non-destructive du dosage sur béton frais et/ou durci par induction magnétique. Cette méthode high-tech est assez coûteuse et requiert au préalable un calibrage très poussé avec les fibres utilisées avant de pouvoir l’utiliser sur chantier.
Quels paramètres des fibres ont une influence sur l’ouvrabilité du béton ?
Concernant l’ouvrabilité du béton, les paramètres principaux sont la forme géométrique, l’élancement, la longueur ainsi que le dosage en fibres.
De façon générale, on peut dire que les paramètres qui augmentent la performance réduisent en même temps l’ouvrabilité. Il est primordial de trouver un consensus entre ouvrabilité et performance.
Quel avantage apportent les fibres premium à haute résistance ?
Tous les types de fibres actuellement sur le marché se caractérisent par le déchaussement de la fibre de la matrice en béton à l’état ultime.
La plupart des fibres a une géométrie déformée. Cela signifie que les fibres doivent former des rotules plastiques au niveau des déformations pour suivre ce mouvement d’extraction. Une résistance en traction plus élevée du matériau de base signifie automatiquement un meilleur ancrage.
Les fibres à résistance élevée ont des performances supérieures aux fibres standard. Il convient de les utiliser également dans des bétons à résistance améliorée pour profiter pleinement de leurs avantages.
Qu’est-ce qu’on entend par ductilité et comportement post-fissuration ?
Le béton est un matériau fragile. Si on soumet ce matériau à un effort de traction, il va d’abord montrer un comportement purement élastique jusqu’à l’apparition de la première fissure. Une fois ce point atteint, la résistance résiduelle sera plus ou moins nulle et la rupture sera donc très soudaine et brutale.
Afin d’éviter un tel comportement imprévisible, le béton doit être renforcé soit par un ferraillage traditionnel soit par des fibres en acier. Ces renforcements garantissent que la perte de capacité portante après fissuration ne soit pas totale : c’est ce qu’on appelle comportement post-fissuration. Ce comportement peut être partiellement ou complètement ductile. Ductilité totale signifie que la section fissurée a une résistance supérieure à la section non-fissurée et que le comportement est donc écrouissant. Si par contre la résistance diminue après la fissuration sans toutefois aller vers zéro, on parle d’une ductilité partielle.
Avec la plupart des fibres à dosages traditionnels, on arrive à garantir une ductilité partielle au BRF. Dans ce cas, le niveau de ductilité dépend du type de fibre utilisé ainsi que du dosage en fibres choisi. Avec des dosages élevés et des fibres premium, il devient possible d’atteindre un comportement avec écrouissage souvent requis pour les applications structurelles.
Est-ce que les fibres métalliques peuvent remplacer le ferraillage traditionnel dans toutes les types d’applications et si non, pourquoi ?
Si un BRF montre un comportement de tension décroissant, il pourra uniquement être utilisé dans des applications non-portantes ou des applications temporaires sans ajouter d’autres armatures.
Dans les applications structurelles, une ductilité complète est requise pour éviter la ruine après fissuration. Cependant même dans ces cas, la substitution complète des ferraillages par des fibres est uniquement envisageable pour des éléments sollicités moyennement en flexion et ayant une portance multidirectionnelle pour permettre une redistribution plastique. Pour des éléments soumis à de fortes sollicitations de traction ou traction-flexion uni-axiales, comme des poutres par exemple, une substitution totale n’est pas possible. Ceci est principalement du à la longueur limitée d’une fibre singulière et donc également des zones d’ancrage réduits. Il est cependant toujours possible de combiner la mise en œuvre des fibres métalliques avec d’autres types de renforcement.
Est-ce que la distribution des fibres dans le béton sera absolument uniforme ?
Si un BRF est mélangé de façon correcte, la distribution des fibres sera plus ou moins uniforme. En effet, la distribution peut-être considérée comme uniforme si les valeurs singulières des dosages mesurées ne dévient pas plus de 20% par rapport au dosage visé et si la valeur moyenne obtenue ne dévie pas plus de 10% de cette même valeur visée.
Le contrôle du dosage doit être fait sur des volumes d’au moins 10 litres de béton frais et pour une série d’au moins trois contrôles. Les échantillons sont à prendre dans les intervalles suivants lors du déchargement de la toupie : après évacuation d’un tiers du béton, au milieu du déchargement et à peu près avant de décharger les derniers 25%.
Il est fortement déconseillé de prendre des échantillons juste à la fin du déchargement.
Est-ce qu'ArcelorMittal produit également des fibres galvanisées et quels sont les avantages de ces fibres ?
ArcelorMittal produit des fibres galvanisées. N'hésitez pas à contacter votre bureau de vente pour savoir quels types de fibres de la gamme ArcelorMittal sont disponibles en finition galvanisée.
Les fibres galvanisées sont environ 50% plus chères que les mêmes fibres non revêtues. Dans la plupart des cas, on peut se passer de cette protection anticorrosion. En effet, même après la carbonisation du béton, un recouvrement d’environ 2 mm est suffisant pour protéger efficacement les fibres contre la corrosion. Dans des environnements fortement chloriques, ce recouvrement peut passer à 7 mm. Des fibres non-galvanisées se trouvant à la surface vont bien sûr corroder et laisser des traces de rouille. Ceci est purement esthétique et n’a aucune influence sur la performance et la durabilité du BRF. A cause de la rouille, le BRF avec fibres non-protégées ne convient toutefois pas au béton architectural. De plus, grâce à leur diamètre réduit, les fibres d’acier rouillées n’ont pas la force requise pour faire éclater le béton en surface comme c’est le cas pour les fers à béton classiques.
Quelle est la différence entre fibres encollées et non collées ?
La raison principale pour encoller des fibres avec de la colle soluble à l’eau, est de faciliter l’intégration des fibres dans le béton sans formation d’oursins. Un résultat similaire peut être obtenu en utilisant des outils d’intégration adaptés, mais avec un surcoût bien sûr. Plusieurs colles contiennent une certaine quantité d'entraîneur d’air pouvant augmenter le contenu total en air du béton. L'utilisateur doit donc faire attention lors de l'utilisation d'un entraîneur d'air externe au même temps que des fibres encollées de ne pas obtenir des contenus en air trop importants, pouvant réduire de façon significative la résistance et posant des problèmes au pompage respectivement donnant lieu à des défauts de surface dans les dallages industriels par éclatement de bulles d'air en surface.
De quelles données ais-je besoin pour effectuer un dimensionnement de dallage ?
Les données requises pour un dimensionnement de dallage peuvent être classées en trois catégories :
Les deux premières catégories sont indispensables. Le sol peut être caractérisé de différentes façons : par le module de Westergaard, par le module CBR ou par les modules d’élasticité EV1 et EV2.
En France, il est usage de définir plusieurs couches de sols avec leurs modules d’élasticité et leurs épaisseurs correspondantes pour la prise en compte dans la note de calculs. Au niveau des charges, il existe plusieurs types de charges, comme la charge uniformément répartie C.U.R. (stockage de palettes par exemple), les charges de roue (dynamiques) en provenance des camions et des chariots-élévateur, les charges ponctuelles (statiques) venant des systèmes de rayonnage et des mezzanines, les charges linéaires sous partitions ou encore les charges réparties locales sous des machines lourdes. Le client peut également exprimer ses préférences relatives à l’épaisseur du dallage, le dosage en fibres ou la nuance de béton souhaitée.
ArcelorMittal tiendra compte de ces préférences lors du dimensionnement dans la mesure du possible. Un formulaire en ligne pour obtenir un dimensionnement dallage est disponible dans la section Téléchargement
