Memoire Online - Amélioration de la Ductilité du Béton à Haute Performences par l'ajout de Fibres d'Acier

AMÉLIORATION DE LA DUCTILITÉ DU BÉTON À HAUTE PERFORMANCE PAR L'AJOUT DE FIBRES D'ACIER

RÉSUMÉ

Cette communication présente les résultats d'essais de flexion à trois points menés sur des poutres en béton à haute performance et béton à haute performance renforcées de fibres d'acier. Ces essais font partie d'un programme expérimental ayant pour but d'étudier l'influence des fibres sur l'apparition et la propagation de fissures, et ainsi sur le comportement ductile de ces bétons. D'une manière générale, le comportement du béton à haute performance vis-à-vis de la fissuration est amélioré avec l'utilisation des fibres d'acier dans le mélange. L'addition des fibres réduit la fragilité du matériau et améliore sa ductilité, qualité structurelle indispensable dans les régions à haut risque sismique.

Les essais entrepris dans ce travail sur des poutres en BHP ont montré que l'ajout de fibres, même en faible quantité, améliore le comportement du matériau béton vis-à-vis de la traction et limite l'ouverture des fissures d'une manière appréciable. Dans ce sens, la formation des premières fissures est retardée et une fois formées, ces fissures restent relativement fines parce qu'elles sont couturées par des fibres d'aciers.

Une poutre en béton témoin développe peu de fissures mais avec des ouvertures assez larges, pendant qu'une poutre en béton contenant des fibres développera plus de fissures avec des ouvertures très fines.

Ductilité en béton - béton à haute performance - fibres d'acier - fissuration en béton - béton de fibres.

1. INTRODUCTION

Malgré que le BHP soit considéré comme étant un matériau relativement nouveau, son développement a été graduel au fil des années. Avec le développement continue, la définition même de performance a évolué. La toute première fut celle de haute résistance et concernait un béton de 30 MPa et plus. Ensuite, un béton avec des résistances entre 40 et 50 MPa était possible. Vers la fin des années 70 un béton ayant une résistance à la compression de 60 MPa a été produit par des centrales à béton. L'idée de « haute performance » est née avec ce béton et on a commencé à s'intéresser, d'une manière générale, au comportement mécanique de ce matériau sous chargement et, à long terme, à sa durabilité.

Le terme « haute performance » est, cependant, utilisé avec un sens relatif car

un béton qui est considéré comme ordinaire dans une pratique peut-être considéré, comme de haute performance dans une autre. Dans ce travail, un béton ayant une résistance à la compression de plus de 40 MPa [1] est considéré comme béton à haute performance, au vue de la pauvreté de ce matériau dans nos chantiers.

L'utilisation des Bétons à Hautes Performance « BHP » est actuellement en plein développement dans le domaine du génie civil, notamment dans la construction des ouvrages d'art. Ils sont obtenus par l'emploi conjugué des superplastifiants et des ultra-fins tels que les ajouts minéraux, ce qui permet d'augmenter la résistance à la compression (> 40 MPa) tout en améliorant l'ouvrabilité et la durabilité.

Le béton à haute performance avec des résistances élevées offre à la construction une durabilité meilleure à long terme et permet des économies de matériaux allant jusqu'à 40 ? [2,3].

La tendance d'une résistance à traction faible par comparaison à celle de la compression est maintenue pour le BHP. Cette tendance est même mieux mise en évidence du fait que pendant que la résistance à la compression croit pour doubler ou tripler (de 20 à 60MPa), celle à la traction passe de 3 MPa à 4 jusqu'à 5 MPa. Le rapport

est d'avantage réduit pour atteindre 1/20. Avec l'augmentation de la résistance à la compression le BHP devient peu ductile, et donc ajouté au manque de ductilité des bétons en général tel que constaté lors des différents séisme qui se sont produit à travers le monde. À ce sujet, plusieurs études [4] ont montré un comportement adoucissant médiocre des BHP sous une contrainte de compression uniaxiale. Cette fragilité entraîne des problèmes de conception et de dimensionnement pour certains types de structures particulièrement à l'ELU. Néanmoins, ce comportement fragile peut être évité par adjonction de fibres métalliques à la composition initiale du béton. Ces dernières jouent un rôle de renforcement qui compense la fragilité du béton par couture d'abord de la microfissuration et puis couture de la macrofissuration.

2. DUCTILITÉ

Les séisme majeurs sollicitent la structure en dehors du domaine élastique, or celle-ci devrait préserver non seulement une résistance résiduelle appropriée aux actions engendrées, mais une ductilité suffisante pour garantir l'absorption de l'énergie sismique, sans qu'elle puisse subir des endommagements très préjudiciables.

En effet, une importance particulière est accordée à la ductilité en vue d'augmenter la déformation de la structure dans le palier de plasticité [9].

Pour les éléments en béton armé, lorsque le palier de plasticité est long, on dit que l'élément est ductile. Cependant, lorsque le palier de non linéarité est court, on dit que l'élément est fragile (Figure 1). Un comportement fragile aura lieu dans le cas où l'élément est sous armé (quantité d'armature insuffisante) et dans le cas où l'élément est armé en excès, l'élément est dit rigide [9].

3. CARACTÉRISTIQUES DES MATÉRIAUX UTILISÉS

Le sable utilisé est un sable de rivière de oued Chlef, ayant les caractéristiques physiques suivantes :

- Module de finesse : MF = 2.90. Un module de finesse élevé est préférable pour le sable utilisé en BHP en vu de réduire la quantité d'eau utilisée [5].

Le gravier utilisé provient d'une Carrière de la société Algérienne des Granulats (ALGRAN) sise à Oued Fodda (Chlef), ayant les caractéristiques suivantes :

Pour le BHP le granulat idéal doit être concassé, propre, de forme cubique, à angularité réduite et contenant le moins possible de particule plates ou allongées du fait de la faible résistance au plan de fissuration de ces dernières [6,7].

Le ciment utilisé est un Ciment Portland Composé CPJ CEM II/A 42.5 produit de la cimenterie d'Oued Sly (Chlef).

Nous avons utilisé le « laitier de hauts fourneaux » d'El Hadjar (Annaba) comme ajout minéral.

L'adjuvant utilisé est un superplastifiant haut réducteur d'eau commercialisé sous le nom de « MEDAFLOW 30 » produit par la société Granitex d'Oued Smar (Alger).

Il s'agit de fibres à crochets de type DRAMIX fabriquées par BEKAERT (Belgique).

On peut incorporer des fibres d'acier dans les BHP chaque fois que la fragilité du béton représente une limitation à son utilisation. Par exemple, des fibres d'acier peuvent être utilisées dans des régions où les risques sismiques sont élevés, et dans des éléments où la résistance au cisaillement du béton doit être augmentée, et dans ce contexte, des chercheurs s'intéressent actuellement au remplacement des armatures transversales par les fibres métalliques du fait que le coût de la mise en place d'un grand nombre de cadres peut devenir excessif et ou tout au moins plus coûteux que celui des fibres [8].

Les fibres munies de crochets à chaque extrémité sont celles qui présentent le plus d'avantages à cause de leur bonne adhérence mécanique. Elles sont fabriquées en acier étiré à froid et se présentent sous forme de petites plaquettes de fibres (30 à 40 fibres), accolées avec un produit soluble dan l'eau, ce qui facilite leur incorporation dans le béton et le malaxage. Au contact de l'eau de gâchage, les fibres se libèrent aléatoirement dans la masse du béton en reprenant leur élancement unitaire. On obtient ainsi une meilleure homogénéité du matériau.

Ces fibres travaillent par déformation des crochets qui se redressent lors du glissement de la fibre dans la matrice (Figure2).

4. PROGRAMME expÉrimental

Pour les besoins de cette étude, nous avons confectionnés deux séries de trois poutres chacune (06 poutres), et des éprouvettes cubiques de (10x10x10) cm pour évaluer la résistance à la compression du béton à l'age de l'essai.

· Trois poutres en Béton à Haute Performance avec ajout de Fibres d'acier, désignées par BHPF.

Béton

Sable 0/4

Gravier 3/8

Gravier 8/15

Ciment

Laitier

15 %

Eau

E/L

Adjuvant

1,5 %

Fibres

0,5 %

BHP

826

220

789,5

450

67,5

191,5

0,37

6,75

BHPF

918

220

698

450

67,5

191,5

0,37

6,75

Pour le BHPF on a augmenté la quantité de sable donc d'élément fin par rapport à celle du BHP, de 826 kg/m³à 918 kg/m³. Alors que la quantité de gravier (8/15) donc d'élément grossier a été réduite de 789,5 kg/m³ pour le BHP à 698 kg/m³pour le BHPF. Cette modification dans la quantité de sable (augmentée) et de gravier (diminue) a pour but de faciliter l'efficacité des fibres. En effet les gros obstacles ne permettent pas aux fibres d'êtres homogènes dans le mélange et donc efficace.

Toutes les poutres sont des models réduits qui ont les mêmes dimensions 10 x 15 x 110 cm, chargées par une force concentrée appliquée au milieu (flexion en trois points). Le ferraillage de chaque série de poutres est 2T10 dans la zone tendue et 2T8 dans la zone comprimée et avec des cadres en Ø 6 espacées de 10 cm (Figure3). Le pourcentage d'armatures principales ñ = 1.25 %.

Les sections doivent être sous- armées pour nous permettre d'observer le développement et l'évolution des fissures sous chargement jusqu'à rupture.

La caractérisation des bétons a été réalisée sur des éprouvettes cubiques (10x10x10) cm testées en compression. L'âge du béton au moment de l'essai des poutres a varié entre 57 et 62 jours. Les résistances du béton des poutres d'une même série mesurées au jour de l'essai n'ont pas varié dans de grandes proportions.

Spécimens	Âge (jours)	Résistances à la compression (MPa)	Résistances à la traction (MPa)
BHP 1	57	64,83	3,41
BHP 2	57	65,17	3,45
BHP 3	58	67	3,51
BHPF1	58	52,33	4,04
BHPF2	59	53,17	4, 05
BHPF3	62	54,25	4,15

* Des ouvertures des fissures dans le béton à l'aide d'un « fissuromètre ».

Les charges étaient appliquées par un vérin hydraulique de 200 kN, transmettant les efforts à la poutre par l'intermédiaire de rotule. La montée en charge s'est faite de manière discontinue en respectant des paliers de 2 kN.

Le tableau (4) présente les déplacements maximaux en fonction des charges mesurées à mi-travée pour les deux types des poutres (BHP et BHPF), et montrés dans les graphes (4) et (5).

Tableau 4 : Flèches maximales expérimentales des poutres en fonction des charges

Effort (kN)	Flèche (mm)
	BHP			BHPF
	BHP₁	BHP₂	BHP₃	BHPF₁	BHPF₂	BHPF₃
4	0,1	0,14	0,15	0,1	0,12	0,12
6	0,17	0,19	0,23	0,16	0,18	0,21
8	0,24	0,25	0,32	0,23	0,25	0,3
10	0,34	0,36	0,45	0,32	0,38	0,4
12	0,45	0,47	0,59	0,46	0,5	0,48
14	0,64	0,6	0,82	0,61	0,65	0,58
16	0,82	0,82	0,98	0,78	0,84	0,72
18	1,05	1,05	1,18	0,95	1	0,8
20	1,15	1,34	1,4	1,17	1,2	1,09
22	1,3	1,4	1,51	1,32	1,4	1,2
24	1,5	1,55	1,72	1,47	1,53	1,4
26	1,65	1,75	1,9	1,68	1,7	1,55
28	1,8	1,9	2,2	1,8	1,85	1,7
30	2	2,1	2,6	2,05	2,06	2
32	2,2	2,28	2,8	2,2	2,27	2,15
34	2,48	2,45	3,1	2,38	2,47	2,4
36	2,72	2,78	3,23	2,67	2,65	2,65
38	2,9	3	3,35	3,05	2,88	2,9
40	3,15	3,14	3,5	3,05	3,2	3

Les charges de fissuration (P_f) et de rupture (P_u) des poutres sont regroupées dans le tableau (5). Il est à noter que la charge de fissuration est déterminée comme étant la charge causant la première fissure visible.

L'allure des courbes effort-flèche est identique pour toutes les poutres, elles montrent en général :

a)- Une partie linéaire où les flèches sont proportionnelles aux efforts, ce qui traduit la phase élastique, avant apparition de la première fissure (phase I).

b)- Une deuxième phase de linéarité avec rabattement de la courbe sous l'influence de la première fissure. Après l'apparition de la première fissure, la poutre perd largement de sa rigidité (phase II).

c)- Une troisième phase plastique très apparente (phase III), caractérisée par l'augmentation des flèches à charge constante.

Ce comportement traduit le comportement ductile des sections sous-armées telles que celles des spécimens testées.

On ne note pas de comportement fondamentalement différent, en ce qui concerne l'ordre de grandeur des flèches, malgré les différentes caractéristiques des poutres.

Cependant les spécimens en BHPF ont présenté moins de flèche à toutes les étapes de chargement.

Le processus d'apparition et de progression des fissures est quantifié dans les tableaux (6) et (7).

Tableau 6 : Processus d'apparition et propagation des fissures des poutres en BHP.

Spécimens	Caractéristique de la fissuration	Effort appliqué (KN)
		19	20	24	28	32	34	36	38	40
BHP₁	Nombre de fissure Longueur moyenne (cm) Espacement moyen (cm) Largeur maximale (mm)	3 1 9	0,02	5 9 0,04	4 0,08	6 6 10 0,2	8 0,22	7 9 10 0 ,24	0,3	7 10 0,5
BHP₂	Nombre de fissure Longueur moyenne (cm) Espacement moyen (cm) Largeur maximale (mm)	3 4	4 5 7	5 5 7 0,02	0,02	0,1	6 5 6 0,12	6 0,2	0,2	7 10 5 0,4
BHP₃	Nombre de fissure Longueur moyenne (cm) Espacement moyen (cm) Largeur maximale (mm)	3 2 10 0,02	4 3 10 0,04	5 3 11 0,15	7 5 11 0,3	0,4				8 10 9 0,4

Tableau 7 : Processus d'apparition et propagation des fissures des poutres en BHPF.

Spécimens	Caractéristique de la fissuration	Effort appliqué (KN)
		19	20	24	28	32	34	36	38	40
BHPF₁	Nombre de fissure Longueur moyenne (cm) Espacement moyen (cm) Largeur maximale (mm)	1 1	0,02	2 3 10 0,06	4 5 8 0,14	6 5 6 0,2	0,22			6 5 0,22
BHPF₂	Nombre de fissure Longueur moyenne (cm) Espacement moyen (cm) Largeur maximale (mm)	2 2 8 0,04	0,04	3 4 9 0,1	4 5 10 0,14	0,2		0,22	5 7 8	7 7 8 0,22
BHPF₃	Nombre de fissure Longueur moyenne (cm) Espacement moyen (cm) Largeur maximale (mm)	3 4 8 0,04	4 4 9 0,04	0,07	5 5 8 0,1	6 5 6 0,12		0,18	8 5 5 0,2	8 5 0,2

Les courbes Flèche- Ouverture des fissures présentent deux phases principales :

a)- Une phase linéaire où les ouvertures de fissure sont proportionnelles aux flèches.

Dans chaque courbe, l'apparition de la première fissure, présente un palier relativement horizontal, ce qui traduit une diminution de la rigidité de la poutre.

b)- Une phase non linéaire où les ouvertures des fissures deviennent plus importantes par comparaison aux flèches. Ceci traduit une phase d'endommagement du béton avant rupture, c'est la phase plastique

Il faut noter que les poutres étudiées BHPF présentent des avantages tels que :

- Un gain de résistance (endommagement ductile) observé au niveau de la phase avant rupture (partie ascendante de la courbe).

- Retardement de l'apparition de la première fissure et empêchement de la formation et de développement d'une seule fissure très ouvertes. En effet l'incorporation des fibres permet la formation d'une série de fissures fines non nuisibles à la poutre.

D'après les résultas, on peut dire que dans tous les cas, la rupture a eu lieu par traction dans la zone à fort moment de flexion, commençant par de grandes ouvertures des fissures verticales, dans la zone tendue, et suivie d'un écrasement de la partie comprimée du béton, qui avait été réduite par la progression des fissures.

5. CONCLUSION

Le béton à haute performance présente une meilleure aptitude à la fissuration sous les charges de service. Ceci est dû à la résistance relativement améliorée de ce matériau, que ce soit en compression ou en traction où cette dernière dépasse le niveau de 4 MPa par comparaison à 2 MPa pour le béton ordinaire.

D'une manière générale, le comportement du matériau béton vis-à-vis de la fissuration, est amélioré avec l'utilisation des fibres d'acier dans le mélange. L'addition des fibres réduit la fragilité du matériau et améliore sa ductilité, qualité structurelle indispensable dans les régions à haut risque sismique.

Cependant l'efficacité des fibres dépend de leur direction et de leur orientation au tour de la fissuration ainsi que de leur forme et de leur dimension.

Cette même distribution des fibres à l'intérieur du matériau dépend de la maniabilité du mélange à l'état frais. La dimension des fibres varie en sens inverse avec la maniabilité. Dans un mélange sec, les fibres ne peuvent pas être distribuées uniformément dans le matériau.

En Algérie, différents travaux de recherches sont entrepris ça et là pour améliorer la qualité du béton dans les constructions, particulièrement après la catastrophe sismique de Boumèrdes et les dégâts enregistrés au niveau des structures faites de ce matériau. Cette catastrophe a montré encore une fois que la science des matériaux, en particulier la technologie du matériau béton, reste dominée par l'empirisme en Algérie à un moment où sous d'autres cieux la barrière des 100 MPa a été franchie à une échelle industrielle.

Le Béton à Haute Performance renforcé par l'ajout de fibres d'acier peut constituer une solution de rechange au béton ordinaire pour les constructions menacées par des actions sismiques imprévisibles.

6. RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

[1] F.Ansari, Stress-strain Response and Failure Surface of High Strength Concrete

[2] F.Larrard, « Formulation et propriétés des bétons à très hautes performances » ;

[4] De Larrard, F.et Malier,Y ;« Propriétés constructives des bétons à très

[6] P.A. GUTIRREZ et M.F.CANOVAS, « High performance concrete : requirements for constituent materials and mix proportioning , ACI Materials journal, N°93-M26 :233-241, 1996.

[8] PIERRE CLAUDE AÚTCIN.,"Bétons haute performance". Editions Eyrolles, 2001.

[9].Shdeed,E.et Kassoul,A., Prise en compte de la ductilité dans les méthodes de

renforcement des anciens bâtis., Damascus University Journal for the Engineering