Béton fibré à ultra-haute performance (BFUP)

Le béton est, juste après l’eau potable, le matériau le plus consommé à travers le monde. Environ 30 milliards de tonnes de béton ont été consommées dans le monde en 2006 [37]. Plusieurs types de béton existent selon l’utilisation qu’on souhaite en faire et le développement des technologies. Les bétons fibrés à ultra-hautes performances (BFUP) sont le résultat du progrès dans le secteur des adjuvants, des méthodes de formulation et des ajouts cimentaires. Un BFUP est un béton dont la résistance mécanique en compression et en traction directe est généralement supérieure à 150 et 7 MPa respectivement. De plus, ces bétons sont additionnés de fibres (métalliques, polymères ou minérales), ce qui leur confèrent un comportement ductile. La ductilité est la capacité du matériau à se déformer plastiquement sans se rompre. Cette propriété ajoutée permet d’éliminer l’usage de cages d’armatures passives traditionnelles.

Quelques avantages des BFUP :

- Résistance en compression à 28 jours compris entre 130 et 250 Mpa, ainsi qu’à la traction comprise entre 7 et 15 Mpa.

- Hautes résistances mécaniques à court terme (24 à 48h) - Excellente ouvrabilité

- Durabilité exceptionnelle - Bonne ductilité

- Retrait et fluage faible - Faible porosité

- Grande résistance à l’abrasion et aux chocs

2.4.1.1 Composition

Le Tableau 2.1 présente la composition typique de différents types de béton : béton ordinaire, béton à hautes performances (BHP) et béton fibrés à ultra-hautes performances (BFUP). Les bétons ordinaires ont un rapport eau sur liant de l’ordre de 0.4 à 0.6. Pour obtenir un BFUP, ce rapport doit être diminué à 0.25 (généralement entre 0.16 et 0.2). Une augmentation de la quantité de liant et de super plastifiant permet d’atteindre des rapports eau sur liant très faible. Les ajouts cimentaires tel la fumée de silice permettent également d’atteindre une grande compacité et ainsi des résistances remarquables. Le

23 choix des granulats est important. La taille des granulats est limitée et la résistance mécanique doit être élevée. Bien que les résistances soient exceptionnelles, le matériau à un comportement fragile. Pour combler ce défaut, l’ajout de fibres (environ 2 à 3% du mélange) permet d’atteindre une certaine ductilité et ainsi éliminer l’utilisation d’acier d’armature passive dans les constructions.

Tableau 2.1 : Composition typique du béton ordinaire, du BHP et du BFUP [38]

Composition Béton ordinaire BHP BFUP

Rapport eau/liant 0.4 à 0.6 0.3 à 0.35 0.16 à 0.2 Liant (kg/m3) 300 à 375 350 à 500 700 à 1500 Eau (kg/m3) 140 à 200 140 à 160 160 à 230 Super plastifiant (kg/m3) - 3.5 à 10 10 à 45 Fumée de silice (kg/m3) - 150 à 250 175 à 375 Fibres d’acier (kg/m3) - - 160 à 260 Masse volumique (kg/m3) 2300 2300 2400 à 2600 2.4.1.2 Propriétés mécaniques

Le Tableau 2.2 présente les propriétés mécaniques générales du béton ordinaire, béton à hautes performances (BHP) et béton fibrés à ultra-hautes performances (BFUP). La résistance en compression unidirectionnelle, ainsi que le module élastique sont des propriétés obtenues par des essais standardisés (e.g. ASTM C39 /39M, ASTM C469 /C469M). Afin de déterminer l’influence de l’orientation des fibres sur la résistance en traction des BFUP, plusieurs chercheurs ont réalisé des essais d’arrachement, de traction directe et de flexion sur de nombreux spécimens. La grande compacité des BFUP lui permet d’atteindre des valeurs de porosité et de perméabilité à l’eau ultra faible comparée au béton standard. Pour cette raison, les BFUP sont des matériaux d’une durabilité exceptionnelle. L’ajout de fibres augmente considérablement l’énergie spécifique de rupture ce qui permet au BFUP de dissiper énormément d’énergie et de supporter de grandes déformations avant rupture. De plus, avec l’élimination de certains types d’armatures, les BFUP permettent la réalisation de géométrie complexe. La Figure 2.22 présente quelques types de réalisations complexes utilisant le BFUP comme principaux matériaux de construction.

24 Tableau 2.2 : Propriétés typiques du béton ordinaire, du BHP et du BFUP [38]

Propriétés Béton ordinaire BHP BFUP

Résistance en compression (MPa) 20 à 40 50 à 80 130 à 250 Résistance en traction (Mpa) 1 à 3 4 à 5 7 à 15

Module élastique (Gpa) 25 à 35 35 à 40 50 à 60

Porosité à l’eau (%) 14 à 20 10 à 13 1.5 à 5

Perméabilité à l’eau (%) 10-16 10-16 _{< 10}-19 Facteur de diffusion Cl- _(m2_{/s) 2.10}-11 _2.10-12 _2.10-14

Figure 2.22 : Quelques réalisations structuraux en BFUP [39-42]

(a) MuCEM (Ductal®_{), Marseille, France (b) Passerelle de la paix (Ductal}®_{), Séoul, Corée du Sud}

25 (2.4) (2.5) (2.6) (2.7) (2.8) (2.9) 2.4.1.3 Loi de comportement

La résistance en compression des BFUP se situe entre 130 et 250 MPa [43, 44]. Néanmoins, la plupart des bétons utilisés dans le domaine de la construction ont une résistance en compression se situant aux alentours de 150 Mpa. Pour atteindre des résistances supérieures à 150 Mpa, des traitements thermiques ou chimiques adaptés doivent être employés. Les bétons qui sont en mesure de résister de telles charges ont un comportement très fragile. Toutefois, les fibres éliminent ce phénomène et permettent à la matrice cimentaire de se déformer davantage avant la rupture. La présence de fibres dans les BFUP entraîne une augmentation minime de la résistance en compression qui peut être considérée négligeable.

L’AFGC [45] propose une loi moyenne de comportement en compression des BFUP qui peut être obtenue en se basant sur la loi de Popovics [46]. Les seules variables nécessaires au calcul de cette loi sont la résistance en compression, fc, le module élastique, Ec, et la résistance en traction, ft. La contrainte est obtenue à l’aide des Équations 2.4 à 2.9. La Figure 2.23 présente quelques courbes expérimentales de résistance en compression sur BSI® _{comparées à la courbe théorique, ainsi qu’une} représentation des courbes théoriques (loi de Popovics) pour un BFUP.

) = &_** +,, - - − 1 + *_* +,, /0 *+ = 11 + 0.16 2 &3+ 8005 &3/ 2 ; *3 = 11 + 20 &5 *+ *+,,= 11 + 4 8 &5 *+; *3,, = 11 + 15 8 &5 *3 : =*_*3,, +,,; - = − 1 = &*+,, & ; 2 = & &+/ ; = <ln ((1 − - + -:)/(0.7))1 * < >? -ln (:) C DED

26 Figure 2.23 : Résistance en compression d’un BSI® _{et loi de Popovics pour un BFUP [45, 46]}

La caractéristique mécanique intéressante des bétons renforcés de fibres (BRF) est leur comportement en traction uniaxiale. On distingue deux types de comportements post-fissuration des BRF, soit un comportement écrouissant et adoucissant [47]. Les BRF classiques ont un comportement adoucissant, c’est-à-dire qu’il y a propagation d’une macrofissure localisée suivie d’une diminution graduelle de la contrainte avant rupture. Les BFUP ont plutôt un comportement écrouissant en traction qui s’ajoute au comportement adoucissant des BRF. Il y a apparition de multiples microfissures après l’atteinte de la limite élastique. Lorsque la résistance maximale est atteinte, une macrofissure localisée se propage et la courbe suit l’allure du comportement adoucissant d’un BRF. Les deux types de comportements en traction sont illustrés à la Figure 2.24, qui est décrite par les trois phases suivantes :

• Phase Ι : Zone élastique gouvernée par la résistance de la matrice cimentaire et du module élastique

• Phase ΙΙ : Écrouissage du matériau présent uniquement pour les BFUP. Il y a réduction considérable de la rigidité et une multitude de microfissures se forment dans la matrice cimentaire. À l’atteinte de la contrainte maximale, il y a localisation d’une macrofissure qui est visible à l’œil nu.

• Phase ΙΙΙ : Comportement adoucissant suite à l’apparition d’une macrofissure localisée. Le comportement est alors défini par la contrainte résiduelle en fonction de l’ouverture de la fissure. Il y a diminution progressive de la contrainte jusqu’à la rupture du béton.

27 Figure 2.24 : Comportement en traction des BRF, adaptée de [47]