2.2.1 Ductilit´e des b´etons fibr´es
L’ajout de petites inclusions dans les mat´eriaux cimentaires pour renforcer les matrices ci- mentaires fragiles [55] est utilis´e depuis longtemps (Porter en 1910 [56], Graham en 1911 [57]). Les recherches sur cette technique de renforcement se sont largement d´evelopp´ees depuis les an- n´ees 1960 [58],[59],[60], et n’ont cess´e depuis d’int´eresser de nombreux chercheurs et industriels
2.2 Influence des fibres sur les propri´et´es m´ecaniques [49],[13],[55],[61],[62],[63],[64],[65],[66],[67],[68].
Aujourd’hui, l’ajout de fibres en g´enie civil est commun, et les limitations actuelles sont plutˆot dues `a l’absence de normes officielles qu’au prix des fibres. En effet, mˆeme si les fibres restent relativement ch`eres, leur utilisation permet de formuler des mat´eriaux dont le comportement m´ecanique entraine la r´eduction drastique des ´epaisseurs des structures, et avec elle les quanti- t´es de mat´eriaux. Dans le cas des B´etons Fibr´es `a Ultra hautes Performances (BFUP), les fibres sont ajout´ees `a des matrices tr`es concentr´ees en ciment, et contenant peu de granulats.
Pour remplir ces diverses applications, un panel vari´e de fibres est utilis´e en g´enie civil [49]. Les fibres que nous utilisons dans ce travail sont des fibres en acier rigides. Nous consid´erons dans cette partie l’hypoth`ese d’une distribution homog`ene des fibres au sein du mat´eriau et n´egligeons ainsi tout ph´enom`ene de s´egr´egation. De plus, nous supposons une orientation al´eatoire de ces fibres, ce qui permet une couturation des fissures dans toutes les directions [69],[70].
Les recherches dans le domaine des mat´eriaux cimentaires fibr´es `a l’´etat durci ont men´e `a distin- guer deux ´echelles d’observation de ces mat´eriaux fibr´es [52],[71],[72]. D’une part, `a l’´echelle de certains mat´eriaux (BFUP), l’ajout de fibres augmente les r´esistances m´ecaniques [73],[74]. Pour qu’un effet soit constat´e `a cette ´echelle, de fortes concentrations (de l’ordre de 5 `a 10%) de fibres tr`es courtes (de longueur de l’ordre de 5mm) doivent ˆetre ajout´ees. Les mat´eriaux r´esultants affichent des performances qualifi´ees de ”ultra hautes” [65],[66],[75], des propri´et´es ´ecrouissantes [55], ou de meilleures r´esistances aux fortes temp´eratures [76], propri´et´es essentielles pour les ouvrages d’art.
Mais pour 90 `a 95% des b´etons fibr´es de l’industrie, l’influence des fibres sur le comportement d’une structure ne se situe pas au niveau du mat´eriau mais au niveau de la structure elle-mˆeme (i.e. apr`es la localisation des fissures) [52],[71]. En effet, les fibres dans ces b´etons sont trop grandes pour avoir un effet `a l’´echelle du mat´eriau. Elles permettent alors une augmentation si- gnificative de la ductilit´e des structures [65],[67],[72],[75],[77],[78],[79],[80],[81],[82],[83],[84]. Pour un mat´eriau formul´e de mani`ere ad´equate, les fibres doivent transf´erer un effort suffisant apr`es apparition de la premi`ere fissure pour permettre le d´eveloppement de multiples fissures avant la ruine du mat´eriau [79],[80].
Le m´ecanisme conditionnant l’impact des fibres sur la ductilit´e d’une structure se situe au ni- veau du processus d’arrachement de chaque fibre travers´ee par une fissure. Tant que les fibres ne sont pas arrach´ees `a la matrice, elles ralentissent la propagation de la fissure en maintenant une traction de part et d’autre de la fissure et en r´eduisant la contrainte en pointe de fissure [85],[86],[87],[88],[89],[90].
2.2.2 Param`etres repr´esentatifs
La nature fragile d’une pˆate de ciment peut ˆetre am´elior´ee de mani`ere significative avec l’ajout de fibres si leur efficacit´e dans la matrice est maitris´ee [91]. Le ph´enom`ene majeur control- lant l’efficacit´e du renforcement de la structure par les fibres est le comportement `a l’interface fibre/matrice [49],[64],[83],[92],[93],[94],[95],[96],[97],[98],[99], r´esultant d’un caract`ere `a la fois adh´esif et frictionnel dans le cas des fibres d’acier [49]. L’adh´erence entre la fibre et la matrice est complexe. La pr´esence de pores ou de vides dans la matrice peut localement diminuer la
Influence des fibres sur la rh´eologie des mat´eriaux cimentaires
r´esistance `a l’interface. De mani`ere g´en´erale, cette adh´erence est faible [100],[101]. Augmenter la surface de contact fibre/matrice, i.e. augmenter la longueur des fibres, permet alors d’am´e- liorer `a la fois adh´erence et friction `a l’interface [83],[95]. Certains auteurs ont ainsi d´efini une longueur minimale critique des fibres en dessous de laquelle les fibres ne permettent pas aux fissures de se d´evelopper et m`enent ainsi `a une rupture anticip´ee du composite [102]. D’autre part, une longueur maximale est d´efinie de mani`ere compl´ementaire, au del`a de laquelle une fibre ne contribue pas `a la ductilit´e du mat´eriau. Une fibre plus longue a alors tendance `a se rompre au lieu de s’arracher de la matrice, conf´erant un caract`ere plus fragile au mat´eriau. Ces deux longueurs critiques d´ependent de l’intensit´e de l’adh´erence fibre/matrice [102], et sont donc ca- ract´eristiques de l’´etat de surface des fibres et de la formulation du mat´eriau. La longueur d’une fibre respectant ces crit`eres est alors choisie selon la nature des fissures `a couturer (fibres longues pour les macrofissures et courtes pour les microfissures) [72],[103]. Dans cette plage de longueurs, les r´esultats de la litt´erature montrent une large am´elioration des propri´et´es m´ecaniques avec le facteur d’aspect [49],[51],[97].
Pour augmenter la t´enacit´e `a l’interface fibre/matrice, la plupart utilisent des fibres aux ´etats de surface abras´es ou aux formes particuli`eres [102],[104]. Dans ce dernier cas, on trouve prin- cipalement dans la litt´erature des fibres crˆep´ees, ondul´ees, aux extr´emit´es courb´ees ou aplaties pour am´eliorer leur ancrage dans la matrice [105],[106]. L’utilisation de ces formes particuli`eres doit cependant faire l’objet d’une attention particuli`ere puisque le processus de mise en forme de ces fibres (entre autres le processus de ”crˆepage” des fibres) les rend fragiles et peut produire des concentrations locales de contraintes au sein de la matrice [106].
Le deuxi`eme param`etre conditionnant l’efficacit´e des fibres dans une structure est leur fraction volumique. Elle est repr´esentative du nombre de fibres sur une section et influence donc dans une large mesure la ductilit´e d’un composite [49],[51],[64],[71],[95],[97],[104],[105]. Plus les concentra- tions en fibres sont ´elev´ees, et plus il est probable qu’une fissure se propageant soit coutur´ee par des fibres.
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A partir de ce constat, Dhonde [51] ´etudie l’influence du facteur de fibre, d´efini comme le pro- duit rφf du facteur d’aspect et de la concentration des fibres, sur le comportement m´ecanique
de BAP. Il note une forte am´elioration de la r´esistance en tension, de la ductilit´e, du module de rupture et de la contrainte r´esiduelle moyenne avec le facteur de fibres. Des essais men´es sur les mˆemes mat´eriaux `a l’´etat frais montrent en revanche une ´evolution contraire de leur fluidit´e avec ce mˆeme facteur, comme il le trace Figure 2.1.