Mécanismes d’extraction des fibres

De nombreux auteurs ont étudié les mécanismes d’extraction des fibres dans un béton fibré ou un BFUP (Bartos, 1981; Bentur et Mindess, 1990; Li et al., 1991; Rossi, 1998;

Sorelli, 2003). Le mécanisme d’extraction des fibres, décrit ci-après, est valable pour les micro et les macrofibres bien qu’elles agissent à différentes échelles du matériau. Les fibres reprennent une grande partie des efforts de traction au moment où la matrice atteint sa limite de résistance. Elles retardent la formation et la coalescence des fissures : on dit que les fibres « couturent » les fissures. Elles ralentissent ainsi la propagation des fissures et la ruine de l’élément. La structure est donc plus ductile et plus tenace. La forte rigidité des fibres, par rapport à celle de la matrice cimentaire, permet de distribuer les déformations locales. La matrice cimentaire est alors soulagée par les fibres qui transfèrent l’effort, par frottement, vers une zone plus éloignée que la zone occupée par la fissure.

Pour décrire le mécanisme à l’échelle microscopique, on peut considérer une fibre droite à travers une fissure préexistante. Lorsque le chargement augmente, la fissure s’ouvre et la fibre subit une force d’extraction. La fibre passe alors par trois phases distinctes avant d’être complètement extraite comme l’indique la figure1.2. Cette force d’extraction génère tout d’abord une déformation élastique longitudinale de la fibre. Une fois que la force appliquée sur la fibre correspond à la force nécessaire pour déchausser une partie de celle-ci, la fibre se décolle, la force est relaxée et une nouvelle interface entre la fibre et la matrice est créée. Ceci marque la fin de la première phase (a). Le décollement partiel de la fibre a pour conséquence de créer une surface de contact entre la fibre et la matrice. Lorsque la force d’extraction augmente à nouveau, la partie de la fibre qui est décollée, est étirée élastiquement tout en dissipant de l’énergie par frottement. Une fois encore, dès que la force appliquée sur la fibre dépasse la capacité d’adhérence à la matrice, une nouvelle partie de la fibre se décolle. Il s’agit de la phase (b) ; elle prend fin lorsque toute la fibre est décollée. Désormais, la fibre est extraite de la matrice en dissipant de l’énergie uniquement par frottement, c’est la dernière phase (c) qui se termine lorsque la fibre est entièrement extraite. Ces trois phases sont représentées sur la figure1.3, en termes de force d’extraction fonction de l’allongement de la fibre (Bentur et Mindess,1990). Sur la figure1.3, la section AB devrait être en « dents-de-scie » pour représenter le fait que le décollement est effectué par à-coups. L’effet de Poisson sur les fibres peut également intervenir lors du mécanisme d’extraction d’une fibre. Ce phénomène facilite le décollement de la fibre à la matrice, mais n’agit pas de manière significative sur la dissipation d’énergie par frottement.

(a) décollement (b) décollement et frottements (c) frottements Figure1.2 – Les trois phases de l’extraction d’une fibre (Bentur et Mindess,1990)

F or ce d ’e x tr ac ti on , P Allongement, ∆L O A B C (a) (b) (c) D

O – A : Interface fibre-matrice intacte A – B : Décollement et frottements B – C : Décollement complet C – D : Extraction par frottements

Figure 1.3 – Schéma simplifié de l’extraction d’une fibre en force d’extraction et allon-gement de la fibre, (Bartos,1981)

Enfin, lorsque le matériau est déchargé et que des fibres se sont en partie extraites, elles ne reprennent pas leur position d’origine. Ceci génère alors une déformation permanente qui n’est pas de la plasticité telle qu’observée pour les métaux. Les essais de flexion menés par Frettlöhr et al.(2012) mettent en évidence ce phénomène dans le cas des BFUP. 1.3.2.2 L’interaction fibre – matrice

Dans le cas où les fibres sont extraites et non cassées, Chanvillard (1993) explique que la longueur des fibres et leur orientation ont plus d’impact que le rapport « eau sur ciment » du béton. En effet, l’extraction de la fibre inclinée provoque son redressement, plastifiant alors chacune de ses sections et dissipant beaucoup d’énergie — ce phénomène est souvent appelé effet de poulie et « snubbing effect » en anglais. Dans le cadre d’un BFUP, les fibres ondulées ou avec un embout plat risquent d’être cassées et donc de ne pas dissiper beaucoup d’énergie. Le comportement du matériau est en réalité très lié au comportement de l’association fibre/matrice et non de la matrice ou de la fibre seule. Il existe un couple fibre/matrice optimal :

— la fibre doit être active le plus tôt possible afin de ralentir la propagation des fissures ; — la fibre doit dissiper un maximum d’énergie par frottement ;

— l’ancrage ne doit pas être trop important afin d’éviter la rupture de la fibre, d’où un compromis pour le rapport diamètre/longueur de la fibre (φ_f/L_f).

Wang et al. (1988) mettent en évidence que le comportement d’extraction des fibres en polyéthylène et des fibres métalliques diffère au niveau de la contrainte d’interface. Ils observent, pour des bétons à hautes performances renforcés de fibres métalliques, que la contrainte d’interface diminue au fur et à mesure que la fibre est extraite, car l’importante rigidité et dureté des fibres détériorent le béton. Au contraire, les fibres en polyéthylène se détériorent ou « s’effilochent », augmentant ainsi la contrainte d’interface au fur et à me-sure que la fibre est extraite (Wang et al.,1988).Wille et Naaman(2010) montrent, pour neuf formulations différentes de BFUP, que la contrainte d’interface augmente à mesure que la fibre est extraite à cause d’un effet de frettage, d’un effet d’abrasion et de l’extrémité déformée de la fibre due au processus de coupe. Ceci ne contredit pasWang et al.(1988), car la matrice cimentaire des BFUP est très différente des BHP. Grâce à leur modèle,

Lin et Li(1997) mettent en évidence (pour des bétons à hautes performances renforcés de fibres synthétiques) que la condition pour avoir une contrainte d’interface qui augmente avec l’extraction des fibres est fortement dépendante de l’allongement des fibres : allant en faveur des fibres longues et fines.

D’un point de vue de la microstructure, l’interface fibres/matrice est analogue à celle des granulats avec la matrice : la zone de transition entre les deux peut générer loca-lement une faiblesse. Si une fibre est orientée dans le plan d’une fissure, elle peut fa-ciliter la progression de cette fissure et rendre la résistance du matériau moins bonne.

Bernier et Behloul (1996) observent cet effet sur un BPR : sans fibres la limite élastique de la poutre testée est plus élevée que dans le cas de fibres mal orientées, en revanche le comportement sans fibres est très fragile.