Propriétés des bétons fibrés

Acier 7,85 50 ‑ 1000 1000 ‑ 2500 150 ‑ 200 3 – 4 Verre 2,6 9 ‑ 15 2000 ‑ 3500 80 2 – 3,5 Polypropylène 0,9 > 4 500 ‑ 750 5 ‑ 10 10 – 20

1.3.1.2 Propriétés des bétons fibrés

1.3.1.2.1 Influence des fibres sur la rhéologie

L’ajout de fibres, comme tout autre type d’inclusions, modifie les propriétés rhéologiques du matériau cimentaire à l’état frais. Dans ce domaine et dans celui, connexe, de la mise en œuvre de ce type de matériaux, les connaissances sont peu établies et les études menées sont relativement rares. Pour de faibles taux de fibres, l’ouvrabilité du béton ne sera pas affectée et la répartition sera homogène dans le mélange. Cependant, il existe une fraction volumique critique pour laquelle la densité de contacts entre fibres est appréciable et ceci peut amener à la formation d’agglomérats (Martinie, 2010). De nombreux paramètres liés aux fibres peuvent influer sur la maniabilité du mélange à l’état frais comme la longueur, le taux d’incorporation, la rigidité, la morphologie, etc. (ACI, 1996).

Une autre étude rhéologique a également montré que l'orientation des fibres rigides est liée à la contrainte d'écoulement du béton frais (Boulekbache et al., 2010). Cette étude a également montré que la résistance à la flexion du béton était fortement liée à l'orientation des fibres. Il a

flexion. Cependant, la rhéologie du béton fibré n'a été étudiée que dans le cas de fibres rigides (Boulekbache et al., 2012; Martinie et al., 2010), avec un faible rapport d'aspect (rapport longueur/diamètre de la fibre) allant de 17 à 100. A titre de comparaison, les fibres de lin peuvent ont un rapport d'aspect allant de 500 à 2000, ce qui explique leur grande flexibilité.

1.3.1.2.2 Influence des fibres sur le comportement mécanique

Tel que mentionné précédemment, on dénombre plusieurs types de bétons de fibres qui diffèrent selon leur composition, le type de fibre et les performances mécaniques.

Le rôle principal des fibres est de mieux contrôler la fissuration du béton en limitant l’ouverture des fissures et de transformer le comportement fragile du béton en un comportement ductile. Le comportement du béton en flexion est conditionné par la fissuration de la zone tendue. En cela, la présence des fibres peut jouer un rôle stabilisateur après rupture de la matrice de béton. En effet, alors qu’un béton non‑fibré a une rupture fragile qui se produit dès l’apparition de la première fissure, les bétons fibrés continuent de reprendre des efforts même après que la charge maximale soit atteinte (Figure 1‑17).

L’amélioration du comportement post‑fissuration des bétons dépend de nombreux paramètres tels que la nature des fibres, les propriétés mécaniques et la morphologie de celles‑ci, le taux et la longueur des fibres, etc. Chaque type de fibres à une utilisation bien spécifique suivant les propriétés recherchées pour le composite.

Figure 1-17 : Courbes force-déplacement typiques en flexion d’un matériau cimentaire non-fibré et de matrices cimentaires renforcés par des fibres (ACI, 1996)

1.3.1.3 Les principaux bétons renforcés de fibres

1.3.1.3.1 Les bétons renforcés de fibres métalliques

Les fibres métalliques, et en particulier d’acier, ont fait l’objet de nombreuses recherches pour développer leurs utilisations dans le béton. Elles sont de types et de formes variées et présentent une très bonne compatibilité avec le béton (ABQ, 2005) : à bouts ondulés, plats, en crochets ; crêpé ; ondulé‑déformé ; amorphe.

Les bétons de fibres métalliques ont une bonne résistance à la traction et à la flexion. Leurs utilisations sont diverses : dallages et sols industriels, voussoirs de tunnels, coques ou pieux, bétons projetés, produits préfabriqués, etc. Les fibres métalliques sont utilisées dans le but d’améliorer le comportement mécanique des bétons structurels. En effet, elles participent à la réduction de l’ouverture des fissures et à leur meilleure répartition. Toutefois, comme le souligne P. Rossi, du fait du module d’Young important des fibres métalliques, elles s’avèrent peu efficaces pour limiter la fissuration au jeune âge (Rossi, 2002). Les efforts dus aux variations dimensionnelles de la matrice ne sont pas correctement transmis aux fibres, ce qui les rend peu efficaces à ce stade. En revanche, une fois le béton durci, l’ancrage des fibres est bien meilleur, ce qui améliore considérablement l’efficacité des fibres métalliques vis‑à‑vis de la fissuration.

1.3.1.3.2 Les bétons renforcés de fibres synthétiques

Les fibres synthétiques les plus utilisés dans les matériaux cimentaires sont les fibres de polypropylène, nous nous limiterons donc seulement à l’étude de ces fibres. Les fibres de polypropylène sont fabriquées selon un processus d’extrusion et sont disponibles sous deux formes : en faisceaux ou en filament individuel. Lorsqu’elles sont utilisées sous forme de faisceaux, elles se séparent lors du malaxage pour se répartir de manière multidirectionnelle dans le béton (ACI, 1989). Les fibres de polypropylène permettent en particulier de mieux contrôler le retrait plastique du béton du fait du nombre plus important de fibres présentes dans le mélange mais elles n’améliorent pas son comportement post‑fissuration, contrairement aux fibres métalliques, (CIMbéton, 2013).

Malgré leur faible résistance au feu (température de fusion comprise entre 140 et 170 °C), les fibres de polypropylène permettent d’améliorer la tenue au feu des bétons (Liu et al., 2008). Le béton étant un matériau poreux, il contient de l’eau dont une partie correspond à l’eau excédentaire nécessaire à l’ouvrabilité. Dans le cas d’une montée importante en température, cette eau emprisonnée va se transformer en vapeur. Pour des bétons à compacité élevée, cette vapeur est susceptible de créer des contraintes internes, pouvant entrainer l’écaillage en surface du béton. D’après une étude réalisée par Bilodeau, l’incorporation de fibres de polypropylène dans le béton (1,5 à 3,5 kg.m‑3) permet d’en améliorer la tenue au feu (Bilodeau et al., 2004). Les observations montrent qu’en fondant, les fibres de polypropylène créent un réseau tridimensionnel constitué de petits capillaires connectés entre eux. Ce réseau de drains va permettre à la vapeur d’eau de l’échapper vers l’extérieur, limitant ainsi la pression interne du béton et donc le phénomène d’écaillage.

1.3.1.3.3 Les composite ciment-verre (CCV)

Le CCV (Composite Ciment Verre), dénomination française de Glass Fibre Reinforced Concrete (GFRC) est un microbéton riche en ciment dans lequel sont incorporées des fibres de verre AR (Alcali‑Résistantes) (Faucon et Beinish, 2006). Le but visé en développant ce produit était de remplacer les produits fibrociments dont les fibres d’amiantes ont posé les problèmes de santé que

possible des parements, etc.). La fibre de verre lui confère un comportement mécanique pseudo‑ ductile qui autorise la création de produits minces donc légers : 30 kg.m‑2 avec une épaisseur de 15 mm (Bernier, 1988).

Les microfissures de la matrice sont bloquées ou déviées par les fibres (mécanisme de pontage de fissure par les fibres), ce qui promeut le développement de l’endommagement au travers de multiples microfissures. Une forte réserve de déformation est ainsi obtenue et les propriétés du matériau vont dépendre de plusieurs facteurs tels que le taux et la longueur du renfort, la compacité de la matrice, etc. (Cherubin‑Grillo, 2001). Le CCV combine la haute résistance en compression du mortier avec les propriétés de la fibre de verre. Cette formulation entraîne une amélioration des caractéristiques mécaniques (choc, ténacité, flexion, traction, etc), le maintien d’une excellente ductilité dans le temps et la disparation des problèmes de vieillissement (Glinicki et al., 1994; Mobasher et Shah, 1989; Proctor, 1990; Shah et al., 1988).

Les limitations du CCV proviennent du faible taux de renfort. En effet, en raison de la rhéologie de la matrice cimentaire, le taux de renfort usuel est de l’ordre de 3% en poids, voire 4% dans certains cas (Faucon et Beinish, 2006). Au‑delà de ces limites, l’ouvrabilité du matériau n’est plus satisfaisante. La figure 1‑18 présente l’allure du comportement en flexion du CCV ainsi que leurs propriétés mécaniques usuelles (Promis, 2010).

Figure 1-18 : Propriétés usuelles du CCV (Promis, 2010)

1.3.2 Caractéristiques des composites cimentaires incorporant des

fibres végétales

Les fibres végétales peuvent être associées à des matrices de différentes natures telles les polymères thermoplastiques ou thermodurcissables. Nous ne décrirons pas plus en détails ces composites à matrice polymère dont les propriétés sont relativement éloignées de celles valorisables dans le bâtiment. Nous limiterons notre étude bibliographique aux matériaux composites de construction à matrice minérale (à base de ciment, de plâtre ou encore de chaux) renforcée par des fibres courtes.