Les bétons de fibre Partie 2

Partie II  Mécanismes d'action des fibres dans le béton.

Après une rapide description du fonctionnement composite des matériaux, nous passerons en revu l'état de la compréhension des phénomènes de fissuration, d'action des fibres dans le matériau. Nous étudierons la microstructure de ce matériau aux travers des différents articles, afin de comprendre le comportement à l'échelle du matériau.

2.1 Comportement des matériaux composites et spécificité des BFM

Le béton présente des propriétés mécaniques de constitution liées à sa nature même. Il existe dans le cas de l'étude des BFM des propriétés très importantes qui ont été découvertes suite à l'étude et à la caractérisation des comportements des composites. Rappelons que certaines analogies ont été constatés lors de la lecture des articles entre l'étude des matériaux cimentaires et céramiques.

2.1.1 Modes d'ouvertures des fissures dans un matériau

Nous considérons dans ce paragraphe un solide fissuré (pièce de béton par exemple) soumis à une sollicitation mécanique. L'étude de la mécanique de la rupture nous à permis de d'établir trois modes d'ouverture des fissures, selon l'orientation relative de la contrainte appliquée par rapport à la fissure. Le premier mode (mode I) est celui dans lequel la contrainte est appliquée perpendiculairement au plan de la fissure tel que dessiné sur le schéma ci-dessous. En mode II, les contraintes s'appliquent sous forme d'une scission ou cisaillement dans le plan de la fissure. Enfin, en mode III, la sollicitation est perpendiculaire à la fissure, créant le cisaillement longitudinal.

Le mode I est le mode susceptible d'entrainer le plus vite la rupture du matériau. A l'échelle de la microstructure, ce mode oblige la matrice à être mise en tension (traction). Les modes 2 et 3 sont considérés comme secondaires. En effet le plan de fissuration est très souvent irrégulier, ce qui amène une dissipation de l'énergie plus importante, par frottement au niveau du plan de la fissure : le matériau résiste donc mieux.

Il est donc envisagé dans les différentes études théoriques, ainsi que dans les modélisations consultées, d'étudier l'ouverture des fissures d'un béton de fibre en mode I.

2.1.2 Loi de comportement d'un matériau composite

Dans ce paragraphe, nous considérons une approche simple permettant de décrire les caractéristiques fondamentales d'un matériau composite. Le but est de comprendre quelle est la résistance du composite en considérant celle de ces constituants. Une observation rapide du diagramme contraintes- déformation dans le domaine élastique permet de comprendre le fonctionnement global mesuré sur le matériau.[P.Pascal, 1999]

Considérons un béton renforcé d'une fraction volumique Vf . La fraction volumique de la matrice est alors 1- Vf . On peut alors déduire une expression des contraintes au sein du matériau.

En affirmant que les déformations sont uniques, c'est-à-dire

on exprime le module d élasticité du composite formé. Les graphiques ci-dessous présentent les courbes théoriques du matériau et de ces constituants. On remarque que la rupture du matériau est décalée par l'action du renfort. Le module d'élasticité est plus grand et la phase plastique est allongée. Le matériau acquière une ductilité, propriété très intéressante dans le génie civil.

Lorsqu'il y a rupture, on en déduit la contrainte maximum à observer dans le béton .On obtient la contrainte moyenne du composite. Ces observations sont valides pour la description de la phase élastique. Cependant, le comportement du matériau dans le domaine plastique est plus complexe et nécessite une présentation approfondi. On peut néanmoins expliquer que la phase « purement » plastique correspond à l'observation d'une droite horizontale. En réalité le matériau peut être adoucissant (pente négative) ou écrouissant (pente positive). Dans le cas des BFUP par exemple le comportement observé est écrouissant (voir figure 2).

2.1.3 Fissuration du béton

En premier lieu il est important de rappeler que l'on entend par microfissure, une fissure qui peut être considérée comme petite à l'échelle de l'élément ou de la structure considérée par opposition à une macro fissure. Dans le cas d'une sollicitation en traction d'un béton «ordinaire », l'ouverture de la fissure dépend de la longueur de la fissure. Ainsi, plus une fissure est ouverte, plus elle est longue. Le paragraphe suivant détail les différentes étapes du processus de fissuration du béton : fissuration diffuse, apparition d une macro fissure, puis propagation et rupture.

Dans le cas d'un béton sollicité en traction, l'analyse menée par certaines recherches [P.Rossi], apportent une explication sur les phénomènes de fissuration en distinguant le comportement de structure du comportement du matériau.

2.1.4 Processus de microfissuration et de macrofissuration

Les chercheurs s'accordent globalement sur la description du phénomène physique que constitue l'apparition, la propagation et l'agrandissement des fissures. Nous présentons dans ce paragraphe, le comportement d'ensemble décrit par [Casanova, 1995] et [Rossi,1998].

Considérons un volume de béton sollicité en traction uni axiale. Le phénomène de fissuration peut se décomposer en trois étapes :

Dans un premier temps on observe un comportement au niveau micro-structurel de micro fissuration diffuse. Pour des niveaux de chargement faible dans la zone élastique, la création de micro fissuration à lieu au niveau des hétérogénéités crées par la nature irrégulière du matériau.

Lorsque ces fissures sont présentes, elles ont tendance naturellement à se rassembler par coalescence pour abaisser le niveau d'énergie. les fibres de faibles dimensions peuvent intervenir à ce niveau pour une couture des microfissures, retardant ainsi leur regroupement.

Dans une seconde phase, il y a apparition d'une macro fissure. Elle se traduit par la fin de la phase élastique sur le diagramme contrainte déformation du BFM. Ce comportement peut être qualifié de comportement de structure, car ce phénomène affecte le matériau à l'échelle du spécimen analysé. Notons que si l'amélioration intrinsèque du matériau ne peut avoir lieu que grâce à la présence en nombre de fibres fines, l'amélioration de la capacité portante de l'élément de béton de la structure au niveau de la troisième phase est possible grâce à l'introduction de fibres longues et de diamètre plus important.

Le schéma ci-dessous illustre de façon globale le comportement des matériaux type BFM vis à-vis de la fissuration du béton. Les trois principales étapes sont reportées sur le diagramme contrainte-déformation du BFM.

2.1.5 Comportement en compression du béton

L'apport de fibre a un effet négligeable sur la rupture à la compression du béton. Il est cependant intéressant de noter que le comportement du béton à la compression permet de mettre en évidence les différences entre le comportement de « structure » et le comportement de « matériau ». Dans la première phase, lorsqu'une éprouvette est sollicitée à la compression, la fissuration diffuse s'oriente préférentiellement dans le sens parallèle à l'effort extérieur.

On peut raisonnablement penser que les fissures sont causées par des contraintes de tractions qui apparaissent perpendiculairement à l'effort. Ces contraintes sont générées par la différence de module d'élasticité entre béton et granulats.

La phase 1 est gouvernée par la coalescence des microfissures. En revanche le comportement adoucissant qui précède la phase plastique coïncide avec l'apparition d une macro fissure oblique.

Par la suite, la propagation de cette fissure et son frottement à l interface traduit un comportement de structure et gouverne l'essai. La rupture d une éprouvette en compression permet théoriquement l'observation d'une fissures à 45 degré qui suit souvent les zones d'interface pâtes granulats les plus faibles. [Rossi, 1998] propose une explication concernant le passage d'une microfissuration à une macrofissuration par une  redistribution global des contraintes conduisant à un excentrement des efforts repris par des petites colonnes verticale très proches, constituant l'éprouvette cylindrique. Cependant, ce phénomène demeure mal connu.

2.1.6  Importance des granulats dans la fissuration

Il est important de rappeler quelques considérations mécaniques et micro-structurelles liées à la nature de la composition de la pâte de ciment. Il est bien connu que la résistance mécanique finale du béton dépend de la quantité d'eau de gâchage présente et donc du rapport E/C. La propagation des fissures est liée elle aussi au rapport E/C mais également à la quantité et aux caractéristiques des granulats. [C.H.Detrich, 1989] a montré que la raideur apporté par les granulats avait une influence significative sur la propagation des fissures dans le béton. Il a également montré que la tortuosité, c'est à dire le cheminement de la fissure dans le matériau dépend de la quantité de sable dans la formulation .Comme nous allons le mentionner plus tard, l'étude des bétons de fibres métalliques est intimement liée à la compréhension des phénomènes de fissuration de ce matériau. On note de plus que les formulations de béton de fibres sont établies par substitution d`un volume de sable par un volume de fibres dont les dimensions se situent dans la même fourchette granulométrique. [P.rossi]. (bétons de fibres multi-échelle LCPC). On fait référence ici à la méthode LCR mise au point pour l'étude des bétons à ultra haute performance.

Comme nous l'avons déjà mentionné, l'introduction de fibres dans le béton perturbe le squelette granulaire. On peut illustrer ce phénomène en observant que les granulats sont remplacés localement par les fibres introduites de dimension similaire. Ainsi la compacité optimum change.

Les bétons de fibre Partie 1

Partie I  Généralités sur les bétons de fibre

Afin de comprendre le comportement et les mécanismes d'action des fibres dans le béton, il paraît essentiel de rappeler le contexte de développement de ce matériau, ainsi que les principales caractéristiques actuelles qui justifient son utilisation. Par la suite, nous présenterons le principe de fonctionnement général de ce matériau au travers d'une description rapide des matériaux de base, de la formulation et de la mise en oeuvre.

1.1 Historique

Les bétons renforcés de fibres métalliques ont fait l'objet de beaucoup d'efforts de recherche ces trente dernières années. L'étude de la propagation des fissures dans une matrice renforcée a été à l'origine du  développement des béton de fibres.[Romualdi, 1963].Cette publication a attirée l'attention des chercheurs et des industriels et a ouvert la voix de la recherche sur les bétons de fibres. L idée d'ajouter des fibres dans le béton afin de le rendre plus homogène est  cependant bien plus ancienne. Déjà, en 1910 en France, H.Alfsen proposa d'ajouter des fibres longues à base de bois et d'autres matériaux afin d améliorer les propriétés en traction du béton. [Jacek Katzer, 2000].

Durant les années 80, les bétons renforcés de longues fibres métalliques se sont développées.

Les chercheurs on examiné les propriétés de la micro-structure de ce nouveau matériau en espérant pouvoir l'utiliser en remplacement du béton armée.

Les bétons de fibres font encore à l'heure actuelle l'objet d'importantes recherches. Notons que l'utilisation de fibres c est peu à peu diversifiée (utilisation de fibres de formes et de composition variée). A partir de 1995 -1997 les chercheurs se sont aperçu que l'amélioration des propriétés mécaniques des BFM ne pouvait se faire qu'en considérant une analyse complète des besoins de l'ouvrage et de la capacité du béton (distribution du squelette granulaire, type de ciment et dosage, maniabilité). Ainsi, il est envisagé d'utiliser les bétons de fibres pour des ouvrages de structure, avec l'objectif industriel d'emploi des bétons de fibres en conception d'éléments porteurs de bâtiments.

1.2 Description des différents types de béton de fibre classification

Il existe actuellement plus d'une trentaine de types de fibres .[Jacek Katzer, 2000] Le tableau suivant rend compte des principales catégories de fibres et de leurs propriétés. Il est également possible de séparer dans la famille des bétons de fibres, les fibres d'origines naturelles des fibres d'origine manufacturées.

Les fibres d'origine naturelle peuvent être organiques, comme le cellulose, le jute ou le bambou ou minérale. Les fibres manufacturées comptent les fibres d'acier, de titane, de carbone, mais peuvent être de type polymère (nylon, aramide poly-éthylène).

Le tableau ci-dessous présente une liste des différents types de fibres en fonctions de leurs

caractéristiques respectives :

Afin de caractériser une fibre dans un mélange cimentaire, on peut distinguer une fibre par son action de  enforcement qui peut être continue ou discontinue [A.Naaman, 200.]Un renforcement est considéré comme discontinu lorsque la longueur du renfort est petite en comparaison de celle de la dimension de l'élément de béton étudié. Les fibres métalliques que nous allons étudier présentent des caractéristiques particulières et des dimensions courtes ou longues selon les caractéristiques mécaniques souhaitées. Nous expliciterons les différences observées.

1.3 Caractérisation des fibres métalliques

En ce qui concerne l'utilisation des fibres métalliques, il est possible de choisir des formes, des tailles variées. Parmi les caractéristiques principales on peur citer le diamètre, la longueur, la surface spécifique, la forme, la géométrie de la section transversale. Les propriétés ainsi recherchées sont la ductilité, l'ancrage dans la matrice cimentaire, la maniabilité lors du coulage sur chantier. Il est également important de préciser que l'on recherche par ailleurs des propriétés intrinsèques du matériau, comme son module d élasticité. La variété des formes et des types de fibre est due à l'influence des paramètres dimensionnels sur les grandeurs caractéristiques du matériau (contrainte post fissuration par exemple). Les chercheurs ont donc essayé de modifier le comportement du matériau en réalisant des formulations variées.

Les différentes formes de fibres qui sont présentées ci-dessous reflètent bien la volonté d'optimiser la surface d'adhérence au niveau de l'interface matrice fibre, mais également l'ancrage aux extrémités des fibres.

On note que les fibres les plus souvent utilisées sont à section circulaires avec un diamètre pouvant aller de 0.4 à 0.8 mm et des longueurs de 25 à 55 mm. Pour des raisons de fabrication que nous décrirons par la suite, les BFM classique présentent un taux de fibre faible, de l'ordre de 2 à 5 % .

1.4 Principe général de fonctionnement des bétons à base de fibres métalliques

L'action principale des fibres dans le béton est de reprendre les efforts de traction ne pouvant être repris par le béton pure. Les fibres empêchent la propagation des fissures au sein de la matrice cimentaire et agissent à pour le matériau comme des armatures de structure.

1.5 spécificités des BFM et des BFUHP

On distingue les bétons de fibres métalliques « classique », des bétons de fibres à ultra haute performance, par plusieurs caractéristiques. Les bétons de fibres à ultra haute performances présentent un pourcentage de fibre supérieure et une optimisation du squelette granulaire. Il est intéressant de remarquer que la volonté d' amélioration de la résistance mécanique caractéristique du béton dépend, de la granulométrie                         ( également du dosage en liant).
La conception des bétons de fibre est basée sur la maitrise de la fissuration, et on sait par ailleurs que des paramètres dimensionnels comme la taille du plus gros granulat on une influence directe sur la fissuration. Il vient donc que la fissuration est directement liée à la granulométrie.


La figure présente les courbes de contrainte déformation comparatives, d'un béton de fibres classique et d'un béton de fibre à ultra haute performance. On remarque que la rigidité est importante et a pour conséquence une phase élastique courte Les comportements des deux matériaux différents par l'écrouissage, c'est-à-dire l' action des fibres dans la phase plastique. On note que la ductilité maximum est apportée par l'action des micro fibres dans le BFUP car celui-ci présente également une compacité très importante et une taille de plus gros granulat très faible. Le graphique met en évidence, deux contraintes caractéristiques SIGMA cc et SIGMA pc qui représentent respectivement la contrainte élastique de fissuration et la contrainte maximum de rupture en post fissuration.

1.6 Formulation et mise en oeuvre des BFM

La fabrication et la mise en oeuvre sont deux conditions essentielles pour permettre à un matériau d'être retenu comme matériau de construction en tant que tel. L' introduction de fibre dans la pâte de ciment a pour conséquence une réduction importante de la maniabilité du BFM. Ce phénomène est la cause de bien des problèmes d'élaboration d'une formulation d'un béton de fibre. Actuellement, il n'existe pas d'outil informatique permettant d'établir avec certitude une formulation. Cette démarche est donc expérimentale et consiste à prendre en compte un certain nombre de paramètres souvent interdépendants. Pour une maniabilité équivalente, il est possible d'ajouter beaucoup de fibres de petites longueurs que de fibres de grandes longueurs. La dimension du renfort a donc une influence directe sur la maniabilité.


On serait tenté de croire qu il suffit d utiliser des fibres très fines afin de s'affranchir de ce problème. En réalité, la couture mécanique des macro fissures ne peut se faire que lorsque la longueur de la fibre est au moins supérieur ou égale à deux fois la taille du plus gros granulat.[BENTOUR, 90]. Cette observation nous permet de dire qu'il faut être en mesure de comprendre et de caractériser la granulométrie et l'introduction de fibre pour obtenir une maniabilité optimum.

Afin de réduire les effets générés par l'introduction de fibres dans la pâte de ciment à l'état frais, il est actuellement utilisé des adjuvants dont la mise au point date des années 80 et 90. Les super plastifiants et les fluidifiant ont pour but d'éviter la ségrégation et d'optimiser l étalement du béton. On remarque d'un point de vue expérimental que les méthodes Baron Lesage et la méthode LCR permettent de caractériser la maniabilité d'un béton de fibre en relation avec le pourcentage de fibre, la compacité, le type de fibre utilisé. Il est notamment mi en évidence que la maniabilité dépend du rapport sable/ (sable + graviers). Ces méthodes sont utilisées en laboratoire afin de préciser le comportement de chaque constituants et d'établir ainsi une
formulation optimum de béton pour des applications futures sur chantier .Il est important de noter que les bétons de fibres métalliques présentent un inconvénient majeur lié aux conditions de coulage sur chantier.
L'orientation des fibres au sein du béton nous apporte le comportement fortement anisotropique du matériau. Lorsque le béton est coulé, les fibres sont orientées de façon désordonnées mais lorsque le béton s'étale
horizontalement dans un coffrage, les fibres s'orientent dans le sens longitudinal suivant les lignes de courant de l'écoulement visqueux. Il y a donc des disparités importantes, des effets de parois peuvent également survenir comme dans le cas de béton projetés ce qui modifie la conception que nous devons avoir de ces éléments. Il apparaît évident que l'action des fibres dans le béton ne sera pas la même selon les cas envisagés ci-dessus.
On retiendra en conclusion que les phénomènes observables sont l'effet de voute, de paroi, la ségrégation, l'agglomération ou l'appauvrissement des fibres. Il appartient au laboratoire d'avoir la capacité expérimentale de reproduite et d'analyser ces phénomènes dans le but d'améliorer les propriétés du matériau.

Introduction sur les bétons de Fibre (2012)

Le béton est un matériau hétérogène, fragile en traction et de composition complexe et variable selon la provenance des matériaux de bases qui le constituent. Aujourd'hui, ce matériau est cependant omniprésent dans la construction car son faible cout défit toute concurrence. Les entreprises doivent donc s'accommoder de ses imperfections.

Les chercheurs ont apporté une réponse partielle aux défauts de ce matériau en concevant l'utilisation d armatures d'acier apportant ainsi une résistance à la traction. Malgré ce progrès, l'emploie du béton armée ne réduit pas la fissuration du béton, et il convient de prendre d' importantes dispositions constructives en ce qui concerne la mise en place sur chantier. En effet la différence de module d'élasticité entre le béton et l'acier nous indique que le béton est déjà fissuré lorsque les armatures sont sollicitées pour reprendre les efforts. Le développement des bétons ne s'est pas arrêté pour autant. L'amélioration des techniques de dimensionnement et de mise en oeuvre du béton traditionnel et l'apparition de la précontrainte ont constitués des avancées majeurs dans le domaine de la construction.

Le béton renforcé de fibres métalliques est un matériau composite à matrice fragile. Il est constitué d'un renfort (fibre) plongé dans une matrice (pâte de ciment). Nous étudierons ici le cas de fibres métalliques incorporées dans une matrice cimentaire lors de la fabrication. Ce concept d'utilisation de béton renforcé avec des fibres métalliques s est concrétisé vers le début des la fin des années soixante. L'idée majeure proposée par les chercheurs était de réduire la fissuration et d augmenter la résistance globale à la traction. Ce nouveau matériau présente en effet des propriétés intéressantes, comme la bonne résistance à la traction, à la fatigue, aux chocs, l'amélioration de la durabilité face aux cycles de gel dégel. On peut en effet attendre de ce matériau une répartition de la fissuration plus homogène du fait de sa constitution. Un pourcentage plus ou moins grand de fibres métalliques de dimensions et de formes variables apporte comme nous le verrons une amélioration des propriétés mécaniques et de la durabilité.

Les bétons à base de fibres métalliques (BFM) sont actuellement utilisés sur le marché dans la restauration des ouvrages d'art, la réalisation de bétons projetés dans les tunnels ou les canalisations, la fabrication d éléments minces et très résistants comme les dallages industriels. Les chercheurs ont mis au point des formulations adaptées à chaque type de situation et des méthodes de dimensionnements font actuellement l'objet de beaucoup de travaux de recherche. Ces travaux sont basés sur l'analyse du comportement du matériau, à l'échelle microscopique,comme à l échelle de la structure.

Afin de comprendre l'utilisation et le comportement de ce matériau une recherche sur la micro-structure du matériau a été nécessaire. Ce rapport présente une analyse sur l'étude de la micro-structure au travers du mécanisme d'action des fibres dans le béton. Dans un premier temps, nous présenterons rapidement les principales caractéristiques et problématiques liées à ce matériau. Puis, une analyse du comportement des fibres métalliques, notamment au niveau de l' interface Fibre matrice au sein de la matrice cimentaire sera développée.