Frottement négatif sur les pieux (News1)

Introduction

Parmi les différents systèmes de fondation, les pieux vissés, fonçés ou battus sont généralements les plus utilisés.

Un pieu de fondation est soumis à différents efforts en tête notamment en compression verticale.Lorsque la charge est appliquée sur le pieu il se produit une légère déformation du sol sous sa pointe entrainant un déplacement de celui-ci. Il se produit en même temps une compression du matériau constitutif (acier,béton).

Le fonctionnement habituel du pieu et optimle que l'on recherche est celui pour lequel la charge de compression est équilibrée par la capacité de pointe et la résistance mobiliée le long du fût. Cette réaction pieu-sol est dirigée de bas vers le haut. Elle est couramment appelée frottement positif.

Il peut arriver pour des raisons que nous évoquerons par la suite que certaines couches de terrain entourant le pieu tassent elles même plus rapidement que le pieu.on observe donc une différence de vitesse de tassement qui induit des mouvements relatifs en sens contraire. Ce phénomène s'appelle frottement négatif.

Le cas le plus courrant est celui des sols compressibles surchargés par des remblais ou du stockage de toute nature.ainsi que les sols dits sous-consolidés,c'est à dire ceux qui tassent encore sous leur propre poids, qu'ils soient naturels, récent ou artificiels. Les tassements sont dans le second cas régulier et de faible amplitude (environ 1 à 2 cm par an). Il est également possible de rencontrer ce phénomène lors de rabattement de nappe par suite de pompage des eaux pour utilisation industriel. Enfin le seul battage de pieu peut entrainer des désordres aux niveau du sol environant et conduire à des tassements selon la sensibilité du sol.

Les désordres dus aux frottements négatifs doivent être prévenus. La plus part du temps, un tassement excessif se manifeste au niveau du sol situé sous la pointe du pieu. Dans des cas beaucoup plus rare lorsque la pointe du pieu est appuyée sur un socle rocheux particulièrement solide, le matériau constitutif du pieu se rompt par compression ou flambement.

La manifestation des désordres est souvent tardive et elle peut atteindre son maximum après plusieurs années. La consolidation des sols compressible peut dans certain cas provoquer un tassement 10 ans après la construction d’un bâtiment.

Deux exemples :

(1979) En suède, un bâtiment est repris en sous-œuvre. Un remblai de 1.8 m est ajouté sur le sol environnant. Le frottement négatif sur les pieux en bois traversant 17 m d’argile a entrainé un tassement différentiel de 25 cm.

(1971) En France, un atelier d’usine comportant des pieux de 90 cm de diamètre traversant 4 mètres de remblai, 20 m d’alluvions compressibles et ancré dans la marne sous-jacente, a subi des tassements de plus de 8 cm.

Lecture globale sur les fondations sur pieu :

http://www.cours-genie-civil.com/IMG/pdf/cours_fondations-profondes1_procedes-generaux-de-construction.pdf

Bibliographie

DENARI, E.(2004) Béton fibrés à ultra haute performance, Notes de cours de l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne

BENTUR.A (1985) Crack patterns in steel reinforced cement paste, Matérials and structures

V.C.LI and H.STANG (1993)Micromechanics of crack bridging in fiber reinforced Concrete materials and structures, vol 26 , p 486-49

ROSSI,P and Acker, (1987) Effect of steel and fibers at two stages : the material and the structure, materials and structures, vol 20 p 436

SHINK, M (2000) Cracking behaviour of steel microfibres reinforced cement pastes , Fibre reinforced  concretes BEFIB 200 , RILEM , P547

HENRIK.S 5°(1995) Design and structural applications of stress Crack width relations in fibre reinforced concrete, Materials and structures,vol 28,p219

PARANT,E and ROSSI P (2004), Mécanismes d'endommagement d'un composite fibré multi-échelles  bulletin des laboratoires des ponts et chaussés , janvier février. P73-P81

JACER KATZER (2006) , Steel fibers and steel fibers in reinforced Concreete, The pacific journal of science and technology, vol 7 number 1

A.E. NAAMAN, (2000) , Fiber reinforcements for concrete : Looking back, looking ahead, Rilem  FIB`2000 P65, Edited by P.Rossi et G. Chanvillard.

E.PARANT, (2006) Influence de la maturité et de la géométrie des fibres sur le comportement mécanique d'un composite cimentaire fibré ultra haute performance, des laboratoires des ponts et chaussés, Janvier-

Avril 2006, n° 261 et 262

Autres ouvrages scientifiques consultés

ROSSI.P, (1998), Les bétons de fibres métalliques, presses de l'école nationale des ponts et chaussés 

CASANOVA.P, (1996), Bétons renforcés de fibres métalliques du matériau à la structure, Etudes et recherches des laboratoires des ponts et chaussés

PIERRE.P,(1999), Etude du comportement mécanique des composites cimentaires armés de microfibres,  thèse Université de Laval

PARANT,E (2003), Mécanismes d'endommagement et comportement mécanique d'un composite cimentaire, E.N.P.C

Conclusion sur les bétons de Fibre

Après une rapide présentation des principales caractéristiques des bétons à bases de fibres. L'attention a été portée sur l'étude des caractéristiques des matériaux composites. On a pu montrer qu'un certain nombre d'observations concordaient avec la mécanique des matériaux composites. L'observation de la micro structure du béton révèle des interactions complexes car ce matériau est très hétérogène et donc difficile à modéliser. Un certain nombre de remarques concernant les articles consultés ont été faites au cours de cette revue de la documentation.

Dans un second temps, l'analyse de l'interface matrice- fibre et des mécanismes décrits par les chercheurs ont montré différents points de vue sur l'interprétation du comportement de ce matériau. Suite à cette étude, plusieurs zones d'ombres demeurent, tant sur la compréhension du matériau à l'échelle de la micro-structure que sur la modélisation de son comportement global. Le processus de fissuration ne semble pas toujours décrit de façon identique selon les auteurs.

Enfin il serait important d'étudier le développement du comportement du matériau vis-à-vis des différentes sollicitations, traction, flexion, cisaillement, afin de faire le rapprochement entre les comportements de la microstructure et le comportement global. Certains documents de recherche récents abordent les paramètres de comportement globaux des éléments en béton de fibres métalliques par des modélisations par éléments finis couplées à des essais de laboratoire sur des poutres et des dalles.





A Quand le code de dimensionnement pour les ingénieurs ??
Auteur : Nicolas Varlet

Les bétons de fibre Partie 3

2.2 Comportement d'une fibre métallique

        2.2.1 Modélisation de l'action d'une fibre

Lorsqu'on étudie une fibre seule, il est possible de réaliser un essai de traction uniaxial , afin de déterminer sa résistance propre. Les études menées (burakiewickz, 1989) permettent de montrer ce qui se passe au niveau de la mobilisation de l'ancrage d'une fibre dans la matrice cimentaire.

La première phase est celle pendant laquelle la fibre commence à être sollicitée dans sa phase élastique. On recherche évidemment à mobiliser le plus rapidement possible la fibre pour limiter la propagation des fissures dans la matrice. Dans un second temps, la fissuration de la matrice mobilise les fibres et le transfert des contraintes à l'interface a lieu. La ductilité des fibres permet une grande dissipation d'énergie. L'ancrage est finalement rompu et la fibre peut alors dissiper par frottement supplémentaire (friction) au niveau de l'interface.

Le comportement de l'interface sera décrit ultérieurement dans ce chapitre.

Des recherches menées par [chanvillart 1992], [Bentour et Mindess] proposent un point de vue essentiel sur les modes de rupture de la fibre. Dans un matériau à matrice fragile comme le béton, lorsque les contraintes deviennent élevées, les fibres se décollent puis s'arrachent : c'est la ruine du matériau.

Il existe une longueur critique de fibre lc pour laquelle la fibre va se rompre de façon optimum, c'est-à-dire en dissipant un maximum d'énergie, la contrainte appliquée étant alors égale à la contrainte maximum de rupture de la fibre.

Lorsque la longueur de cette fibre est trop courte, le décollement de la fibre se produit et ne permet pas la rupture de la fibre ; l'énergie dissipée est donc moindre. Lorsque la fibre est de longueur trop importante, elle se rompe en traction, mais l'ancrage trop important rend inutile la longueur de fibre supplémentaire.

Il est également important de souligner l'importance de la résistance de la matrice. En effet lorsque celle-ci n'est pas assez forte, l'ancrage n'est pas bien mobilisé et la dissipation d'énergie escomptée n'a pas lieu. A l'inverse, Si elle est trop importante, la fibre pourrait se rompre car l'ancrage aux extrémités de celle-ci serait trop fort.

2.2.2 Répartition des contraintes au sein d'une fibre

On considère une fibre discontinue, courte, sollicité dans sa phase de réponse élastique. Les contraintes de cisaillements à l'interface sont maximum aux ancrages et nuls au centre. Les contraintes sigma f représentent l'intensité des contraintes de traction à l'intérieur de la fibre.

Il est important de préciser que lorsque la matrice est fissurée et que l'on considère la répartition des  contraintes au-delà de la phase élastique, les contraintes de cisaillement au niveau de l'interface, prennent en compte une composante de friction au niveau de la fissure qui vient en addition de la contrainte élastique.[P.Pierre, 1999] La lecture des différents articles sur ce sujet a permis de mettre en évidence la complexité des interactions fibre matrice. Il est apparu que la compréhension des phénomènes rend interdépendant un certains nombres de paramètres comme la dimension des fibres, les modules d'élasticité du béton et des fibres. L'observation de l'interface fibre matrice, et la compréhension des mécanismes de fissuration a permet de relier d'autres paramètres comme la surface de contact au niveau de l'interface, l'orientation des fibres par rapport à la fissure.

2.3 Comportement de l'interface fibre matrice

Le comportement du composite est intimement lié aux phénomènes en présence au niveau de l'interface du matériau composite. La réponse de celui-ci dépend des caractéristiques dimensionnels, des caractéristiques mécanique de la matrice et bien entendu des sollicitations extérieures. L'interface fibre matrice présente des similitudes avec les caractéristiques de l'interface pâte granulat dans le sens où la porosité y est plus élevée. On observe également une concentration plus importante de Portlandite (CH).

L'adhérence au niveau de l'interface est définie lorsque qu'il y qu'une interaction moléculaire entre les deux surfaces (liaison chimiques faibles, force de Van der Waals ).

2.3.1 Observations

Lorsqu'une fibre présente dans une matrice une interface faible, la fissure matricielle génère une longue décohésion à la surface des fibres. En ce qui concerne la matrice cimentaire renforcée de fibres métallique, l' interface peut être qualifiée de forte. Les fissures matricielles sont déviées au niveau de l'interface ou sont observés de nombreux rebranchements. Les fissures se propagent dans le matériau en contournant les renforts au niveau de l'interface.

Ces observations sont présentées par [A.Bentour, 1985]. L'étude de la configuration spatiale des fibres par microscopie électronique a été réalisée avec des sollicitations parallèles aux fibres.

Ces études montrent également que la zone de béton toute proche de la fibre (200 micromètres à 1000 micro mètres) présente une décohésion et une microfissuration très élevée. Ce comportement se retrouve d'ailleurs dans l'études de certain composites céramiques pourtant différents d'une matrice cimentaire. [A.Bentour, 1985] conclu également que la simple considération de déviation de la fissure ne donne qu'une description idéalisée et que l'hétérogénéité de la zone d'interface est en partie responsable des observations de fissures multiples et de trajectoires de fissure variées. Les observations semblent donc plus complexes à interpréter qu'on pourrait à priori le supposer.

2.3.2  Le pontage des fissures

L'ouverture de la fissure au niveau de la matrice représente la réponse du matériau aux sollicitations extérieures. Comme on l'a vu précédemment, Les fissures sont tout d'abord diffusent au sein de la matrice, avant de grandir puis de se regrouper et de former des macrofissures.

Nous avons dans le paragraphe précédent expliqué les observations relatives à la rencontre entre une fissure et une fibre. La fissure va continuer de se propager à la rencontre d'autres interfaces fibres- matrice.

Lorsque la fissure est située dans le plan perpendiculaire à la fibre et à la sollicitation extérieure. L`ouverture de la fissure, suite à l'accroissement des sollicitations extérieures, est contrôlée par une fraction de fibre qui assure le transfert de charge. Ces fibres sont d'autant plus chargées que les lèvres de la fissure s'écartent. Le mécanisme de pontage réduit fortement l'intensité des contraintes en fond de fissure matricielle, ce qui caractérise l'action composite .Si l'on considère une analyse des contraintes on montre que la contrainte au niveau de la pointe de la fissure est minimisée par la mobilisation de la fibre. Ce pincement connu sous le nom de pincement de Romualdi [Romualdi, 1964], s il est suffisant, peut arrêter la fissure. Dans le cas contraire la fissure continue de se propager, en contournant la fibre, ce qui explique les observations mentionnées dans le paragraphe précédent.

Figure 11

Contrainte de cisaillement le long d'une fibre

Si l'on analyse le phénomène du point de vue énergétique, L'énergie transmise par les charges extérieures est dissipée une première fois dans la matrice jusqu`à ouvertures des fissures. Une grande partie de l'énergie restante est dissipée grâce à la microfissuration de l'interface que nous avons évoqué précédemment. Les fibres métalliques qui sont mobilisés progressivement, apportent au matériau sa ductilité en dissipant de l'énergie par mobilisation du frottement à la surface de celle-ci.

Le mécanisme de pontage permet la dissipation de l'énergie transmise dans le matériau,comme le montrent plusieurs articles consultés. On peut observer ci-dessous un image au microscope électronique [A.Bentour, 1985] llustrant la déviation de la fissure et la micro fissuration au niveau de l'interface.

Figure 12

Arrêt d'une fissure par une fibre

Suite à ces explications, on serait tenté de croire que plus l'interface est forte, plus la résistance à la propagation des fissures est grande. En réalité, il faut considérer un autre phénomène. En effet si l'interface est trop forte, la fissure pourrait se propager en ignorant le renfort (la fibre).

L'effet de la présence des fibres serait minimisé et le composite pourrait mal réagir aux sollicitations importantes. Cet effet s'ajoute à celui décrit en 2.1.1.

2.3.3 L'effet Cook-Gordon.

Si l'on considère une fissure perpendiculairement à la direction principale d'une fibre tel qu'illustré ci-dessous, il est possible d'établir une relation entre les paramètres dimensionnels de la fibres et le comportement en fissuration. Les articles que nous avons analysés font mention d'un mécanisme connu sous le nom de mécanisme de Cook et cordon. L'utilisation a permis selon [LI 1993] d aider à prédire une relation contrainte ouverture des fissures au niveau de l'interface fibre matrice.

Considérons une fibre isolée et une fissure proche de l'interface. Lorsqu'une fissure se propage dans la matrice cimentaire et atteint la zone proche d'une fibre, une ouverture se forme au niveau de l'interface. Par la suite la fissure progresse brusquement et se retrouve liée à la cavité verticale de dimension delta comme le montre la figure ci dessous. Cette dimension est appelée paramètre de Cook Gordon. L'auteur de l'article précise que ce phénomène a pour conséquence l'augmentation de la largeur de la fissure perpendiculaire à la fibre. Il est intéressant de remarque que l'hétérogénéité et la porosité au niveau de l'interface joue un rôle important dans l'ouverture de la fibre et donc dans la mobilisation de la fibre, comme cela a été évoqué dans les paragraphes précédents.

Figure 13

Schéma de principe cook Gordon

2.3.4 Modélisation du comportement post fissuration de la fibre

La condition de déviation d'une fissure par une interface repose sur le mécanisme de Cook Gordon et sur la répartition des contraintes dans le fond de fissure. Une analyse aux éléments finis permet en considérant une cellule élémentaire constituée de deux matériaux (béton et fibres) d'évaluer la résistance de l'interface à la  rupture en fonction des modules d'élasticités des constituants. En comparant les résultats obtenus par expérimentation en laboratoire, on a pu comprendre les relations entre la largeur des fissures et la contrainte. Le but à terme est de savoir exactement prédire la quantité de fibre nécessaire à la bonne transmission des charges entre fibre et matrice cimentaire.

Nous présentons dans ce paragraphe les résultats de [Henrik, Stang et Li, 1995] sur le comportement en chargement uni axial d un béton de fibre. Il a été pris en considération dans ces études, le phénomène de  pontage des granulats, des fibres que nous avons décri précédemment, et le mécanisme de Cook-Gordon.

On recherche la valeur de la contrainte transportée par la fissure qui est reprise par la fibre. La contrainte se décompose en une contrainte de pontage des granulats, une contrainte de pontage des fibres et une contrainte « élastique » venant du fait que la fibre est déjà soumise à une contrainte élastique lorsque la première fissure se forme.

L'article conclu que pour un taux de fibres égal à 2% et pour des ouvertures de fissures limite de 0.3 mm, les paramètres de L et d sont prépondérants. La compréhension de l'ouverture des fissures et de l'action des  fibres est améliorer car la prédiction des modèles semble refléter les résultats d'expériences présentés dans les articles.

2.4 Comportement des fibres dans la matrice

En ce qui concerne la compréhension du matériau et l'action macroscopique des fibres à l'échelle de l'élément de structure considéré il est important d'évoquer des phénomènes d'échelle et d'attirer l'attention sur des paramètres comme l'orientation préférentielle des fibres, leurs caractéristiques dimensionnelles. 

2.4.1 Action de plusieurs fibres, effets d'échelle

Ce phénomène a été constaté en faisant varier le dosage en fibre d'un mélange avec une quantité de pâte donnée. On pourrait croire que le pourcentage de fibre est directement proportionnel aux caractéristiques mécaniques obtenues. En réalité il n en est rien. Même si cela était le cas, il est impossible d'augmenter le taux de fibres de façon très importante pour des questions de maniabilité notamment.

Considérons deux fibres distantes plongées dans la pâte de ciment. Lorsqu'une fissure se manifeste, et qu'une des deux fibres possède une orientation exactement perpendiculaire à la fissure, cela lui confère une action supérieure à l'autre fibre. La première fibre peut agir sur la seconde par l'intermédiaire d'une compression de la matrice cimentaire et ainsi provoquer une action combinée des deux fibres supérieures à la somme des actions individuelles des deux fibres. A contrario, lorsque les fibres sont trop proches, la fine couche de pâte qui les sépare ne suffit pas à provoquer cette synergie. Pire, l'action résultante des deux fibres est inférieure à la somme de leur action individuelle.On peut ainsi définir une fourchette qui fixe un taux de fibre dans le mélange. [Rossi] 

2.4.2 Les paramètres qui influent sur le mélange

Forme de la fibre

On s'intéresse ici à certains paramètres dimensionnels des fibres, et à leur influence sur le matériau. [E.Parant, 2006] rapportent les travaux effectués sur des BFUP pour comprendre l'action des fibres de différente forme. L'emploi de fibres à crochet permet par exemple d'augmenter de 20 % le module de rupture passant ainsi de 50 à 60 MPa. L'augmentation de l'effet d'ancrage qui résulte de l'emploi de telles fibres est un paramètre permettant d'optimiser la géométrie des fibres pour obtenir une dissipation d'énergie maximum.

Cependant il faut considérer le fait que dans le cas des BFUP, la matrice cimentaire est très compacte et très résistante. Cela a pour conséquence de rendre prépondérant, le mode de rupture de la fibre par frottement. La surface développée d'une fibre isolée peut être améliorée grâce à une recherche de forme torsadée. Les expériences montrent notamment des améliorations comparativement meilleures avec l'emploi de ces fibres.

On remarque que comme nous l'avons mentionné, la qualité de la matrice cimentaire est très importante. Dans le cas des bétons riches en ciment et en fumée de silice, les effets de faiblesse au niveau de l'interface sont minimisés et favorisent l'action des fibres (microfibres). Cela contribue à expliquer la résistance exceptionnelle de ce matériau. Il est communément admis que l interface présente une porosité importante. La fumée de silice peut agir par effet filler et par réaction chimique directe avec la Portlandite pour améliorer l'interface [Sozoushian et Bayasi, 1988 ] .

Surface de la fibre

Certaine étude comme celle de [P.Rossi], mentionnent l'importance de la surface de contact avec le béton. Cependant certaines recherches montrent peu d'amélioration de la résistance par traitement de surface de mélanges de micro fibrés (thèse P.Pascal). On peut remarquer qu'il existe très peu de résultats concernant ce sujet et que les interprétations proposées dans les articles sont parfois contradictoires.

2.4.3 Du matériau à la structure

Les mécanismes principaux qui décrivent l'action des fibres dans le béton ont été présentés. Il est important d' attirer l'attention sur le fait que le comportement du matériau à l'échelle de la structure est parfois différent du comportement observé dans la microstructure. On peut citer comme exemple l'apport de ductilité caractéristique des BFM dont l'origine est la création et la propagation de la macro fissure.

L'étude des contraintes au niveau de l interface a cependant a permis de réelles améliorations dans le domaine des bétons renforcés de fibres métalliques. Le composite multi échelle développé au LCPC correspond à la prise en compte des deux effets : matériaux et structure.

Ce béton comprend un pourcentage de micro, méso et macro fibres. Ainsi, on espère coudre les macro-fissures avec les fibres longues et éviter la coalescence des microfissures grâce à l'action des microfibres. Un effet supplémentaire de synergie entres fibres de taille différente s'opère liant ainsi le matériau à plusieurs échelles.

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.