Généralités Béton fibré  béton avec fibres Chaque fibre  caractéristiques géométriques et mécaniques différentes Chaque fibre agit sur les lois de comportement mécanique du béton  applications adaptées et spécifiques 3 principaux types de fibres  Fibres métalliques  Fibres polypropylène (organiques)  Fibres de verre (minérales) Choix d’une fibre  fonction des applications et des performances souhaitées Nota - Cette formation traite des bétons fibrés (à l’exclusion des BFUP) Un BÉTON FIBRÉ est un béton dans lequel sont incorporées des fibres. Les fibres présentent des caractéristiques, tant géométriques que mécaniques, différentes selon leur nature. Chacune a une influence particulière sur les lois de comportement mécanique du béton, ce qui se traduit par des applications adaptées et spécifiques. Trois principaux types : Fibres métalliques, Fibres polypropylène, Fibres de verre. Le choix du type de fibres est fonction du domaine d’application et des performances souhaitées.

Les fibres Le béton fibré Sont réparties dans la masse du béton Ne remplacent pas les armatures structurelles (en général) Confèrent au béton des performances liées aux formes et aux caractéristiques mécaniques Le béton fibré Matériau au comportement homogène A la différence des armatures traditionnelles, les fibres sont réparties dans la masse du béton, elles permettent de constituer un matériau qui présente un comportement homogène. Les fibres ne remplacent pas les armatures structurelles mais elles confèrent au béton des performances liées à leurs formes et à leurs caractéristiques mécaniques (apport des fibres et influence sur les lois de comportement mécanique du béton différents selon leur nature). Les bétons fibrés font l’objet de méthodes spécifiques de dimensionnement pour des applications structurelles (dalles, voussoirs, pieux…). Des méthodes d’optimisation de la formulation des bétons fibrés ont été développées. Nota : cet exposé traite des bétons fibrés (à l’exclusion des BFUP). Optimisation indispensable de la formulation des bétons fibrés Méthodes spécifiques de dimensionnement pour applications structurelles disponibles

Différents types de fibres 3 familles de fibres Fibres métalliques Acier - Inox - Fonte (amorphe) Fibres organiques Polypropylène – Polyamide - Acrylique Mélange polypropylène / polyéthylène Kevlar - Aramide Fibres minérales Verre - Carbone Dosages courants : quelques % en volume  quelques kg/m3 à 50 kg/m3

Caractéristiques des fibres Chaque fibre est spécifique  dimensions, formes, résistance à la traction Conséquence  comportements mécaniques très différents Longueur des fibres 10 à 60 mm Masse volumétrique 0,9 à 7,85 g/cm3 Résistance en traction 500 à 3 000 MPa Module d’élasticité 5 000 à 210 000 MPa Coefficient de dilatation 1 à 90 μm/m°C Forme Ondulée – Bi-ondulée Rectiligne crantée – Lisse – À crochet Ruban mince Chaque fibre présente des caractéristiques et des propriétés qui lui sont propres : dimensions (diamètre, longueur…), formes (fils lisses, crantés, ondulés…), résistance à la traction. Ce qui engendre des comportements mécaniques très différents. Nota - Longueur des fibres à adapter aux diamètres des granulats

Rôle des fibres Apportent des améliorations : Cohésion du béton frais Déformabilité avant rupture Ductilité et résistance post-fissuration Résistance aux chocs, à la fatigue, à l’usure, à l’abrasion Résistance mécanique aux jeunes âges Selon les fibres utilisées (forme et nature) et les ouvrages auxquels elles sont incorporées, leur rôle se traduit par des améliorations relatives à : la cohésion du béton frais, la déformabilité avant rupture, la ductilité et la résistance post fissuration, la résistance aux chocs, à la fatigue, à l’usure, à l’abrasion, la résistance mécanique du béton aux jeunes âges, la réduction des conséquences du retrait par effet de couture des fissures et des microfissures, la tenue au feu, la résistance à la traction par flexion. Réduction des conséquences du retrait par effet de couture des fissures et des microfissures Tenue au feu Résistance à la traction par flexion

Caractéristiques nécessaires des fibres Être faciles à incorporer dans le béton Ne pas perturber le malaxage Se répartir de manière homogène lors du malaxage et de la mise en œuvre Être flexibles sans être fragiles Être relativement longues et fines Les fibres doivent : Être faciles à incorporer dans le béton et ne pas perturber le malaxage (dispersion rapide), Se répartir de manière homogène lors du malaxage et de la mise en œuvre au sein du béton (pas d’agglomération de fibres). Pour améliorer les performances mécaniques des bétons, elles doivent : Être flexibles sans être fragiles, Être relativement longues et fines et présenter une grande surface spécifique, Offrir une bonne capacité de déformation, Présenter une bonne adhérence avec la pâte de ciment. Présenter une grande surface spécifique Offrir une bonne capacité de déformation Présenter une bonne adhérence avec la pâte de ciment

Spécificités pour la formulation Incorporation de fibres dans le béton  nécessite une étude de formulation et une vérification de la compatibilité avec les autres constituants Introduction de fibres  engendre une baisse de l’ouvrabilité à compenser par l’utilisation de superplastifiants Nécessité d’essais  pour déterminer nature, taille et dosage des fibres Dosages courants : Fibres métalliques : 25 à 50 kg/m3 Fibres polypropylène : 0,5 à 3 kg/m3 L’incorporation de fibres dans le béton doit faire l’objet d’une étude de formulation et d’une vérification de la compatibilité avec les autres constituants. L’introduction de fibres engendre une baisse de l’ouvrabilité qui doit être compensée par l’utilisation de superplastifiants. Des essais sont nécessaires pour déterminer la nature, la taille et le dosage des fibres. Dosages courants : Fibres métalliques : 25 à 50 kg/m3 Fibres polypropylène : 0,5 à 3 kg/m3

Grande variété d’utilisation Béton coulé en place Béton préfabriqué Béton projeté Mortiers (prêts à l’emploi) de réparation et de scellement

Techniques de mise en œuvre Béton coulé en place Béton projeté À la pompe Avec benne à manchon Incorporation des fibres dans le béton Au malaxage en centrale à béton Au moment du coulage dans la toupie sur le chantier Lors de la projection

Atouts des fibres Renforcement de l’action des armatures traditionnelles : s’opposent à la propagation des microfissures Maîtrise de la fissuration : permet de réaliser des pièces minces de grandes dimensions et de donner une plus grande liberté architecturale aux concepteurs Facilité et rapidité de mise en œuvre Renforcement multidirectionnel et homogène Remplacement partiel ou total des armatures traditionnelles : les fibres travaillent en synergie avec les armatures

Bétons de fibres métalliques Qualité essentielle Bonne résistance à la traction et à la flexion Utilisations Dallages, sols industriels, voussoirs de tunnels ou coques, pieux, bétons projetés, mortier de réparation ou de scellement Grande variétés de types Ondulées – Crantées – Torsadées – Droites – Lisses – Rugueuses Fils, rubans À extrémités aplaties, crochet, têtes coniques À ancrage aux extrémités Les betons de fibres métalliques Les bétons de fibres métalliques ont une bonne résistance à la traction et à la flexion. Ils sont utilisés dans les dallages, les sols industriels, pour la fabrication de voussoirs de tunnels, de coques ou pour la confection de pieux ou pour réaliser des bétons projetés (pour la construction ou la réparation de revêtements de tunnels et de galeries et le confortement de parois en béton) et la confection de mortier de réparation ou de scellement. Grande variétés de types de fibres : Ondulées – crantées – torsadées – droites – lisses – rugueuses Fils, rubans À extrémités aplaties, à crochet, à têtes coniques (crochet, têtes de clou…) À ancrage aux extrémités

Bétons de fibres métalliques Comportement avant rupture si l’on applique un effet de traction Phase 1 Fibres et béton agissent ensemble dans une phase élastique Phase 2 Apparition de microfissures  Effort de traction repris par les fibres  Fibres : - limitent la propagation de la fissuration - s’opposent à l’élargissement de la fissure Les bétons fibrés avec des fibres métalliques se comportent avant rupture si l’on applique un effet de traction selon 2 phases : Les fibres et le béton agissent ensemble dans une phase élastique. Des microfissures se produisent, l’effort de traction est repris par les fibres (qui transmettent les contraintes au droit des fissures) ce qui limite la propagation de la fissuration. Les fibres s’opposent à l’élargissement de la fissure. Les fibres métalliques « cousent » les microfissures et évitent leur propagation, ce qui empêche ou retarde l’apparition de macrofissures. Les fibres métalliques « cousent » les microfissures et évitent leur propagation  empêchent ou retardent l’apparition de macrofissures

Bétons de fibres métalliques Atouts des fibres métalliques dans les bétons structurels Améliorent le comportement mécanique Réduisent la largueur des fissures dans la matrice béton Se substituent partiellement aux armatures traditionnelles Réduisent les risques de fissuration Atouts des fibres métalliques dans les bétons structurels Les fibres métalliques sont utilisées pour améliorer le comportement mécanique d’un béton de structure (résistance au cisaillement, en traction, en flexion). Elles contribuent à la réduction de la largueur des fissures dans la matrice béton (limitation de l’ouverture des fissures et répartition de la microfissuration). Elles se substituent partiellement aux armatures traditionnelles (dans certains cas, pour des bétons subissant de faibles sollicitations, elles peuvent remplacer complètement les armatures). Elles sont en particulier utilisées pour réduire les risque de fissuration, espacer les joints de retrait, améliorer la résistance en traction et au choc. Elles confèrent au béton une certaine ductilité (capacité de résistance à la post-fissuration) et une plus grande résistance à la fatigue (ténacité). Espacent les joints de retrait Améliorent la résistance en traction et au choc Confèrent au béton ductilité et plus grande résistance à la fatigue

Bétons de fibres métalliques L’efficacité mécanique d’une fibre métallique dépend : Du rapport longueur/diamètre : dissipation d’énergie par frottement De la présence d’un ancrage mécanique De la compacité du béton : plus il est compact, plus la fibre frotte et est ancrée Les bétons de fibres métalliques Efficacité mécanique d’une fibre métallique L’efficacité mécanique d’une fibre métallique dépend : Du rapport longueur/diamètre: dissipation d’énergie par frottement, De la présence d’un ancrage mécanique (crochets, ondulations…), De la compacité du béton: plus il est compact, plus la fibre frotte et est ancrée. Nota - Plus un béton est compact, plus il faut utiliser un pourcentage élevé de fibres courtes. Nota - A maniabilité fixée, plus le rapport longueur/diamètre de la fibre est petit et plus la fibre est courte, plus le pourcentage de fibre que l’on peut utiliser est important.

Bétons de fibres métalliques Orientation préférentielle Béton = fluide visqueux  fibres s’orientent parallèlement au sens de l’écoulement et aux parois lors de la mise en œuvre L’orientation préférentielle dépend de :  La dimension et la géométrie de la structure  La technologie de mise en œuvre  La distance que doit accomplir le béton fibré dans le coffrage pour le remplir Orientation préférentielle et hétérogénéité Le béton est un fluide visqueux dans lequel les fibres s’orientent préférentiellement parallèlement au sens de l’écoulement et aux parois. L’orientation préférentielle dépend de : La dimension et la géométrie de la structure au regard de celles de la fibre, La technologie de mise en œuvre du BFM, La distance que doit accomplir le BFM dans le coffrage pour le remplir. Nota - Plus le pourcentage de fibres bien orientées par rapport à l’orientation potentielle des fissures est grand, plus le BFM est mécaniquement efficace. Nota - Pour la formulation des BFM, il est donc nécessaire de connaître la technique de mise en œuvre.

Bétons de fibres polypropylène Caractéristiques Se présentent en faisceaux Se répartissent lors du malaxage de façon multidirectionnelle Améliorent maniabilité et cohésion du béton frais Permettent de mieux contrôler le retrait plastique du béton frais N’améliorent pas le comportement post-fissuration du béton Les fibres polypropylène permettent en particulier de mieux contrôler le retrait plastique du béton frais mais n’améliorent pas le comportement post-fissuration du béton (contrairement aux fibres métalliques). Elles se présentent en faisceaux et se répartissent lors du malaxage de façon multidirectionnelle. Elles améliorent la maniabilité et la cohésion du béton frais. Elles sont particulièrement souples et insensibles chimiquement et peu résistantes au feu (température de fusion 160°C). Les propriétés des fibres polypropylène sont intéressantes pour les pièces à démoulage immédiat (meilleur comportement du béton frais) et les éléments préfabriqués (meilleure résistance mécanique au jeune âge). Elles améliorent l’aspect et la précision des angles, des tranches ou arêtes des pièces moulées. Souples et insensibles chimiquement, et peu résistantes au feu Intéressantes pour pièces à démoulage immédiat et éléments préfabriqués, elles améliorent aspect et précision des angles, tranches ou arêtes des pièces moulées

Bétons de fibres polypropylène Atout des fibres polypropylène pour la tenue au feu des bétons Béton = matériau poreux  renferme de l’eau excédentaire nécessaire à l’ouvrabilité Si élévation importante de température  l’eau se transforme en vapeur qui peut entraîner un écaillage en surface du béton Avantages de l’incorporation au béton de fibres polypropylène (1 à 3 kg/m3)  fondent entre 140 à 170°C  créent de petits capillaires permettant à la vapeur d’eau de s’échapper et évitent les surpressions  limitent l’éclatement de surface d’un béton soumis à un incendie  améliorent la tenue au feu du béton Les bétons de fibres polypropylène Atout des fibres polypropylène pour la tenue au feu des bétons Le béton est un matériau poreux qui renferme de l’eau dont une partie correspond à de l’eau excédentaire nécessaire à l’ouvrabilité. En cas d’élévation importante de la température, l’eau, restée prisonnière, se transforme en vapeur qui crée des contraintes internes pouvant entraîner un écaillage en surface du béton. L’incorporation au béton de fibres polypropylène (1 à 3 kg/m3) permet d’améliorer la tenue au feu du béton. En effet, les fibres fondent lorsque les températures atteignent 140 à 170°C. Elles créent ainsi, en fondant, un réseau tridimensionnel constitué d’une multitude de petits capillaires (réseaux de drains) qui vont permettrent à la vapeur d’eau de s’échapper et éviter les surpressions, ce qui constitue un moyen efficace pour limiter l’éclatement de surface d’un béton soumis à un incendie.

Bétons de fibres de verre Fibres de verre  renforts très efficaces grâce aux fortes qualités mécaniques, rigidité et résistance au feu Atouts des fibres de verre comme armatures de parois minces En préfabrication Bétons de fibres de verre : composite “ciment verre” : CCV Réalisation d’éléments de faible épaisseur et de produits d’assainissement Les bétons de fibres de verre Les fibres de verre sont des renforts très efficaces grâce à leurs qualités mécaniques, leur rigidité et leur résistance au feu élevées Atouts des fibres de verre comme armatures de parois minces En préfabrication : Bétons de fibres de verre (composite ciment verre : CCV), Les fibres de verre permettent la réalisation d’éléments de faible épaisseur (éléments architectoniques, panneaux de façade…) et de produits d’assainissement.

Domaines d’application privilégiés par type de fibres Domaine d’application privilégié Exemples d’application Fibres métalliques Renfort pour bétons structurels Dallages, sols industriels, planchers, dalles de compression Éléments préfabriqués, voussoirs de tunnels Bétons projetés en travaux souterrains, stabilisation de pente et ouvrages d’assainissement Pieux de fondation, semelles filantes Dallage Fibres polypropylène Améloriation de la tenue au feu des bétons Voussoirs de tunnels Revêtement d’ouvrages souterrains Mortiers projetés Parements esthétiques Fibres de verre Réalisation d’éléments préfabriqués très minces Parements architectoniques Panneaux de façade SOMMAIRE SESSION 5 SOMMAIRE GÉNÉRAL