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Chapitre 11 : Les BHP, les BAP et les bétons de fibres

A- Les bétons à hautes performances I. Généralités sur les BHP Le BHP n’est pas un matériau révolutionnaire car il contient exactement les mêmes constituants que des bétons classiques. On considère aujourd’hui que des BHP sont des bétons dont la résistance est supérieure à 80 MPa. De plus, ces bétons sont très durables car très faiblement perméables. Les BHP contiennent les matériaux suivants :

- ciment CEM I à un dosage important (450 à 550 kg/m3), - de la fumée de silice (généralement entre 5 à 15% de la masse totale de liant), - parfois d’autres additions minérales (cendres volantes ou des laitiers HF granulés broyés), - toujours du superplastifiant (5 à 15 litres/m3 selon sa nature et son extrait sec).

Un tel dosage en superplastifiant permet de réduire considérablement la quantité d’eau du béton : celle-ci peut varier de 45 à 75 l/m3. ⇒ Principale différence avec les bétons traditionnels : faible rapport E/C (toujours inférieur à 0.35, quelquefois ne dépassant 0.25, très occasionnellement 0.20). Bien que des granulats ordinaires soient utilisés dans des BHP, la résistance propre des granulats peut être critique. Le critère de résistance d’un granulat est valable lorsqu’une résistance à long terme du béton est nécessaire. III. Les BHP à l’état durci

1) Module de déformation longitudinale La déformation élastique du béton à haute performance est particulièrement intéressante. Les modules d’élasticité de la pâte de ciment durcie très résistante et des granulats diffèrent moins l’un de l’autre que dans le cas d’un béton moyen. La résistance de l’interface granulat-matrice est plus élevée. Il y a moins de microfissuration et la partie linéaire de la courbe contrainte/déformation se poursuit jusqu’à une contrainte pouvant atteindre 85% de la contrainte de rupture, voire plus. La rupture ultérieure s’observe autant dans les gros granulats que dans la matrice. Ainsi, les gros granulats n’arrêtent plus la propagation des fissures de telle sorte que la rupture est brutale.

2) Retrait et fluage Il n’existe pas de résultat valable supposant que le retrait ou le fluage du béton à haute performance sont différents de ce qu’ils devraient être du à ses propriétés et aux proportions des composants de la gâchée. L’influence de la fumée de silice est particulièrement d’actualité parce qu’elle réduit considérablement le mouvement de l’eau et ainsi le fluage au séchage.

3) Résistances mécaniques Au début de ces paragraphes sur le béton à haute performance, il a été précisé que ce matériau peut être considéré comme un prolongement des bétons usuels, ce qui est confirmé par la continuité de la relation entre la résistance et le rapport eau/ciment illustré par la figure suivante.

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Relation entre la résistance à la compression et le rapport Eau/Ciment de cylindres de béton

confectionnés avec différents liants et mis à l’essai entre 28 et 105 jours IV. La durabilité des BHP Le béton à haute performance a une très faible perméabilité car la pâte de ciment hydratée d’un BHP présente une structure particulièrement dense avec une discontinuité du réseau capillaire. RAG : les BHP contenant de la fumée de silice peuvent être considérés comme particulièrement résistants en raison de leur très faible perméabilité (qui limite la mobilité des ions) et leur très faible teneur en eau. Cycles de gel-dégel : plusieurs aspects du béton à haute performance doivent être considérés. Premièrement, la structure de la pâte de ciment est telle que très peu d’eau gelable y est présente. Deuxièmement, l’entraînement d’air pose des problèmes dans les BHP : d’abord, il est très difficile à un rapport eau / ciment très faible et, ensuite, l’air entraîné diminue la résistance du BHP. Résistance à l’abrasion : très bonne, non seulement en raison de la grande résistance du béton, mais aussi de la bonne adhérence entre les gros granulats et la matrice cimentaire, ce qui préserve la surface du béton d’une usure différentielle. Résistance au feu : le BHP a une moins bonne résistance au feu que les bétons usuels parce que sa très faible perméabilité ne permet pas la sortie de la vapeur provenant de l’eau de la pâte de ciment hydratée.

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B- Les bétons autoplaçants I. Généralités sur les BAP Définition des bétons auto-plaçants Par définition, un béton auto-plaçant (BAP) est un béton très fluide, homogène et stable, qui se met en place par gravitation et sans vibration. Il ne doit pas subir de ségrégation et présenter des qualités comparables à celles d’un béton vibré classique.

1) Propriétés des BAP Les BAP doivent être à la fois très fluide et résistant à la ségrégation. Pour arriver à concilier ces deux paramètres à priori contradictoires, il convient de modifier la formulation par rapport à des bétons traditionnels.

a) Un volume de pâte élevé Les frottements entre granulats diminuent la fluidité des bétons. La pâte (ciment + additions + eau efficace + air) permet d’écarter les granulats donc son volume dans les BAP est élevé (330 à 400l/m3).

b) Une quantité de fines ( ∅∅∅∅ �< 80µm) importante Les compositions de BAP comportent une grande quantité de fines (environ 500 kg/m3) pour limiter les risques de ressuage et de ségrégation.

c) L'emploi de superplastifiants La fluidité des BAP est obtenue en ajoutant des superplastifiants.

d) L’utilisation éventuelle d’un agent de viscosité (rétenteur d’eau) Ce sont généralement des dérivés cellulosiques, des polysaccharides ou des suspensions colloïdales, qui augmentent la viscosité de l’eau. Ils ont pour but d’empêcher le ressuage et les risques de ségrégation en rendant la pâte plus épaisse.

e) Un faible volume de gravillon Les BAP peuvent être formulés avec des granulats roulés ou concassés, le diamètre maximal des gravillons dans un BAP étant compris entre 10 et 20 mm. Le rapport gravillon/sable pour les BAP est voisin de 1, mais il doit être optimisé suivant le confinement de la structure étudiée.

2) Avantages recherchés Ces avantages sont :

- la suppression de la vibration et du réglage du béton (réduction de la pénibilité des tâches et réduction des nuisances sonores);

- le bétonnage plus facile des structures fortement ferraillées; - l'augmentation des cadences de production et l'optimisation du travail des grues; - l'obtention de surfaces finies aptes à être directement revêtues.

3) Précautions à prendre

Quelques précautions sont indispensables : - une bonne étanchéité des coffrages; - l'utilisation de coffrages renforcés (pression hydrostatique); - une bonne cure du béton frais; - et la nécessité d'avoir la face supérieure de l'ouvrage horizontale.

II. Caractérisation des BAP à l’état frais Pour caractériser la fluidité des BAP, les essais utilisés se décomposent en trois caractéristiques principales (AFREM - AFGC) :

- mobilité en milieu non confiné (essai d’étalement), - mobilité en milieu confiné (essai de la boîte en L), - stabilité (résistance à la ségrégation et au ressuage).

1) L’essai d’étalement

L’essai d’étalement est réalisé à l’aide du cône d’Abrams : la valeur de l’étalement est donnée par la mesure du diamètre de la galette de béton.

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2) L’essai de ségrégation dynamique

Pour la ségrégation dynamique , aucun essai de référence n’a encore fait l’unanimité mais tous ont pour objectif d'évaluer la capacité du béton à s’écouler dans une zone confinée. Ils permettent de déceler des problèmes de blocage lors de l’écoulement. L’essai de la boîte en L comprend un ferraillage (39 mm entre 3 barres ∅14) qui correspond à des ouvrages très ferraillés.

3) L’essai de stabilité Le béton doit être stable sous l’effet de la gravité (pas de ségrégation) et présenter une capacité de ressuage limitée. L’essai de stabilité de référence n’existe pas encore. Il existe un essai développé par GTM dit de "stabilité au tamis" qui consiste à évaluer le pourcentage en poids de laitance passant à travers un tamis de 5 mm. La capacité de ressuage est mesurée par l’essai à l’aéromètre modifié (développé par le LCPC) : le volume d’eau, libérée par l’échantillon de béton, remonte au-dessus du perchloroéthylène dans une colonne graduée où il est pratique de l’estimer. V. Les BAP à l’état durci Les particularités de composition des bétons auto-plaçants conduisent à étudier certaines de leurs caractéristiques supposées différer de celles des bétons traditionnels comme les déformations instantanées et différées.

1) Module de déformation longitudinale Les BAP ont en moyenne un module plus faible que celui des bétons traditionnels en raison de leur volume de pâte plus élevé. En effet, dans un béton formulé avec des granulats classiques, la matrice est 3 à 15 fois plus déformable que les granulats.

2) Le retrait Etant donné leur quantité de pâte élevée, les BAP sont susceptibles d’être plus déformables que les bétons traditionnels. Les données de la littérature dans ce domaine montrent bien une tendance d’un retrait total plus important pour les BAP.

3) Résistances mécaniques – Adhérence aux armatures – Qualité de parements

Les BAP présentent un rapport résistance en traction / résistance en compression similaire à celui des bétons ordinaires. De même, l’adhérence des BAP aux armatures est peu différente de celle des bétons traditionnels même si la meilleure stabilité des BAP vis-à-vis du ressuage peut améliorer l’enrobage des armatures. Enfin, les BAP permettent d’obtenir des parements potentiellement meilleurs qu’avec les bétons traditionnels notamment vis-à-vis des défauts liés à la vibration et à l’étanchéité des coffrages. VI. La durabilité des BAP Il semble ne pas y avoir de différence notable entre les cinétiques de carbonatation des BAP et des bétons ordinaires. On retrouve des résultats classiques tels que la profondeur carbonatée augmente avec le rapport E/C. Des résultats montrent clairement que les BAP de rapport E/C=0,8 sont beaucoup plus résistants au gel que des bétons habituels de même E/C. Ceci pourrait s’expliquer par la stabilité du réseau de bulles d’air lié à la présence d’agent de viscosité. D’autre part, les BAP avec fumées de silice et entraîneur d’air résistent mieux au gel et à l’écaillage que les autres bétons.

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C- Les bétons fibrés I. Introduction : L’idée de base est de renforcer les matériaux fragiles (briques, bétons, …) par l’ajout de fibres de natures différentes. Dans le cas particulier du béton, les chercheurs ont envisagé de remplacer les armatures métalliques par des fibres qui, comme dans les cas des armatures, reprendraient les efforts de traction. Cette approche est difficile car la quantité de fibres à introduire dans le béton serait trop importante. Nous verrons dans la suite que l’ajout de fibres dans le béton modifie certaines de ces propriétés (notamment à l’état frais) ce qui limite la quantité qu’il est possible d’ajouter. Aujourd'hui, seuls les bétons de fibres à ultra hautes performances (BFUP) permettent de se passer des armatures passives. Nous verrons cependant que les bétons renforcés par des fibres présentent des propriétés mécaniques intéressantes que n’ont pas les bétons sans fibres. Les utilisations actuelles des bétons renforcés de fibres métalliques (BFM) dans le domaine du bâtiment et des travaux publics concernent principalement : les dallages industriels sans joint, les structures hydrauliques, les barrages, les pieux forés à la tarière creuse en zone sismique, les voiles extérieurs de bâtiment en béton banché, les poutres, les planchers, le béton projeté pour soutènement provisoire de tunnel, le béton projeté de réparation, le re surfaçage des chaussées en béton, les panneaux de façade, les corniches, les éléments préfabriqués de structure,…. II. Les différents types de fibres La nature des fibres : 3 grandes familles de fibres sont utilisées :

- les fibres synthétiques minérales comme les fibres de verre ou de carbone, - les fibres synthétiques organiques telles que les polypropylènes, polyvinylalcools ou

aramides tel le kevlar, - les fibres métalliques en acier, acier galvanisé, inox et plus rarement en fonte.

Qualité requise des fibres : Le rôle des fibres est de reprendre les efforts de traction dans le béton. Deux qualités sont donc essentielles :

- présenter une bonne capacité de reprise d’effort (module d'Young élevé) ce qui conduit à préférer les fibres métalliques aux fibres de carbone ou polymères,

- avoir une bonne adhérence avec la pâte de ciment.

Formes géométriques des fibres en acier

Cette adhérence dépendra de nombreux paramètres comme la nature des fibres, leur état de surface, leur forme (lisses, avec ancrages, ondulées, droites…) et leur longueur. Un autre facteur important est le rapport longueur de la fibre / diamètre du plus gros granulat. En effet, dans le cas des bétons courants, la rupture en traction est intergranulaire (les fissures contournent les granulats). Ainsi pour que les fibres puissent agir convenablement, elles doivent en général être deux à trois fois plus grandes que le diamètre du plus gros granulat.

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Quelques caractéristiques de fibres métalliques : Plusieurs sortes de fibres métalliques : - de différentes nuances d'acier,

- de différentes formes, - issues de différents modes de fabrication.

Dimensions : longueur : 6 et 60 mm. 0,15 à 1,2 mm pour le diamètre (fibre à section circulaire) et de 0,5*0,5 mm à 1,0*1,0 mm pour la section (fibre carrée ou rectangulaire). Protection contre la corrosion : pour optimiser la protection vis-à-vis de la corrosion, les fibres peuvent recevoir un traitement de surface comme par exemple une galvanisation. Résistance en traction : varie en fonction du type de fibres et de la nuance de l'acier : de 340 à 2400MPa. III. Formulation des BFM Les fibres, à partir d’un dosage d’environ 50 kg/m3 viennent perturber l'arrangement granulaire et ainsi diminue la maniabilité et la compacité du mélange. Le squelette optimal d'un BFM peut être très différent de celui du béton ordinaire. De manière générale, on constate que pour une maniabilité donnée la quantité de liant et le rapport S/(S+G) optimal du point de vue rhéologique augmentent avec le pourcentage de fibres et avec le rapport longueur de la fibre / diamètre du plus gros granulat. IV Mise en œuvre des BFM – Orientation préférentielle des fibres

1) Mise en œuvre Les fibres doivent être mélangées de façon homogène dans le béton. Des problèmes d'agglomération de fibres ou formation de pelotes (« d’oursins ») peuvent se produire lors de l'introduction des fibres dans le mélange. Si le temps de malaxage est trop court la répartition homogène des fibres dans le mélange n'aura pas le temps de se réaliser. La maniabilité des BFM diminue lorsque le dosage en fibres et l'élancement des fibres augmentent. D'autre part, l'état de surface des fibres est important : si les fibres sont rugueuses le risque de formation de pelotes augmente.

2) Orientation préférentielle des fibres L'orientation préférentielle des fibres a plusieurs origines qui sont principalement :

- la technique de mise en œuvre, - les effets liés aux écoulements du matériau frais dans le coffrage.

Dans le cas d'un BFM fluide coulé en place, l’écoulement de ce béton va provoquer une orientation préférentielle des fibres (les fibres ont tendance à s'orienter parallèlement aux lignes de courant). Pour la mise en œuvre d'un BFM par projection, les fibres s'orientent toujours parallèlement à la paroi à bétonner. Selon les applications, d’autres effets peuvent se produire au moment de la mise en place du béton dont la conséquence sera une hétérogénéité de la répartition des fibres dans le béton. Effet de voûte ou d'écran Ces effets apparaissent lorsqu'un obstacle (cage d’armatures dense) s'oppose au déplacement des fibres. Dans ce cas les fibres s'accumulent en formant des paquets ce qui posent énormément de problème pour le remplissage des espaces fortement ferraillés. Effets de cheminée Ce phénomène se produit dans des BFM assez visqueux comportant un taux de fibres important (> 50 kg/m3) mis en place à l'aide d'une aiguille vibrante. L’aiguille vibrante va provoquer autour d’elle une orientation préférentielle des fibres et lorsqu’elle sera retirée de l’éprouvette, le trou laissé par l’aiguille ne se rebouchera pas toujours correctement (cheminée). Ségrégation des fibres Si le BFM très fluide et qu’il est mis en place dans un élément de grande hauteur, des phénomènes de ségrégation de fibres peuvent éventuellement se produire.

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IV Apport des fibres sur le comportement mécanique des bétons L’utilisation de fibres dans les bétons a pour objectif de « coudre » les fissures et micro fissures de la matrice cimentaire afin d’améliorer les capacités d’extension et de créer une ductilité apparente du matériau. Comportement en traction : Les fibres vont empêcher la rupture brutale du matériau en traction par un pontage des fissures. L’ouverture des fissures demande plus d’énergie dans le matériau fibré que dans le matériau non fibré car elle ne peut se produire que par les mécanismes suivants :

- allongement élastique ou plastique des fibres, - effritement de la matrice de béton, - arrachement des fibres hors de la matrice, - rupture des fibres.

Schématisation des courbes de traction de bétons avec et sans fibre

Les fibres interviennent surtout sur la seconde partie de la courbe, dite post-rupture ou post-pic, qui correspond à l’ouverture d’une fissure pontée par les fibres. Le rôle de ces dernières est prépondérant. Contrairement au cas du béton sans fibre, les fibres permettent au matériau de supporter, après la rupture de la matrice un chargement, mécanique non négligeable.

Action des fibres selon leur longueur

L’énergie de rupture (aire sous la courbe) est augmentée de façon très importante ainsi que la capacité de déformation. Comportement en compression : En première approximation, on considère que la résistance en compression d'un BFM est du même ordre que celle d'un béton ordinaire. Toutefois, pour les bétons de fibres, la séparation du corps d’épreuve en plusieurs blocs intervient plus tard dans la partie descendante de la courbe.