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Toulouse 18, 19 octobre 2006 J Resplendino Les Bétons Fibrés Ultra Performants BFUP Perspectives offertes vis-à-vis de la pérennité et la maintenance des ouvrages Jacques RESPLENDINO CETE de LYON

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Les Bétons Fibrés Ultra PerformantsBFUP

Perspectives offertes vis-à-vis de la pérennité et la maintenance des

ouvrages

Jacques RESPLENDINOCETE de LYON

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Sommaire• Rappel – définition des BFUP• Bref historique des réalisations en BFUP• Les performances des BFUP utiles en réparation

renforcement d’ouvrage• La durabilité structurelle - Importance de la

qualité de la mise en œuvre• Exemples d’utilisation en réparation –

renforcement • Conclusion - perspectives

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• Résistance caractéristique comprise entre 150 et 250 Mpa (BUHP)

• La ductilité et la résistance en traction données par des fibres :– fibres différentes d’un béton fibré traditionnel

• 12 à 20 mm de long - 0.2 à 0.3 mm de diamètre• fibres métalliques à très haute résistance• Taux de fibres élevé (2 à 3% en volume – 160 à 240 kg/m3)

– Ajout éventuel de fibres polymères• On peut se passer d’armatures passives ou

actives• Caractéristiques de durabilité remarquables

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Définition générale des BFUP

• Granulats de taille réduite, et de résistance mécanique élevée (D varie de 1 à 7 mm)

• E/C inférieur à 0,2 • Quantité de ciment comprise entre 700 et 1000

kg/m3• Super plastifiant de 0,5 à 2% de C• Teneur en fumée de silice élevée (20 à 30 % de C)

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Test d’étalement

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Vue du béton classiqueBéton classique BFUP

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• Matériaux

– Ductal® (Bouygues, Lafarge, Rhodia) anciennement BPR

– BSI® ou CERACEM® (Eiffage, Sika) – BCV® (Vicat, Vinci)– Matériaux développés par des laboratoires (EDF,

LCPC (CEMTEC), …)

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Les premiers BFUP

Années 1970�Développement au Danemark technologie CRC (Béton Ultra Performant très fibré et armé)

1990 – 1995�Premières recherches en France sur le BPR Bouygues (Pierre Richard)

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Passerelle de Sherbrooke (1997 Passerelle de Sherbrooke (1997 -- DuctalDuctal®®®®®®®®))

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Les premières applications industrielles Cattenom – Civaux (1997 – 1998 – BSI ®®®®®®®® et DuctalDuctal®®®®®®®®)

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Ponts routiers de Bourg Lès Valence (2000 – 2001 - BSI ®® )

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Ponts routiers de Bourg Lès Valence

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Se tra Service d'études techniques des rout es et autoroutes =

Asso ciati on

Fran çaise de Gén ie

Civil

Documents scientifiques et techniques

Bétons fibrés à ultra-hautes performances Ultra High Performance Fibre-Reinforced Concretes

Recommandations provisoires Interim Recommendations

Janvier 2002

Les recommandations AFGC – SETRA (2002)

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Les recommandations AFGC – SETRA

• Publiées en mai 2002• Document bilingue français anglais• Divisé en trois parties

– Comportement et caractéristiques mécaniques des BFUP– Méthodes de dimensionnement des structures– Durabilité des BFUP

• Importante bibliographie– 58 références d’articles

• Complété en 2003 – Traduction extraits BAEL - BPEL

• Premières recommandations Japonaises en 2004

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Passerelle de Séoul (2002 - DuctalDuctal®®)

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Passerelle de Séoul

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Passerelle de Sakata Mirai – Japon (2003 - DuctalDuctal®®)

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Station de tramway de Shawnessy – Canada (2003 - DuctalDuctal®®)

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Passerelle de Lauterbrunnen – Suisse (2003 - BCV®)

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0.84 m

2.44 m

Portée de 21.4 m

Les ouvrages de la FHWA aux USAConception MIT (2003 - DuctalDuctal®®)

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Portée : 35.3 m

Largeur : 3.0 m

Hauteur : 0.95 m

Maître ouvrage : Préfecture de Yamagata

Inauguration janvier 2004

Passerelle Yokemuri Japon (2003 - DuctalDuctal®®)

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Passerelle de Papatoetoe Nouvelle-Zélande (2004 - DuctalDuctal®®)

PASSERELLE

10 travées avec une portée type de 20 m

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Aqueduc LGV Est sur l’Ourcq (2004 - BSI ®® )

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La barrière de péage du viaduc de Millau (2005 - BSI ®® )

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53 voussoirs - 2300 tonnes de BFUP

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Longueur 98 m

Largeur 28 m

Section hauteur de 20 à 85cm

Coques épaisseur 10cm

Précontrainte 28 unités DSI 12T15S

Grandeurs caractéristiques de la couverture

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Pont de Saint Pierre la Cour (Mayenne) (2005 - DuctalDuctal®®)

12.909

Solution béton armé

• Longueur: 20m

• Largeur: 12m90

• Nombre de poutres: 10

• Nombre de prédalles: 81

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Pont de Saint Pierre la Cour Mise en œuvre sur site

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Pont de Saint Pierre la Cour

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PS34 – Passage supérieur sur A51 (2005 - BCV®)

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(Portée entre appuis : 47m40)

PS34 – A51 - Élévation générale de l’ouvrage

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Projet National MIKTIMise au point d’une solution de dalle de pont mixte en B.F.U.P.

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MIKTI – BFUPProgramme d’essais en cours

d’achèvement au LCPCEssais de flexion locale en fatigue et à rupture Essai statique de rupture d’un montant de dispositif de retenu (BN4) Essais de validation d’ancrages de précontrainte de taille réduite adaptée aux BFUP - Test d’unités 4T15S, 7T15S, 12T15SEssais de tenue au cisaillement de la connexion (push-out)

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Vue générale dispositif d’essais

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Essais de flexion locale

Roue de surface 40 x 40 cm issue de l'EC1 sur une épaisseur de 9 cm d’Ertalon représentative des couches de chaussée Essais en sus plaques 19 x 26 cm

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Essai d'ancrage BN4Essai d'ancrage BN4

1er essai rupture vis fusibles Fmax = 254 kN2ème essai rupture vis fusibles Fmax = 244 kN

Des fissures et ruptures locales sur la longrine en béton armé Aucun endommagement sur la dalle en BFUP

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Essais de blocs d'ancrage de taille adaptée aux BFUP Mis en œuvre sans armatures de diffusion

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• Performances mécaniques• Limitation des effets différés • Possibilité de se passer d’armatures

passives • Performances de durabilité• Résistance en choc - à l’abrasion• Résistance au feu

Les performances des BFUP utiles en réparation renforcement d’ouvrages

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• Performances mécaniques– Résistance en compression et en traction– Rapport résistance / module comparable à

celui de l’acier– Exemple renforcement tôle acier :

• Tôle acier de 34mm soumise à variation de contrainte de 36 MPa

� Tôle acier de 12mm + 50mm de BFUP (variation contraintes 18 MPa acier – 8 MPa dans BFUP – gain de poids 18%)

Les performances des BFUP utiles en réparation renforcement d’ouvrages

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• Possibilité de se passer d’armatures passives– bétonnage de pièces de forme complexe contre une

structure existante

– Pièces de faible volume – coûts élevés liés aux sujétions de mise en oeuvre

– Formulation BFUP auto-plaçant • pas ou peu d’armatures (seulement aciers principaux – pas de

ferraillage de peau et armatures secondaires)• simplification de mise en œuvre

Les performances des BFUP utiles en réparation renforcement d’ouvrages

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Les performances de durabilité du matériau

diamètre des pores (nanomètres)

Les BFUP ne présentent aucune porosité capillaire avec une microstructure très compacte

Les bétons ordinaires présentent une porosité capillaire de 20 à 25%, connectée donc source de perméabilité

Les BHP présententune porosité capillairede 12 à 20%

Porosité(ml/100g)

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BO BHP BTHP BFUP Porosité à l’eau (%) 12 - 16 9 - 12 6 – 9 1.5 – 6 Perméabilité à l’oxygène (m2) 10-15 10-16 10-17 10-18 <10-19 Coefficient de diffusion des ions chlores (m²/s)

2.10-11

2.10-12

10-13

2.10-14

Teneur en Portlandite (kg/m3) 76 86 66 0

• Indicateurs de durabilité

Les performances de durabilité du matériau

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Coefficient de perméabilité ( x 10-18 m2 ) mesuréaprès séchage à 105°C jusqu’à masse constante :________________________________________

BFUP < 0.1Granit 0.1BHP 10Béton ordinaire 100 à 1000

Perméabilité

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Ions Penetration depth following Fick's model

0

100

200

300

400

500

0 500 1000 1500 2000 2500 3000time (years)

x (m

m)

D= 9.5.E-14 m2/s D=2.E-12 m2/s D= 2.E-14 m2/s

Elle suit une loi en racine du temps :

Connaissant le coefficient de Diffusion, On peut estimer le temps pour qu’un iontraverse une paroi de 50 mm : * moins d ’un an pour un béton ordinaire* 18 ans pour un béton BHP* 800 ans avec un BFUP !

coefficient effectif de diffusion des ions chlore ( 10 -14 m2 / s )________________________________________________BFUP Granit BHP béton ordinaire

2 10 200 2000

Diffusion

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Résistance aux cycles de gel/dégel

Pertes de masse ( en g / m2 ) après les tests accélérés ASTM C672.76 avec sels de déverglaçage après 60 cycles*________________________________________________

BFUP BHP béton ordinaire

< 10 < 900 > 1000( excellent ) ( bon ) ( mauvais)

* solution CaCl2 0.4 g/l+ cycles de gel : 16 h à - 18°C

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Résistance à la carbonatation par le CO2 atmosphérique

Profondeur de Carbonatation (en mm ) après un mois de carbonatation accéléré :coupes transversales de 4 x 4 x 16 cm + phénolphtaléine___________________________________________________

BFUP BHP béton ordinaire< 0.1 mm 2 mm 10 mm

Zone carbonatée colorée en blancZone saine colorée en rose

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• Limitation des effets différés après la priseSans Traitement thermique

• φ = 0,8 εr = 1.10-4

Avec Traitement thermique • φ = 0,2 εr = 0.

• Intérêt dans le cas de structure mixteLimitation déformations et efforts parasite

• Difficultés liées au retrait endogène εr = 3 à 4 10-4

Les performances des BFUP utiles en réparation renforcement d’ouvrages

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• Résistance au choc - à l’abrasion– Solutions de conteneurs pour stockage de

déchets radioactifs – Solutions de boucliers de protection contre

les explosions (USA - 2005)

Les performances des BFUP utiles en réparation renforcement d’ouvrages

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• Résistance au feu– Solutions existent pour permettre de

respecter les spécifications réglementaires iso : fibres polypropylènes,

– Nécessite de réaliser des essais de validation- Formules anti-feu très efficaces : peuvent

constituer des solutions de protection de structures existantes

Les performances des BFUP utiles en réparation renforcement d’ouvrages

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La durabilité structurelle

• Soins à apporter dans la conception des joints et des assemblages entre les éléments de structure

• PS34 : Ouvrage à joints conjugués collés sans chape d’étanchéité :– Étanchéité obtenue par une forte compression et des

reprises ponctuelles par injection des joints

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La durabilité structurelle

• Résistance à la fatigue :– Lors de la rédaction des recommandations peu de

résultats : prudence sur les taux de travail à l’ELS dans le cas d’ouvrages soumis à la fatigue

– Depuis de nombreux résultats montrent que l’on n’a pas de risques de fatigue (limite de troncature) pour des charges inférieures à 60% de la capacité de résistance du matériaux – donc pas de problèmes de fatigue pour des structures correctement dimensionnées aux ELS, et aux ELU.

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Importance de la qualité de la mise en œuvre des BFUP

• Prise en compte de la dispersion des fibres- Le comportement dans le domaine fissuré dépend de

l’orientation des fibres• Type de structure• Mise en oeuvre

- Nécessité de valider les processus de mise en œuvre du BFUP par une épreuve de convenance

• Qui dépend du type de structure (dalle mince, dalle épaisse ou poutre)

• A adapter à chaque projet• Indispensable en l’absence de références et/ou de

processus de production industrialisé.

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Exemple élément de convenance de Exemple élément de convenance de poutre préfabriquée (Bourg Lès Valence)poutre préfabriquée (Bourg Lès Valence)

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Importance de la qualité de la mise en œuvre des BFUP

• Importance de la cure• Traitement des surfaces non coffrées

– Impact des exigences architecturales sur les modalités de réalisation des éléments

• Limitation des gradients thermiques lors de la fabrication– Limiter l’épaisseur des pièces (50 cm max)– Éviter les chocs thermiques et limiter les gradients lors

de la prise (bâches, sondes de température, surveillance des conditions climatiques)

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Importance de la qualité de la mise en œuvre des BFUP

• Attention aux pièces de gros volume : le délais de coulage dépend des capacités de production et de mise en œuvre du BFUP : maîtrise de la rhéologie

• Soin à apporter aux opérations de manutention– Elles peuvent être dimensionnantes pour les pièces

élancées– Contrôle de la géométrie lors des opérations

d’assemblage

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Exemples d’utilisation de BFUP en renforcement réparationRenforcement des piles du pont de Valabres (CG06 - BSI®)

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Exemples d’utilisation de BFUP en renforcement réparationRenforcement piles du pont de Valabres (CG06 - BSI®)

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Exemples d’utilisation de BFUP en renforcement réparationRenforcement piles du pont de Valabres (CG06 - BSI®)

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Exemples d’utilisation de BFUP en renforcement réparationRénovation des Grands Moulins de Paris (Ricciotti - BSI®)

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Exemples d’utilisation de BFUP en renforcement réparation

• Renforcement d’un tablier de pont en Suisse par mise en œuvre d’une dalle en Cemtec® (2005)

• Renforcement d’une canalisation d’adduction d’eau de gros diamètre (2003 - Lybie - BCV®)

• Renforcement de poutres de VIPP (2005 - BSI®)• On peut envisager d’autres d’applications :

– Reprise de corniches – corniches caniveaux,– Boucliers de protection de poutres PRAD soumises à

des chocs de véhicules et/ou à des risques d’incendie– Dés d’appuis, blocs d’ancrage, bossages de répartition

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Conclusions - perspectives• Ouvrages en cours

– France : • Musée de l’homme et des civilisations de Marseille (Ricciotti)• Galerie Navarra ( Ricciotti)• Plusieurs ouvrages en cours (passerelle Montpellier, pont en

Normandie)– Allemagne : passerelle à Kassel– Plusieurs ouvrages en cours aux USA, Japon, Australie,

Canada, Maroc• Développements dans le domaine de la réparation ?

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Conclusions - perspectives

• Réglementation– Recommandations portées au niveau international :

task group 8.6 de la Fib : recommandations en 2008• Achèvement MIKTI – BFIM• Travail projet européen NR2C

– Structure composite BFUP, matériaux composite, bois

• Programme de recherche sur le renforcement des dalles orthotropes métalliques

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Merci pour votre attention