Les premiers BP fibrés en France à la SNCF

Historique

G. Rivallain

INTRODUCTION

Après VIERZY en 1972 et les recommandations ministérielles de 1973 :

vaste campagne de réhabilitations d’OA

chantiers lourds et onéreux

Début des années 1980, ralentissement des crédits affectés :

réhabilitations plus ciblées

choix de méthodes plus légères

recherche de techniques moins chères

CAMPAGNES D’ESSAIS et de RECHERCHE

A la SNCF

En 1985 : devant les sollicitations des fabricants de fibres

TESTS COMPARATIFS en situation réelle

sur chantiers de BP en tunnels :

- Villefranche sur mer

- Hargenten

- Laifour

avec différentes fibres : acier, fonte, polymère

Essais à la SNCF Ces essais, menés par V.O.S. (équipement ouvrages souterrains) avec le concours du laboratoire "ALPES-ESSAIS" ont permis :

de caractériser certains comportements des fibres,

de définir une méthodologie de contrôle in- situ,

d'établir des critères de choix.

Par la suite, plusieurs chantiers expérimentaux ont alimentés les statistiques et permis de quantifier les critères choisis.

Objectifs principaux ayant guidé la recherche

La pose du treillis soudé classique (maille 150 x 150, fils de 4,5) étant souvent délicate et conduisant parfois à des anomalies, il s'agissait de trouver un produit de substitution qui présente, au moins, les mêmes performances tant techniques que financières.

Financièrement…

Le matériel de projection reste le même avec sous fibre, mais usure des tuyaux, rotors plus rapide :

plus value qu'il faut intégrer aux coûts, La technique de B.P fibré entraîne un surcoût sur le matériau seul, mais aussi une réduction du poste renforcement à l'opération d'introduction des fibres :

suppression des suggestions liées au T.S (reprise sur parc, acheminement, coupes et pose).

Financièrement…

Conséquence : réduction du cycle de travail avec ses

incidences sur les délais d’exécution totaux. Economie de temps et de main d'œuvre :

bilan global de l'opération projection de BRF souvent positif par rapport à celle de BP avec TS classique.

Techniquement L'adjonction de fibres confère au béton des

propriétés particulières qui dépendent : de la quantité de fibres, du type de fibres (nature du matériau de base,

processus de fabrication, dimensions et formes)

Les principales sont : effets du retrait limités, cohésion du béton frais amélioré, caractéristiques mécaniques parfois améliorées

(cisaillement, flexion) , comportement post-fissuration avec capacité

du matériau à absorber de l'énergie ou "ductilité" (toughness en anglais).

Sécurité

Pour les chantiers de réfection ou d'augmentation de débouché, le critère retenu est la sécurité vis-à-vis des circulations et des personnes

il faut donc éviter la chute de matériau après une éventuelle rupture de la matrice de béton

Sécurité

Adoption d’un matériau qui ne présente pas de rupture fragile :

notions de plasticité et de capacité d'absorption d'énergie ("ductilité")

Effet induit : la mécanisation du BPRF rend son automatisation possible et l'éloignement du personnel de la zone dangereuse sont des facteurs primordiaux de l'amélioration de la sécurité et des conditions de travail.

Résultat des essais / Objectifs Mise au point d’une recherche du poids de fibres en place par prélèvements de béton et pesages : la valeur moyenne doit être > poids du dosage mini prévu en fibres

Mise au point de l’essai de poinçonnement/flexion sur échantillon de 60*60*10

(chargement 10*10, v = 1,5mm/mn)

Vérification que l’énergie rémanente est > 500j

(équivalence avec un TS 150*150*4,5)

= calcul de l’aire jusqu’à d = 25mm

Schéma de rupture au test de poinçonnement

Énergie à prendre en

compte W 500 joules

Au CEBTP

Ces recherches ont été faites par la SNCF, la RATP, le CETU, le CEBTP et le CNRS à la fin des années1980

Dans cette nouvelle phase, les essais ont porté sur 13 corps d'épreuve.

Au CEBTP

Ils portaient sur :

l'efficacité et la nécessité de l'épinglage des

armatures traditionnelles

les conséquences d'un écran étanche (plastique,

Delta-MS), sur la résistance de la structure

composite,

l'intérêt du remplacement du BP traditionnel de

la coque par un BP avec incorporation de fibres

métalliques.

INTERETS de l’emploi des FIBRES

L’intérêt économique de l’emploi des fibres d’acier dans le béton projeté peut se résumer comme suit :

diminution de la main d'œuvre

réduction des délais d'exécution

amélioration de la sécurité sur le chantier

Description du modèle La voûte en maçonnerie de briques a été réalisée en deux lits, liés par clavettes, les caractéristiques géométriques sont : rayon de l'intrados maçonnerie: 1,197 m,

portée: 1,900 m,

longueur: 1,000 m,

épaisseur maçonnerie : 11 cm + joint,

épaisseur BP : 6,5 cm

Chargement par vérins

Mesures : extensométriques + acoustiques

Voûte en briques et béton projeté

Voûtes renforcées en FIBRES la capacité de déformation du BP fibré et sa texture répartitrice des fissures (d’où meilleure adhérence), font qu'elles entraînent avec elles dans leur déformation verticale le premier lit de briques. Cela explique la fissuration horizontale entre les deux lits de briques, aux droits de l'application des charges.

Les coques en BPF montrent une meilleure aptitude aux déformations par aplatissement des voûtes, ce qui traduit la ductilité du matériau.

Voûtes renforcées en FIBRES

Le premier lit de briques et la coque BPF sont en flexion, alors que le second lit de briques travaille en compression excentrée.

L'examen des déformations relatives de traction, indique la capacité des fibres à limiter les ouvertures des fissures dans le béton.

CONCLUSIONS Ces essais sur modèles de voûtes en maçonnerie renforcées par contre-voûtes en BP, permettent, malgré le nombre limité de modèles, de porter un jugement favorable sur l'efficacité de la présence de la contre-voûte en BP, exception faite en cas d’interposition de films plastiques.

Dans les autres cas, le renforcement du BP, avec certaines fibres métalliques, permet une augmentation modeste de la charge de rupture, mais présente le grand avantage d'un comportement beaucoup plus sécurisant en cas de fissuration de la contre-voûte.

Au BEFIM

Objectifs du Projet national BEFIM

Après le PN « Voies nouvelles du matériau béton», entre 1993 et 1996, les connaissances sur les bétons de fibres ont notablement augmenté d’où une demande accrue de la profession du génie civil concernant les applications industrielles potentiellement intéressantes de ces matériaux.

Le projet national BEFIM a donc eu pour objectif principal de dynamiser le développement des bétons de fibres métalliques (BFM) dans le génie civil.

Au BEFIM

Un autre objectif de BEFIM a été de valider les recommandations de l’AFREM, devenue AFGC, concernant le dimensionnement des structures en BFM. Les objectifs ainsi évoqués font que le Projet National BEFIM a été beaucoup plus orienté «développements industriels» que« recherche ».

Thème 1 (SNCF partenaire)

Dallages et chaussées aéroportuaires

L'objectif principal était de comparer le comportement mécanique d'un dallage industriel en BFM à l'échelle 1 avec les résultats de calcul utilisant les règles de dimensionnement proposées par l'AFREM. Le dallage en question et les essais mécaniques réalisés devaient respecter le cahier des charges

Thème 2 (SNCF partenaire) Pieux pour fondation

Il s'agissait d'étudier la possibilité d'étendre en zone sismique l'utilisation des pieux en béton fibrés forés à la tarière creuse actuellement utilisés en zone non sismique.

Les pieux étudiés étaient à l'échelle 1 et représentatifs des pieux industriels. Cette étude avait aussi pour objectif de valider les méthodes de dimensionnement préconisées par l'AFREM.

Thème 3 (SNCF acteur + partenaire)

Soutènements et revêtements

Projet 1. Il s'agissait d'étudier l'utilisation des BFM dans les voussoirs préfabriqués de tunnel;

Des essais comparatifs à l'échelle 1 en BFM et en BA ont été réalisés. Ces voussoirs ont été fabriqués en usine en conditions industrielles. L'objectif de cette étude consistait également à valider les méthodes de dimensionnement préconisées par l' AFREM;

Thème 3 (SNCF acteur + partenaire)

Projet 2. L'objectif était de mettre au point des essais in situ permettant de caractériser les propriétés mécaniques au jeune âge des bétons projetés fibrés, leur adhérence avec le support et leur étanchéité;

Projet 3. Il s'agissait de mettre au point un essai mécanique permettant de caractériser les BFM très résistants au jeune âge.

Thème 4 (SNCF partenaire)

BFM projeté en travaux de réparation

Projet 1. Il s'agissait d'étudier l'efficacité mécanique d'un renforcement par BFM des structures en béton armé fissurées;

Projet 2. Il s'agissait d'étudier le renforcement de buses métalliques corrodées par une coque mince non adhérente en BFM.

Thème 5 (SNCF partenaire)

Composants de structure préfabriqués

L'objectif principal de ce projet était de développer des éléments minces en BFM pour panneaux de façade.

Thème 6 (SNCF partenaire)

Étude transversale relative au comportement d'une section fissurée d'une poutre en BFM soumise à de la fatigue ou du fluage

Dans cette étude on se plaçait dans le cadre d'une fissuration de service, l'objectif étant d'améliorer les règles de dimensionnement proposées par l'AFREM validées en statique, ceci en prenant en compte la fatigue et le fluage.

Caractérisation aux jeunes âges des BP renforcés de fibres métalliques

L'analyse amène aux constatations suivantes : L'évolution de l'énergie est systématiquement plus continue pour les BPRF que pour les bétons avec treillis, que ce soit en fonction de la résistance à la compression ou qu'en fonction du dosage en fibre

ou même que de la position du treillis soudé.

Pour l'ensemble des BPRF, on obtient les énergies maximales pour des résistances à la compression comprises entre 30 et 40 MPa. Une chute sensible est à noter au-delà.

Caractérisation aux jeunes âges des BP renforcés de fibres métalliques

CONCLUSION

Il apparaît clairement que, dès les plus jeunes âges, les BPRF ont un bon comportement vis-à-vis des grandes déformations ; ceci se traduit par : une continuité dans la progression de

l'ouverture des fissures,

Synthèse pour les BFM projetés performants au jeune âge

Lorsque l'on veut, en phase provisoire, dans le cas du creusement d'un tunnel utiliser un BFM projeté résistant au jeune âge pour accroître la vitesse de creusement, on est amené à utiliser un béton dont la résistance ultérieure sera également plus élevée.

Cette étude montre que l'on est alors dans l'obligation d'augmenter le dosage de fibres habituellement utilisé afin d’aboutir à un revêtement provisoire respectant les exigences de déformabilité.

Synthèse pour les BFM projetés performants au jeune âge

Les essais de caractérisation in situ des BFM projetés Deux méthodes de caractérisation au jeune âge des BFM dont été proposées, analysées, et validées, il s'agit de méthodes in situ : l'auscultation dynamique (vitesse du son) ; la maturométrie.

Conclusions générales sur le BEFIM

Le Projet national BEFIM a permis de créer une véritable dynamique française autour des BFM et d’offrir des alternatives intéressantes pour un certain nombre de problèmes industriels.

Les publications

1989 : Article sur BP par voie sèche avec incorporation de fibres. TOS n° 92

1994 : Recommandations AFTES GT 6 sur les BPRF, TOS 126

1995 : ANNALES ITBTP : confortement des voûtes en maçonnerie par BP renforcé de fibres métalliques

1997/2002 : fascicules ASQUAPRO sur les BP

2002 : livre du PN BEFIM

Participation rédaction des normes CE (BP)

Depuis 10 ans environ…

Systématisation de la comparaison dans le choix des procédés (BP + TS)/(BPF)

Progrès constants :

béton (granulométrie, composition,…)

adjuvants

qualités intrinsèques des fibres

apparition de nouveaux produits