Projet BFUP Final

Etude des Bétons Fibrés Ultra Hautes Performance

1 Avril 2010

Table des matières

INTRODUCTION ....................................................................................................................................... 3

1 PRESENTATION DES BFUP ............................................................................................................ 4

1.1 Généralités .................................................................................................................................................................... 4

1.2 Historique ..................................................................................................................................................................... 4

1.3 Possibilités architecturales ..................................................................................................................................... 5

1.3.1 La passerelle des Anges ................................................................................................................................................................ 6

1.3.2 Le péage du Viaduc de Millau..................................................................................................................................................... 7

1.3.3 La Passerelle de la Paix, Séoul ................................................................................................................................................... 8

1.3.4 Le tramway d’Orléans ................................................................................................................................................................... 8

1.3.5 Couverture du stade Jean Bouin ............................................................................................................................................... 9

1.3.6 Autres exemples .............................................................................................................................................................................. 9

1.4 Orientation des recherches ................................................................................................................................... 10

1.4.1 L’utilisation en fondations profondes ................................................................................................................................. 10

1.4.2 Traitement des ponts thermiques ........................................................................................................................................ 10

1.4.3 Résistance au souffle et aux explosions ............................................................................................................................. 10

1.4.4 Recommandations de l'AFGC .................................................................................................................................................. 11

2 FABRICATION ET MISE EN ŒUVRE .............................................................................................. 12

2.1 Macro : Fabrication/ Structure/ cohésion BFUP ............................................................................................ 12

2.2 Micro ............................................................................................................................................................................. 13

3 CARACTERISTIQUES TECHNIQUES ............................................................................................... 14

3.1 Propriétés mécaniques ........................................................................................................................................... 14

3.1.1 Résistance à la compression .................................................................................................................................................... 14

3.1.2 Résistance à la traction .............................................................................................................................................................. 15

3.1.3 Résistance thermique ................................................................................................................................................................. 16

Comportement au feu ............................................................................................................................................................. 16


2 Avril 2010

3.1.4 Module d’élasticité statique ..................................................................................................................................................... 17

3.1.5 Fluage – retrait .............................................................................................................................................................................. 17

3.2 Durabilité .................................................................................................................................................................... 17

3.2.1 Principaux indicateurs ............................................................................................................................................................... 17

Porosité à l’eau .................................................................................................................................................................................. 17

Perméabilité à l’oxygène .............................................................................................................................................................. 17

Coefficient de diffusion des ions chlorure ........................................................................................................................... 18

Conclusion ............................................................................................................................................................................................ 18

3.2.2 Les indicateurs de durabilité particuliers ......................................................................................................................... 19

Stabilité des adjuvants .................................................................................................................................................................. 19

Reprise de l’hydratation............................................................................................................................................................... 19

Corrosion des fibres métalliques ............................................................................................................................................. 19

Durabilité des fibres polymères ............................................................................................................................................... 19

3.3 Exemple de caractéristiques de quelques BFUP ............................................................................................ 21

4 MODELE DE COMPORTEMENT EN FLEXION ................................................................................ 22

5 JUSTIFICATION PREFERENTIELLE D’UN BFUP ............................................................................... 26

6 CONCLUSION ............................................................................................................................. 27

7 BIBLIOGRAPHIE .......................................................................................................................... 28

8 REMERCIEMENTS ....................................................................................................................... 28


3 Avril 2010

Introduction

Le béton est le matériau de construction le plus utilisé au monde avec 32 millions de tonnes produites par

an. Les grands progrès effectués dans la formulation des bétons ont permis d’élargir la gamme de béton

de façon spectaculaire afin d’atteindre aujourd’hui des constructions en béton de grandes portées avec de

grandes résistances. Les ingénieurs se sont réellement appuyés sur des concepts scientifiques pour passer

des bétons courants (30 MPa) aux Bétons à Hautes Performances (BHP, 150 MPa) puis aux Bétons Fibrés à

Ultra Hautes Performances (BFUP, 250 MPa).

Le béton fibré est né dans les années 1910 avec l’idée d’éliminer les granulats pour les remplacer par autre

chose afin de diminuer les vides du béton mais c’est seulement dans les années 90 que les BFUP sont

apparus avec une résistance de l’ordre de 200MPa en compression. Ces matériaux sont additionnés de

fibres métalliques, en vue d'obtenir un comportement ductile en traction et de s'affranchir si possible de

l'emploi d'armatures passives. Ils peuvent également comporter des fibres polymères.

Les BFUP représentent donc le challenge du prochain siècle. Malgré cela, la profession reste peu

convaincue et il faut encore acquérir une approche spécifique de ce matériau.


4 Avril 2010

1 Présentation des BFUP

1.1 Généralités

Les BFUP sont des matériaux cimentaires avec de très petits granulats. Un fort dosage en liant, en super

plastifiant, et en ultra fines (Fumée de Silice) ainsi que son rapport eau/ciment (inférieur à 0.2) détermine

ses performances exceptionnelles, entraîne une microporosité réduite et une durabilité exceptionnelle.

L’emploi de fibres métalliques de taille très petite adaptée à celle des granulats, donne ses particularités

au BFUP (ductilité, résistance en traction) qui va ainsi pouvoir se libérer des armatures traditionnelles et

permettre de concevoir des structures plus épurées. Il est cependant nécessaire de porter une attention

particulière aux coffrages et au traitement des surfaces non coffrées pour éviter l’apparition des fibres

métalliques en surface du béton.

Les BFUP sont donc des bétons à hautes performances qui ont révolutionnés les techniques et méthode de

construction de certains édifices en permettant entre autre de s’affranchir du ferraillage passif

traditionnel.

Les BFUP sont également des bétons, qui ne craignent pas la corrosion et ne nécessitent ni protection, ni

entretien. Ils sont donc très appréciés dans certains domaines agressifs.

La réduction de la quantité de matériau à installer, le temps de manutention et son aspect écologique en

on donc fait un matériau très recherché.

1.2 Historique

La technologie du béton a peu varié dans le temps. Ce n’est que dans les années 1980 que l’on à découvert

le moyen de réduire les vides du béton en ajoutant des microparticules et des adjuvants de types

plastifiants (on a alors parlé de Bétons Hautes Performances). La construction en BHP du pont de l’île de

Ré en est le premier exemple.

C’est dans cette avancée de la science que vont se développer les BFUP (bétons fibrés à ultra‐hautes

performances) afin d’obtenir un béton présentant une résistance en compression comprise entre 150 et

250 MPa

Le premier BFUP date de 1970 et fut réalisé par le professeur Bache au Danemark qui fut à l’origine de la

technologie CRC marquée par un taux de fibrage élevé tout en gardant la présence d’armatures passives.


5 Avril 2010

En France, le béton fibré fut utilisé pour la première fois par Bouygues, en 1991, sous le nom de Béton de

Poudres Réactives (BPR) afin de répondre à un besoin de EDF qui était confronté à une dégradation raide

des corps d’échange des aéroréfrigérants des centrales nucléaires impliquant des pertes de rendement

des installations et un coût financier.

Ce n’est cependant que depuis 2002, date de parution des recommandations de l’Association Française de

Génie Civil (AFGC), que les bétons fibrés à ultra‐hautes performances (BFUP) ont connu un essor et une

extension de leurs applications en France et plus généralement à travers le monde.

On dénombre actuellement 4 industriels européens qui fabriquent des BFUP.

1.3 Possibilités architecturales

Les bétons fibrés à ultra‐hautes performances tel que le Ductal ou le BSI, sont des matériaux parfaits pour

réaliser des architectures complexes. En effet, la présence de fibres dans le BFUP permet à l’ouvrage de

s’affranchir des aciers passifs et entraîne donc l’élimination des épaisseurs d’enrobage. Par ailleurs, la

fluidité de ce matériau aide à la réalisation d’ouvrages sophistiqués en permettant au béton d’épouser des

formes de coffrage complexes

Rudy Riccioti, architecte travaillant avec des BFUP dit de ce matériaux « C’est une supra technologie, une

technologie métaphysique… ».

En effet, le BFUP permet de repousser les limites des contraintes structurelles et ainsi de jouer avec les

formes et de s’amuser avec les textures. Avec le BFUP, on peut obtenir des formes avec moins de masse et

pourtant encore plus solides et performantes tout en gardant l’aspect brut du béton.

L’emploi des BFUP révolutionne ainsi la mise en œuvre et l’esthétique des constructions en béton.

L’absence d’armatures et le poids propre plus faible du BFUP permettent de sortir des structures

traditionnelles en imaginant des formes arrondies là où il y avait des formes angulaires et de construire

des structures minces sur des sites difficiles (cf Illustration 1)

Bien que le BFUP soit essentiellement utilisé dans la construction d’ouvrages d’art pour ses

hautes performances et sa durabilité, il fait désormais ses preuves dans la construction des bâtiments. Il

permet des constructions de structures légères, plus esthétiques et peut permettre de résoudre les

problèmes de construction dont le poids propre est très pénalisant.

Les BFUP sont donc des bêtons qui peuvent servir un but esthétique (comme les panneaux acoustiques de

la gare de Monaco (15 mm d’épaisseur) ou encore la façade du cinéma Les Enfants du Paradis à Chartre

Illustration 4) mais ils ont avant tout un but structurel. Voici quelques exemples :


6 Avril 2010

1.3.1 La passerelle des Anges

Cette passerelle propose une structure d’une portée de 70m pour une hauteur de seulement 1m80.

Le matériau constitutif de l’ouvrage, le Ductal FM, fait

parti de la famille des BFUP. Le BFUP a permis, par sa

grande résistance à la compression de mettre en œuvre

des précontraintes très importantes et de ne pas utiliser

de pilier intermédiaire ou hauban sur les 70m de portés.

La passerelle est constituée par deux poutres

isostatiques préfabriquées en usines optimisées selon

une forme d’os permettant de limiter l’impact de

l’ouvrage avec un élancement ultra‐élevé et une

hauteur statique de 1,80 m. Une largeur utile de 1,88 m

pour les piétons et les cyclistes, est ensuite libérée entre

les deux poutres‐os. Elle comporte 15 voussoirs coulés

par le bas, dans un moule spécialisé de 4,6 m de long.

Les voussoirs sont ensuite assemblés, clavés et

assemblés sur site par post‐tension. Des amortisseurs

sont ensuite installés pour limiter les effets du vent.

Illustration 1 – Vue depuis la Passerelle Des Anges


7 Avril 2010

1.3.2 Le péage du Viaduc de Millau

Nous le savons, en tout cas dans cette école nous commençons à le savoir, à quel point le Viaduc de Millau

est un ouvrage exceptionnel. Cet ouvrage exceptionnel doit donc, puisqu’il a été nécessaire de faire payer

sa traversée afin d’amortir sa construction, posséder un péage exceptionnel, qui a au moins une allure

exceptionnelle. La toiture du péage est en fait une nappe courbée comme le côté d’un cylindre, et inclinée

à la fois. Le défi de sa construction aura été notamment de trouver des moyens et matériaux adaptés à sa

réalisation. Eiffage, chargé du chantier, a donc employé son BSI Ceracem.

L'auvent est réalisé en 53 voussoirs préfabriqués de 28 m de long pesant chacun entre 40 et 55 tonnes. Les

53 voussoirs sont en fait tous légèrement différents ce qui nécessita de réaliser un mode de coffrage

vertical flexible.

L’épaisseur totale du toit paraît

relativement réduite. En faite, la

membrane de béton fibré fait

seulement 10 cm d’épaisseur,

les voussoirs atteignent en leur

point le plus épais 85 cm.

L’ensemble des voussoirs va

donc former le toit large de

28m sur une longueur totale de

98m.

Illustration 2.1 :Un des voussoirs, avec vue sur les alvéoles remplies de polystyrene

Illustration 2.2 : Le fameux toit dans son ensemble


8 Avril 2010

1.3.3 La Passerelle de la Paix, Séoul

La précontrainte, maîtrisée depuis les années trente

grâce au français Eugène Freyssinet, a été associée au

Ductal (BFUP) dans la construction de la Passerelle de la

Paix à Séoul (Corée du Sud). D'une longueur totale de 430

m, elle se compose d'un arc de 130 m de portée

s'appuyant sur des massifs dont la résistance est assurée

partiellement par six câbles. La hauteur de caisson de

l’arc est de 1m30. Il a été réalisé en 6 éléments

préfabriqués en forme de « p » d’une longueur de 20m

environ et d’une largeur de 4m30.

Sur l’arc repose donc le tablier de seulement 3 cm d'épaisseur placé sur des nervures transversales

précontraintes.

Grâce aux techniques employées, la passerelle bénéficie d'une structure élégante et élancée parfaitement

intégrée au paysage. Sa forme originale n’est pas son seul atout : on peut remarquer ici la finesse

étonnante du tablier qui n’aurait pas été atteignable avec du béton classique.

Illustration 3 : La passerelle de la paix, de nuit

1.3.4 Le tramway d’Orléans

Plus de 15 000 m3 de béton fibré B45 ont été mis en œuvre à Orléans, pour la partie sud de la première

ligne de tramway, alors que, sur le tronçon nord, les entreprises ont proposé un béton normal B30.

Ce choix était justifié à l’époque par un meilleur résultat du point de vue des performances, sans oublier

que le béton fibré offrait un meilleur confort de travail et qu’il résiste bien mieux aux vibrations en

absorbant davantage l'énergie : un atout de taille pour le tramway.


9 Avril 2010

1.3.5 Couverture du stade Jean Bouin

On peut citer parmi les prochains projets, la réalisation de la couverture du Stade Jean Bouin : 22000 m2 de

résille formée d'un maillage de panneaux isostatiques en BFUP, supportant les charges climatiques,

étanche et durable.

Cet ouvrage très économique et inscrit dans une démarche écologique, n’aura pratiquement besoin

d’aucune maintenance durant 50 ans.

La résille sera formée d’un maillage de panneaux isostatiques préfabriqués de forme triangulaire en BFUP.

Chaque élément s’emboitera facilement de façon à simplifier les interfaces. Le positionnement de ces

panneaux préfabriqués permettra une homogénéité des contraintes et des déformations.

1.3.6 Autres exemples

Les BFUP offrent de nombreuses possibilitéstant en génie civil et bâtiment que dans ledomaine des

équipements et infrastructures diverses.

Voici quelques exemples de réalisations :

‐ réalisation de pouters

‐ réalisation de coques de formes complexes très élancées,

‐ utilisation dans la conception de rupteurs

‐ utilisation en protection de structure.

‐ utilisation en façade et en décoration

Renforcement des piles du pont de Valabres, en

BSI. Du BFUP est venu « habiller » les piles du pont

avec une chaussette de béton fibré à ultra‐hautes

performances.

Illustration 4 : Façade d’un cinéma à Chartre


10 Avril 2010

1.4 Orientation des recherches

De nombreuses études sont en cours ou ont été réalisées quant à l'utilisation des BFUP tel que :

1.4.1 L’utilisation en fondations profondes

Afin de rendre les pieux de fondations des ponts plus résistants et plus durables on peut dorénavant

utiliser des pieux en BFUP avec une section en H et un poids comparable aux pieux métalliques

couramment utilisés.

Les essais sur site et en laboratoire ont montré que leur résistance à l’enfoncement est nettement

meilleure et que leur durabilité est augmentée. L’utilisation de tels pieux pour réaliser des fondations de

ponts permet de diminuer la profondeur et donc le prix des fondations... ce qui compense l’augmentation

budgétaire due à l’emploi de BFUP.

1.4.2 Traitement des ponts thermiques

Les ponts thermiques représentent 15 à 30% des pertes énergétiques totales des habitations, et sont la

source de phénomènes de condensation qui peuvent entrainer des désordres structurels. Ces problèmes

seront pris en compte dans la RT 2012 qui imposera un traitement obligatoire. Un groupe de travail

regroupant Lafarge et Fehr Technologie a mis au point une solution utilisant du BFUP, constituée

d’éléments préfabriqués très minces permettant l’incorporation d’isolant entre la dalle et la façade

porteuse. Cette solution économiquement pertinente, durable et facile à mettre en oeuvre devrait se

développer de façon importante dans les prochaines années.

1.4.3 Résistance au souffle et aux explosions

Les BFUP ont une grande capacité de dissipation d’énergie et une résistance à la fragmentation

supérieures aux bétons ordinaires. Des essais de résistance aux explosions ont révélé une énergie de

rupture vingt fois supérieure à celle d’un béton armé ordinaire. Ces BFUP renforcés peuvent donc être

utilisés en zones sensibles afin de protéger les biens et les personnes.

Le principal avantage par rapport aux solutions traditionnelles en béton armé est un gain de poids ainsi

qu’une diminution importante des fragments susceptibles de blesser.


11 Avril 2010

1.4.4 Recommandations de l'AFGC

Le Groupe de travail sur les BFUP a publié en 2002 les premières recommandations sur ces matériaux qui

comportent trois chapitres : caractéristiques du matériau, dimensionnement des structures, durabilité

incluant la résistance au feu.

Pour mettre en cohérence ces recommandations avec le nouveau contexte réglementaire apporté par les

Eurocodes, et intégrer les progrès les plus récents sur la connaissance de ces matériaux (résistance au feu,

au gel, à l’abrasion, résistance à l’effort tranchant, effets différés, traitements thermiques….), le groupe de

travail a rédigé une nouvelle version des recommandations qui sera publiée en 2010.

Cette nouvelle version intègre un quatrième chapitre sur le développement durable qui fait la synthèse

d’études récentes concernant les bilans économiques et environnementaux de structures utilisant du

BFUP, les possibilités de recyclage du matériau.


12 Avril 2010

2 Fabrication et Mise en œuvre

2.1 Macro : Fabrication/ Structure/ cohésion BFUP

Les BFUP présente des qualités particulières qui ne sont atteignables que grace à une formulation précise

ainsi qu’à l’emploi de fibres.

Une première idée est d’obtenir une faible porosité

Une seconde idée est d’utiliser des moyens tels que les superplastifiants, ou des fibres

Une troisième idée est d’exploiter des formulations à granulométrie faible.

Explication.

On cherche à diminuer au maximum la taille et le nombre de gros grains utilisés. Le fait d’employer

l’ensemble ciment, ultrafine, filler et sable est nécessaire mais les diamètres maximaux sont de 7 mm. Ceci

permet d’obtenir une compacité maximale. De cette manière le squelette granulaire est optimisé pour

réduire les volumes des vides, et les ultrafines terminent d’occuper les espaces. En outre, ces particules

présentent une activité pouzzolanique. Ceci permet d’augmenter la résistance des BFUP et de diminuer

leurs perméabilités aux agents agressifs.

De plus, pour réduire la teneur en eau on utilise des adjuvants. Ceci permet d’obtenir des E/C < 0.25. Pour

ce faire, on emploi par exemple des plastifiants réducteurs d’eau et des superplastifiants fludifiants

Ce sont les fibres l’ingrédient clé des BFUP. Elles peuvent être minérales, polymères ou mécanique en

fonction de ce que l’on recherche (application mécanique ou esthétique). Leurs dimensions telles que

longueur ou section sont adaptées. En effet, leur longueur est adaptée à la taille des plus gros grains, et la

section est diminuée au maximum pour garantir un bon ancrage. En règle générale, le diamètre est de

l’ordre de grandeur de 0.1 à 0.3 mm ainsi qu’une longueur de 10 à 20mm.

Quelques exemples de formulation des BFUP


13 Avril 2010

2.2 Micro

Les BFUP présentent une structure microscopique telles que dans les deux photos suivantes :

Micrographie au microscope électronique à balayage d’un BFUP200 (grossissement 50)

Micrographie au microscope électronique à balayage d’un BFUP200 (grossissement 200)

A l’aide d’un grossissement 50, on comprend la constitution générale des BFUP : sable, pate grise, et

clinker.

A l’aide d’un grossissement 200, on comprend la constitution de la pate d’un BFUP.

On voit nettement en clair des particules de clinker non hydraté qui possède un fort module d’élasticité

enrobé dans une pate grise interstitielle composée des silicates de calcium hydratés et de fumée de silice.

En ayant diminué au maximum le rapport E/C, on crée dans les BFUP une réserve de ciment anhydre prête

à réagir en cas de fissuration. En effet, en cas de fissures, l’eau pénètre et réagit avec les grains de clinker

résiduel. Ceci constitue un potentiel de cicatrisation des BFUP qui augmente leur capacité de durabilité.


14 Avril 2010

3 Caractéristiques techniques

Les BFUP ne font pas l’objet de normes spécifiques et ce que l’on sait d’eux n’est principalement tiré que

de l’expérience.

3.1 Propriétés mécaniques

3.1.1 Résistance à la compression

Le test

La résistance à la compression est mesurée par écrasement d’une éprouvette cylindrique de diamètre 7

cm et de hauteur 14 cm. On obtient nécessairement fc28 > 150 MPa.

Figure 1 : Comportement à la compression d'un BUHP en comparaison avec un béton

normal

Conclusion

Le BFUP présente une résistance à la compression bien plus élevée que les bétons traditionnels. Celle‐ci

peut aller de 150 à 205 MPa.


15 Avril 2010

3.1.2 Résistance à la traction

Le test

L’expérimentation est effectuée en traction directe. Pour cela, vingt essais de traction sont réalisés sur du

Ductal et plus précisément sur des éprouvettes en prisme de dimensions 7*7*28 cm usinés en partie

centrale (section centrale 7*5 cm).

Conclusion

Le comportement en traction du matériau est caractérisé par :

Figure 2 : Comportement à la traction d'un BFUP

On observe :

Un domaine de déformation élastique limité par la résistance en traction de la matrice cimentaire ftj.

Un domaine post‐fissuration caractérisé par la résistance en traction du matériau fibré obtenu après fissuration de la matrice.

Les résultats obtenus sont les suivants :

Moyenne des résistances en traction directe (effort maximal divisé par la section) : 10,27 MPa, Écart type : 1,19 MPa, Valeur caractéristique réellement obtenue : 8.2 MPa Valeur caractéristique de calcul : 8 MPa.


16 Avril 2010

3.1.3 Résistance thermique

Le BFUP fait l’objet de traitement thermique qui consiste à porter les éléments à une température de 90°C

plusieurs heures après la prise du béton. Les principaux effets de ces traitements sont les suivants :

Atteinte plus rapide des résistances en compression et en traction.

Diminution importante des effets différés de retrait et de fluage une fois le traitement thermique terminé.

Amélioration très sensible des propriétés de durabilité.

Comportement au feu

Les BFUP présentent les mêmes qualités que les bétons. Ils sont ainsi incombustibles, ne participent

aucunement au développement d’un feu et possèdent une faible conductivité thermique ( 1,6 W/m/K).

Le comportement au feu des BFUP est aussi très similaire de celui des bétons dans l’évolution des

propriétés mécaniques au cours d’un feu. On constate en générale une perte de résistance correspondant

à celle décrite dans le DTU feu.

Cependant, ce DTU ne couvre pas tout le comportement au feu des BFUP pour deux raisons. En effet la

perte de capacité portante peut avoir deux origines :

Une perte de résistance mécanique qui dépend de la manière dont s’est déroulée la montée en température. Cependant, nous sommes confrontés à un manque de recul ainsi qu’un nombre insuffisant de résultats disponibles. De ce fait, nous ne disposons pas d’une courbe enveloppe générale et chaque nouvelle formulation doit faire l’objet d’études précises tant sur des éprouvettes normalisées que pour un essai au feu.

certains BFUP peuvent présenter un phénomène d’écaillage en surface, ce qui conduit à une réduction de la section active, donc de la capacité portante des éléments porteurs. Dans le cas d’un BFUP qui est sujet à l’écaillage, la capacité portante résiduelle de chaque pièce pouvant être soumise au feu doit être déterminée par un essai sur un échantillon de géométrie et de dimensions représentatives de la pièce en service. Dans le cas où un ouvrage construit en BFUP ferait l’objet de spécifications précises liées au risque d’incendie (une telle spécification doit définir les fonctions qui doivent être assurées pendant et après un feu représenté par une courbe de montée en température), la vérification de son comportement au feu peut alors être effectuée avec les valeurs des capacités portantes qui ont été mesurées par des essais dans un laboratoire agréé.


17 Avril 2010

3.1.4 Module d’élasticité statique

Le manque de résultats dans ce domaine ne nous permet pas de dégager une loi générale ou une formule

utilisable. Cependant, il est proposé d’utiliser une valeur de 55000 MPa.

3.1.5 Fluage – retrait

Dans le cas des BFUP, le retrait est essentiellement endogène. Si le BFUP a fait l’objet d'un traitement

thermique, l'ensemble du retrait est effectué entièrement à la fin de celui‐ci, et le fluage est fortement

réduit.

3.2 Durabilité

3.2.1 Principaux indicateurs

La durabilité d’un BFUP peut être évaluée grâce à différents indicateurs :

Porosité à l’eau Cette essai est réalisé grâce à une recommandation AFREM intitulée « Détermination de la masse

volumique apparente et de la porosité accessible à l’eau ». L’essai consiste à déterminer par pesée les

éléments suivants : la masse d’un corps d’épreuve sec, sa masse lorsqu’il est saturé en eau et son volume

apparent par pesée hydrostatique. La gamme de mesure couverte par cette méthode va de 1% à 20%

environ.

Perméabilité à l’oxygène La méthode utilisée est une recommandation AFREM intitulée « Essai de perméabilité aux gaz du béton

durci ». L’essai consiste à mesurer le débit volumique de gaz traversant en régime permanent un

échantillon de matériau à base de liant hydraulique soumis à un gradient de pression constant, puis par

application de la loi de Darcy d’en déduire la perméabilité aux gaz.

La gamme de mesure couverte par cette méthode va de 10‐15 m² à 10‐19 m² environ. Les valeurs présentées

dans le tableau suivant sont données à titre indicatif. En outre la perméabilité aux gaz étant fortement

dépendante de l’état de saturation du matériau, les valeurs indiquées correspondent à l’état sec tel que

défini dans les recommandations AFREM.

Coefficinent de perméabilité ( 10 ²) mesuré après séchage à 105° jusqu’à masse constante :

BFUP <0,1 Granit 0,1 BHP 10 Béton Ordinaire 100 à 1000


18 Avril 2010

Coefficient de diffusion des ions chlorure Il n’existe pas encore de méthode recommandée pour la diffusion des ions chlorure que ce soit au niveau

français ou au niveau européen. Les mesures du tableau récapitulatif ont été obtenues à partir d’un essai

de diffusion libre.

L’espèce diffusante est le tritium. On calcule le coefficient de diffusion effectif à partir de la pente du flux

de tritium traversant l’échantillon en régime stationnaire.

On peut estimer qu’un ion traverse une paroi de 50 mm en :

moins d’un an pour un béton ordinaire,

18 ans pour un béton BHP,

800 ans pour un BFUP

Conclusion Les résultats présentés ci‐dessus confirment la position des BFUP par rapport aux autres types de bétons :

pour l’ensemble des indicateurs de durabilité « classiques », les valeurs obtenues pour les BFUP vont dans

le sens d’une nette amélioration de la durabilité.

Voici un tableau récapitulatif des indicateurs de durabilité


19 Avril 2010

On peut parfois utiliser d’autres indicateurs pour caractériser les BFUP.

3.2.2 Les indicateurs de durabilité particuliers

Stabilité des adjuvants Les études montrent que la garantie de stabilité des adjuvants est celle du béton lui‐même, plutôt qu’une

question de dose. Donc les BFUP sont beaucoup mieux placés que les bétons ordinaires, car ils résistent

mieux aux agressions chimiques.

Les adjuvants ne posent donc aucun problème quant à la durabilité du matériau.

Reprise de l’hydratation La teneur en clinker résiduel des bétons est inversement proportionnelle au rapport E/C, lorsque celui‐ci

est inférieur à 0,418 (valeur nécessaire à l'hydratation complète). La présence de ce clinker résiduel

présente de nombreux avantages, notamment par le module élastique élevé du clinker (130 GPa, soit le

double de celui du quartz).

Il en résulte que, loin de constituer un danger pour la durabilité des BHP et BFUP, le clinker résiduel

constitue un atout incontestable pour les BFUP, et permet :

∙ d’augmenter le module d’Young moyen de la pâte de ciment,

∙ de cicatriser les microfissures, par condensation capillaire et formation d’hydrates,

∙ de lutter contre les agressions chimiques en maintenant le niveau de pH alcalin et de concentrations

ioniques nécessaires à la stabilité des hydrates, jusqu’à une distance proche de l’interface avec le milieu

extérieur.

Corrosion des fibres métalliques Pour les raisons évoquées précédemment, les BFUP, même microfissurés, sont particulièrement efficaces

pour maintenir le niveau de pH nécessaire à la passivation des aciers, qu’il s’agisse de câbles de

précontrainte, ou des fibres métalliques utilisées pour obtenir un comportement ductile. Ce

comportement est attribuable à la formation d’hydrates colmatant progressivement les microfissures,

comme une cicatrisation. Les aciers sont donc bien protégés.

Durabilité des fibres polymères C’est par oxydation que les fibres polymères sont susceptibles de se dégrader. Elles sont de plus sensibles

à la lumière UV. Mais grâce à leur très faible porosité, les BFUP constituent une bonne protection contre

ces dégradations.


20 Avril 2010

Des problèmes pourraient survenir dans le cas de matériaux fissurés, les fissures permettant le passage de

l’oxygène et des rayons UV. Toutefois, il existe à l’heure actuelle des produits de protection des fibres,

directement incorporés au cours de la fabrication, ralentissant et même empêchant ce type de

dégradations.


21 Avril 2010

3.3 Exemple de caractéristiques de quelques BFUP

CARACTERISTIQUES Ductal® BSI 1463F (EDF)

ESSAIS

Résistance caractéristique à la compression à 28 j

200 MPa (après TT)

180 MPa 147 MPa 5 Lf ou 6

Dmax

Résistance caractéristique à la traction directe à 28 j (pic)

9 MPa (avec entaille)

9,1 MPa (sans entaille)

en cours = 70 mm

Traction par flexion sur prisme 42 MPa 45 MPa 20 MPa Prisme 4 X 4 X 16

bt (w = 0,3 mm) moyenne 12 MPa 7,9 MPa en cours Mode opératoire

AFREM = Courbe

Module d’élasticité E 58 GPa 65 GPa 57 GPa Essai sur prisme

Module dynamique Ed (0,5 mm, 1 à 10 Hz)

60 GPa 60,1 GPa 56,5 GPa

Module de cisaillement G 24 GPa 25 GPa 24 GPa

Coefficient de Poisson 0,2 0,2 0,183 Mode opératoire

Norme NF

Coefficient de dilatation thermique 11,8m / m/°C 10,4 m / m/°C

Retrait total 550 m / m 570 m / m NF-P 15 - 433

Fluage propre et de dessiccation Kfl=0,3 après TT Kfl = 1,0 sans TT

Kfl =0,8 sans TT

Mode opératoire LCPC/RILEM

Porosité 1,9 %

Absorption 0,06 g / cm2 0,22 g / cm2

Perméabilité à l’air < 10-20 m2

Essai de Gel – Dégel 0 % 2,8 %

Flow Test 550 mm 640 mm


22 Avril 2010

4 Modèle de comportement en flexion

Lors de test de poutre BFUP en flexion, on observe différentes phases de comportement:

Comportement élastique linéaire

Comportement Non‐Linéaire avant l’ouverture des Macro fissures

Comportement non‐linéaire avec macro fissures et augmentation de la résistance

Comportement non‐linéaire avec macro fissures et diminution de la résistance

On obtient alors la courbe expérimentale Contrainte/flèche suivante :

Afin de décrire le plus précisément possible le comportement du BFUP en flexion, il convient donc de

différencier ces différentes phases.


23 Avril 2010

Lors de l’application d’une force en milieu de portée sur une poutre en BFUP, on voit d’abord apparaitre un domaine de déformation élastique limité par la résistance en traction de la matrice cimentaire ftj. A l’intérieur de ce domaine de déformation, on peut distinguer deux comportements

A – Comportement élastique linéaire :

Tant que la déformation de la section en traction reste inférieure à la déformation élastique maximale ,

le BFUP se comporte comme un matériaux élastique et peux ainsi etre comparé à de l’acier.

Seule une faible partie de la résistance en flexion (0,35 ) fct = 9 MPa et une très faible partie des

déformation (0.1 gamma )se déroule dans ce domaine Pour le module d’élasticité, rien n’est

clairement définit, si ce n’est une valeur indicative de module d’élasticité Ec = 60 GPa.

B – Comportement non‐linéaire avant l’ouverture des macro‐fissures

Lorsque la contrainte de flexion devient supérieure à la limite élastique, on tombe dans le régime de

déformation plastique, où la courbe contrainte‐déformation devient non‐linéaire.

Contrairement à d’autres matériaux ayant un comportement plastique isotropique en compression et en

traction, comme l’acier, une poutre en béton fibré n’a de déformation plastique que dans sa zone de

traction. On a donc une distribution asymétrique des contraintes dans la section, avec un déplacement de

l’axe neutre vers la zone de compression.


24 Avril 2010

Ce régime prend fin lorsque la contrainte devient supérieure à la contrainte maximale en traction de la

matrice cimentaire.

Le modèle de déformation élasto‐plastique n’est alors plus valide et l’on doit maintenant prendre en

compte l’ouverture des fissures dans la matrice cimentaire.

C – Comportement non‐linéaire après l’ouverture des macro‐fissures.

Lorsque la matrice cimentaire n’apporte plus de résistance, les fibres prennent le relais. Des fissures

macroscopiques apparaissent dans la matrice cimentaire au niveau des sections les plus tendues. Comme

ces fissures permettent de transmettre la contrainte de la matrice cimentaire vers les fibres, la contrainte

va continuer à augmenter avec la déformation.

D – Comportement non‐linéaire avec macro fissures et diminution de la résistance

Lorsque la contrainte devient plus importante, le scellement des fibres dans la matrice cimentaire n’est

plus assez résistant et la force dans le système commence à diminuer avec la déformation.

Finalement, on peut donc modéliser le comportement en traction par les courbes

Contraintes/Déformations suivantes :


25 Avril 2010


26 Avril 2010

5 Justification préférentielle d’un BFUP

Même non optimisés, les BFUP ont un potentiel énorme puisque ils ont deux avantages indéniables sur le

marché face aux autres matériaux : ils ont une grande durabilité et une très grande résistance.

Les Bétons fibrés à ultra‐hautes performances (BFUP), le Ductal comme le BSI, sont des matériaux

incontournables pour réaliser des architectures fines et élancées comme vu précédemment. En effet la

présence de fibres dans le BFUP permet à l’ouvrage de s’affranchir des aciers passifs et entraîne donc

l’élimination des épaisseurs d’enrobage et la réduction des épaisseurs structurelles et des équarrissages. Il

est ainsi possible de réaliser des tabliers de passerelles de très faible d’épaisseur comme c’est le cas dans

la station ferroviaire Shawnessy à Calgary, Canada.

Chaque coque ainsi que les montants, les colonnes et les poutres des abris, ont été préfabriqués en Béton

Fibré à Ultra Hautes Performances. Même les gouttières qui courent au bas des arches sont faites de ce

matériau et conçues pour supporter le poids d’une personne. Car outre la grande liberté artistique

octroyée par ce matériau, les concepteurs ont optimisé le projet pour tirer pleinement parti de la grande

résistance structurelle. La mise au point des coques était sans conteste le point le plus délicat dela

conception de la gare. La double courbure de chacune d’elles a nécessité une fine analyse aux éléments

finis, la géométrie définitive ayant été obtenue en jouant sur les rayons de courbure, les épaisseurs…

De par leur situation géographique, les coques doivent résister à une charge élevée de neige ainsi qu’aux

efforts de soulèvement du vent. Résultat : des éléments de 5,1 x 6 m, extrêmement fins avec seulement 20

mm d’épaisseur.

La très faible porosité du matériau, qui le rend “virtuellement imperméable”, a séduit l’équipe de

conception, soucieuse de l’aspect maintenance du projet. Par exemple, les coques de Shawnessy, très

faciles à nettoyer, nécessitent peu d’entertien et offrent aussi une remarquable longévité.

Grâce à la réduction de la quantité de matériau à installer, le temps de manutention et de mise en œuvre

d’une résille par exemple est également diminué.


27 Avril 2010

6 Conclusion

Ce béton ne craint ni la corrosion ni l’encrassement, ne nécessite ni protection, ni entretien. Non poreux,

le BFUP résiste parfaitement bien aux agressions chimiques et polluantes (ions chlorures, sulfates et

carbonatation), à l’écaillage, aux chocs, à l’usure et à l’abrasion. Dans certains domaines des cibles HQE, il

est plus performant que l’acier, dans d’autres, il est voisin.

Les projets utilisant les BFUP prennent un tour innovant et constituent un défi structurel. Ils interrogent la

forme par l’exploration de la matière ; des cas de figure uniques en leur genre apparaissent et permettent

des premières mondiales. Les frontières sont repoussées liant étroitement ingénierie de haut niveau et

vision architecturale. Cette technologie va réformer en profondeur les certitudes et écritures

architecturales. Le thème du travail à la compression sera aussi important que le travail en flexion.

Ingénieurs comme architectes se trouveront donc confrontés à enrichir leurs regards partagés sur les

ouvrages en béton.

Par chance, 4 industriels européens fabriquent du BFUP, la compétition va s’engager.


28 Avril 2010

7 Bibliographie

Complete Caractérisation of tensile properties of DUCTAL® UHPFR according to the french

recommendations ‐ CHANVILLARD, Stéphane RIGAU

Structural Implications of Ultra‐High Performance Fibre‐Reinforced Concrete in Bridge Design ‐

ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE ‐ Ana Spasojević

First Use of UHPFRC in Thin Precast Concrete Roof Shell for Canadian LRT Station – PCI Journal

Bétons Fibrés à Ultra hautes Performances (BFUP) ‐ Recommandations provisoires – Janvier 2002 –

Edité par l’Association Française de Génie Civil (AFGC)

8 Remerciements

Nous tenons à remercier l’ensemble des professionnels qui ont bien voulut répondre à nos questions, et

notamment :

‐ L’ensemble de l’AFGC et tout particulièrement Jacques Resplendino, ancien ESTPien, qui pilote le

groupe BFUP au sein de l’AFGC.

‐ M. Francois Toutlemonde chef de la division Fonctionnement et Durabilité des Ouvrages d’Art chez

LCPC

‐ Les architectes Rudy Ricciotti et Dominique Marrec ainsi que leurs équipes qui ont bien voulu nous

donner plus de précisions sur les projets utilisant du BFUP sur lesquels ils ont travaillé.

‐ M. Bury, notre professeur de Béton Armé, qui à bien voulu nous orienter pendant les débuts difficiles

de notre rapport.

Projet BFUP Final

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