Le béton armé de fibres d'acier (BAFA) est un nouveau type de matériau composite qui peut être coulé ou projeté en incorporant une quantité appropriée de fibres d'acier courtes au béton ordinaire. Son développement a été rapide ces dernières années, tant en Chine qu'à l'étranger. Il pallie les défauts du béton, tels que sa faible résistance à la traction, son faible allongement à la rupture et sa fragilité. Il présente d'excellentes propriétés, notamment une résistance à la traction, à la flexion, au cisaillement, à la fissuration, à la fatigue et une ténacité élevée. Il est utilisé en génie hydraulique, dans la construction de routes et de ponts, dans le bâtiment et dans d'autres domaines de l'ingénierie.
1. Développement du béton armé de fibres d'acier
Le béton fibré (BF) est l'abréviation de béton renforcé de fibres. Il s'agit généralement d'un composite à base de ciment composé de pâte de ciment, de mortier ou de béton et de fibres métalliques, inorganiques ou organiques. C'est un matériau de construction novateur obtenu par la dispersion uniforme de fibres courtes et fines à haute résistance à la traction, à allongement à la rupture et aux alcalis dans la matrice de béton. Les fibres dans le béton permettent de limiter l'apparition de fissures initiales et leur propagation sous l'effet de forces extérieures, de pallier efficacement les défauts inhérents tels que la faible résistance à la traction, la fissuration facile et la faible résistance à la fatigue, et d'améliorer considérablement l'imperméabilité, l'étanchéité à l'eau, la résistance au gel et la protection des armatures. Le béton fibré, et plus particulièrement le béton renforcé de fibres d'acier, suscite un intérêt croissant dans les milieux universitaires et industriels en raison de ses performances supérieures. En 1907, l'expert soviétique B. P. Hekpocab fut le premier à utiliser le béton renforcé de fibres métalliques. En 1910, H.F. Porter publia un rapport de recherche sur le béton armé de fibres courtes, suggérant que ces fibres devaient être uniformément dispersées dans le béton pour renforcer la matrice. En 1911, Graham, aux États-Unis, ajouta des fibres d'acier au béton ordinaire afin d'en améliorer la résistance et la stabilité. Dans les années 1940, les États-Unis, la Grande-Bretagne, la France, l'Allemagne, le Japon et d'autres pays menèrent de nombreuses recherches sur l'utilisation des fibres d'acier pour améliorer la résistance à l'usure et à la fissuration du béton, sur les techniques de fabrication du béton fibré et sur l'amélioration de la morphologie des fibres pour optimiser l'adhérence entre les fibres et la matrice. En 1963, J.P. Romualdi et G.B. Batson publièrent un article sur le mécanisme de fissuration du béton confiné par fibres d'acier et conclurent que la résistance à la fissuration de ce matériau était déterminée par l'espacement moyen des fibres, lequel influe considérablement sur la contrainte de traction (théorie de l'espacement des fibres). Cette étude marqua le début du développement pratique de ce nouveau matériau composite. À ce jour, avec la popularisation et l'application du béton armé de fibres d'acier, en raison de la répartition différente des fibres dans le béton, il existe principalement quatre types : le béton armé de fibres d'acier, le béton armé de fibres hybrides, le béton armé de fibres d'acier stratifié et le béton armé de fibres hybrides stratifié.
2. Mécanisme de renforcement du béton armé de fibres d'acier
(1) Théorie de la mécanique des composites. La théorie de la mécanique des composites repose sur la théorie des composites à fibres continues et tient compte des caractéristiques de distribution des fibres d'acier dans le béton. Dans cette théorie, les composites sont considérés comme des composites biphasiques, la fibre constituant la première phase et la matrice la seconde.
(2) Théorie de l'espacement des fibres. La théorie de l'espacement des fibres, également appelée théorie de la résistance à la fissuration, est proposée sur la base de la mécanique linéaire élastique de la rupture. Cette théorie stipule que l'effet de renforcement des fibres est uniquement lié à un espacement uniforme des fibres (espacement minimal).
3. Analyse de l'état de développement du béton armé de fibres d'acier
1. Béton armé de fibres d'acier. Le béton armé de fibres d'acier est un type de béton armé relativement uniforme et multidirectionnel, obtenu par l'ajout d'une faible quantité de fibres d'acier à faible teneur en carbone, d'acier inoxydable et de fibres de polymère renforcé de fibres (PRF) à du béton ordinaire. La proportion de fibres d'acier est généralement de 1 à 2 % en volume, soit 70 à 100 kg de fibres par mètre cube de béton (en poids). La longueur des fibres doit être de 25 à 60 mm, leur diamètre de 0,25 à 1,25 mm, et le rapport longueur/diamètre optimal de 50 à 700. Comparé au béton ordinaire, il améliore non seulement la résistance à la traction, au cisaillement, à la flexion, à l'usure et à la fissuration, mais aussi considérablement la ténacité et la résistance aux chocs, ainsi que la résistance à la fatigue et la durabilité de la structure. La ténacité peut notamment être multipliée par 10 à 20. Les propriétés mécaniques du béton armé de fibres d'acier et du béton ordinaire ont été comparées en Chine. Lorsque la teneur en fibres d'acier est de 15 à 20 % et que le rapport eau/ciment est de 0,45, la résistance à la traction augmente de 50 à 70 %, la résistance à la flexion de 120 à 180 %, la résistance aux chocs est multipliée par 10 à 20, la résistance à la fatigue sous choc par 15 à 20, la ténacité à la flexion par 14 à 20 et la résistance à l'usure est également nettement améliorée. Par conséquent, le béton armé de fibres d'acier présente de meilleures propriétés physiques et mécaniques que le béton ordinaire.
4. Béton hybride à fibres
Les données de recherche pertinentes montrent que les fibres d'acier n'améliorent pas significativement la résistance à la compression du béton, voire la diminuent. Comparé au béton ordinaire, le béton armé de fibres d'acier présente des avantages, des inconvénients (augmentation, diminution) ou des résultats intermédiaires en termes d'imperméabilité, de résistance à l'usure, de résistance aux chocs et de prévention du retrait plastique précoce. De plus, ce type de béton présente certains inconvénients, tels qu'un dosage important, un coût élevé, la corrosion et une résistance quasi nulle à l'éclatement en cas d'incendie, ce qui limite son utilisation. Ces dernières années, des chercheurs nationaux et internationaux se sont intéressés au béton de fibres hybrides (BFH), cherchant à combiner des fibres aux propriétés et avantages différents, à tirer parti de leurs synergies et à exploiter l'« effet hybride positif » à différents niveaux et phases de chargement afin d'améliorer diverses propriétés du béton et de répondre ainsi aux exigences de différents projets. Cependant, en ce qui concerne ses diverses propriétés mécaniques, notamment sa déformation et ses dommages dus à la fatigue, la loi de développement de la déformation et les caractéristiques des dommages sous charges statiques et dynamiques et sous charges cycliques d'amplitude constante ou variable, la quantité et la proportion optimales de mélange de fibres, la relation entre les composants des matériaux composites, l'effet et le mécanisme de renforcement, la performance anti-fatigue, le mécanisme de rupture et la technologie de construction, les problèmes de conception des proportions de mélange doivent être étudiés plus en détail.
5. Béton armé de fibres d'acier stratifiées
Le béton monolithique renforcé de fibres présente des difficultés de mélange homogène, une tendance à l'agglomération des fibres, une quantité importante de fibres et un coût relativement élevé, ce qui limite son application à grande échelle. Forts de nombreuses expériences pratiques et de recherches théoriques approfondies, nous proposons un nouveau type de structure en fibres d'acier : le béton fibré stratifié (BFS). Dans ce matériau, une faible quantité de fibres d'acier est répartie uniformément sur les faces supérieure et inférieure de la dalle de chaussée, la partie centrale restant constituée d'une couche de béton non armé. La répartition des fibres d'acier dans le BFS est généralement réalisée manuellement ou mécaniquement. Longues, avec un rapport longueur/diamètre généralement compris entre 70 et 120, les fibres présentent une distribution bidimensionnelle. Sans altérer les propriétés mécaniques, ce matériau permet non seulement de réduire considérablement la quantité de fibres d'acier, mais aussi d'éviter l'agglomération des fibres observée avec le béton monolithique renforcé de fibres. De plus, la position de la couche de fibres d'acier dans le béton influe fortement sur sa résistance à la flexion. L'efficacité du renforcement est optimale lorsque la couche de fibres est située à la base de la dalle. Lorsque la couche de fibres d'acier remonte, l'effet de renforcement diminue sensiblement. La résistance à la flexion du béton fibré à faible teneur en fibres d'acier (LSFRC) est supérieure de plus de 35 % à celle du béton ordinaire de même composition, mais légèrement inférieure à celle du béton fibré à fibres d'acier intégrées. Cependant, le LSFRC permet de réaliser d'importantes économies de matériaux et sa mise en œuvre est aisée. Par conséquent, le LSFRC est un matériau novateur présentant des avantages socio-économiques considérables et de vastes perspectives d'application, méritant d'être largement utilisé dans la construction de chaussées.
6. Béton hybride à fibres stratifiées
Le béton hybride multicouche renforcé de fibres (LHFRC) est un matériau composite obtenu par l'ajout de 0,1 % de fibres de polypropylène au LSFRC. Ces fibres, fines et courtes, sont réparties uniformément dans les couches supérieures et inférieures de béton renforcé de fibres d'acier, ainsi que dans la couche intermédiaire en béton ordinaire. Le LHFRC permet de pallier la faiblesse de la couche intermédiaire en béton ordinaire du LSFRC et de prévenir les risques potentiels liés à l'usure des fibres d'acier en surface. Il améliore significativement la résistance à la flexion du béton. Comparée au béton ordinaire, cette résistance est supérieure d'environ 20 %, et comparée au LSFRC, elle est supérieure de 2,6 %. En revanche, son influence sur le module d'élasticité en flexion est minime. Le module d'élasticité en flexion du LHFRC est supérieur de 1,3 % à celui du béton ordinaire et inférieur de 0,3 % à celui du LSFRC. Le LHFRC améliore significativement la ténacité à la flexion du béton, son indice étant environ 8 fois supérieur à celui du béton ordinaire et 1,3 fois supérieur à celui du LSFRC. De plus, grâce aux propriétés différentes des fibres (deux ou plus) présentes dans le LHFRC, l'effet hybride positif des fibres synthétiques et des fibres d'acier dans le béton peut être exploité, selon les besoins, pour améliorer considérablement la ductilité, la durabilité, la ténacité, la résistance à la fissuration, la résistance à la flexion et la résistance à la traction du matériau, accroître sa qualité et prolonger sa durée de vie.
——Résumé (Architecture du Shanxi, Vol. 38, n° 11, Chen Huiqing)
Date de publication : 24 août 2022