Les bétons spéciaux : Béton fibré

4 Juillet 2019
 

Généralités

Le béton renforcé de fibres est un béton auquel on ajoute des fibres métalliques (fig 3.3.1) ou synthétiques, appelées également fibres polymères, au moment de la fabrication, afin d’améliorer le comportement du béton. Il existe également d'autres types de fibres (voir chapitre 1.5). Elles sont moins couramment utilisées et ne seront pas abordées dans ce chapitre.

Les principales caractéristiques des fibres sont reprises dans le tableau 3.3.1 :

principales caracteristiques des fibres metalliques et synthetiques
Tab 3.3.1 Principales caractéristiques des fibres métalliques et synthétiques


Les fibres métalliques et synthétiques n’ont pas le même usage. De nombreux paramètres doivent être pris en compte pour le bon choix des fibres : besoin structurel, risque de corrosion des fibres, esthétisme, usage final du béton, mise en œuvre, ...

Les principaux champs d’applications des différents types de fibres sont repris dans le tableau 3.3.2 :

usages des fibres
Tab 3.3.2 Usages des fibres


Influence des fibres sur la formulation du béton 

Les bétons renforcés de fibres métalliques ont un besoin en pâte de ciment et de sable plus élevé pour un enrobage suffisant des fibres et pour une bonne finition de surface. En règle générale, on choisit une classe de consistance élevée (S4) pour la mise en oeuvre aisée.
 
L'incorporation de fibres dans le béton doit s'accompagner d'une adaptation du dosage en eau ou en adjuvant.
 
Les bétons renforcés de fibres métalliques pour des dallages industriels armés possèdent des teneurs en fibres atteignant jusqu’à 35 kg/m3. Les dosages plus élevés, de 35 à 80 kg/m3, ne sont employés dans la pratique que dans des cas particuliers, p. ex. lorsqu’une grande partie de l’armature passive est remplacée par des fibres métalliques.

Les dosages habituels des micro-fibres synthétiques varient entre 0,5 et 1 kg/m3 pour restreindre les effets du retrait plastique et entre 2 et 4 kg/m3 pour améliorer la résistance au feu.  Les macro-fibres synthétiques sont dosées à raison de 3 à 10 kg/m3 pour augmenter la capacité porteuse.
 
Granulats
La longueur des fibres doit être adaptée au diamètre maximal du granulat. Le diamètre maximal du granulat peut influencer la répartition et l’orientation des fibres. Si la longueur des fibres est trop courte par rapport au diamètre maximal du granulat, les fibres seront écartées par le granulat et leur longueur sera insuffisante pour ponter de manière efficace les fissures entre les plus grands grains (fig 3.3.2). En général, la longueur de la fibre sera au moins 2 fois plus grande que le diamètre maximal du granulat. 
 
Un granulat concassé ou à granularité discontinue combiné à un fort dosage en fibres peut influencer négativement l’ouvrabilité du béton.
 

Influence des fibres sur la fabrication et la mise en place du béton 

Malaxage
Idéalement, les fibres sont ajoutées au béton frais pendant le malaxage. Il faut veiller à une bonne séparation des fibres et à leur distribution homogène dans le béton frais. Il est préférable de mélanger d’abord le béton et introduire les fibres par la suite. La durée de malaxage humide n’augmente pas en cas de fibres métalliques. L’addition des fibres dans le malaxeur de la centrale à béton assure une répartition optimale des fibres. L’inconvénient peut être la présence de fibres résiduelles dans le malaxeur après vidange. Les fibres peuvent aussi être ajoutées dans le camion malaxeur, uniquement dans le cas des bétons fluides. Dans ce cas, il faut malaxer le béton à haute vitesse pendant minimum 5 minutes après rajout des fibres. 
 
Les fibres pour des usages structurels ne doivent pas s’endommager, se plier ou se tordre pendant le malaxage. Si l’élancement des fibres (rapport entre la longueur et l’épaisseur) augmente, l’ouvrabilité diminue et la tendance à former des "pelotes" (appelées également "hérissons") de fibres se renforce. Dans la pratique, on choisit un élancement des fibres l/d (longueur/diamètre) de 50 à 80.
 
Les fibres synthétiques sont généralement incorporées dans le béton frais en sachets prédosés, solubles dans l’eau. Les fibres métalliques longues sont souvent livrées collées, en faisceaux (fig 1.5.4 a) qui se décomposent lors du malaxage. Le dosage de grandes quantités de fibres est optimisé avec des équipements automatisés qui facilitent le travail et permettent d’épargner du temps. 
 
Mise en place et compactage
La mise en place du béton renforcé de fibres est en principe identique à celui du béton courant. En cas de pompage du béton renforcé de fibres métalliques, le diamètre maximal du granulat sera limité en général à 16 mm. Il faut veiller à utiliser un diamètre du tuyau de pompage suffisamment grand (120 mm) et une tuyauterie la plus directe possible afin de limiter les risques de bourrage. 
 
Les bétons avec fibres métalliques nécessitent plus d’énergie de compactage que les bétons sans fibres. L’énergie de compactage nécessaire augmente avec la teneur en fibres. Les équipements habituels de compactage (aiguille vibrante, ...) ou de finition (hélicoptère, brossage, ...) peuvent être employés. 
 

Influence des fibres sur le comportement du béton

Propriétés mécaniques et structurelles
L’addition de fibres métalliques et de macro-fibres synthétiques n’influence que légèrement la résistance à la compression et le module d’élasticité. Par contre, l’amélioration du comportement en traction et en flexion confère au béton fibré des caractéristiques structurelles intéressantes. 
 
Le béton sans fibres se caractérise, lors d’un essai de traction ou de flexion, par une rupture quasi immédiate lorsque la résistance maximale à la traction est atteinte (fig 3.3.3, courbe bleue). Le béton sans fibres se comporte de façon "fragile". 
 
Au contraire, pour le béton avec fibres, la résistance ne retombe pas à zéro en cas d’effort de traction ou de flexion, mais reste à un niveau de résistance dit résiduelle (fig 3.3.3, courbe rouge). Le niveau de la résistance résiduelle dépend logiquement du type et de la quantité de fibres, qui influencent l’adhérence des fibres à la pâte de ciment et l’énergie nécessaire pour les arracher du béton. Le béton fibré se comporte de façon "ductile". 
 
A noter que l’addition de fibres ne change pas la résistance initiale à la traction ou à la flexion ; les fibres ne vont pas éliminer le risque d’apparition de fissures.
 
Ces principes permettent de comprendre le comportement d’un élément structurel en béton fibré : à l’endroit de la première fissuration, l’arrachement partiel des fibres reliant les deux faces de la fissure permettra de mobiliser la résistance résiduelle et éviter que cette fissure ne se propage davantage. En revanche, vu le niveau élevé de résistance au niveau de la première fissure, d’autres fissures apparaîtront non loin de la première fissure. L’addition de fibres réduit en d’autres mots l’ouverture des fissures par la formation d’une multitude de très petites fissures qui sont en général sans conséquences (fig 3.3.4).
 
Les macro-fibres synthétiques se caractérisent par une facilité d’utilisation et un faible coût par rapport à celui des fibres métalliques. Cependant, en raison de leur dégradation potentielle lors d’une exposition prolongée aux UV, elle seront de préférence utilisées dans les constructions temporaires.
 
Résistance au feu
L'addition de fibres synthétiques peut augmenter la résistance au feu des bétons à haute ou ultra-haute résistance. En cas d’incendie, la fusion des fibres (point de fusion 165°C environ) crée un réseau de pores et permet de réduire la pression de la vapeur d’eau qui se crée dans le béton. Ainsi on peut éviter les éclatements du béton.
 
beton avec fibres metalliques
Fig 3.3.1 Béton avec fibres métalliques

 

influence du diametre maximal du granulat sur la repartition des fibres a gauche distribution homogene des fibres et du granulat a droite ecartement des fibres par un granulat a diametre maximal t
Fig 3.3.2 Influence du diamètre maximal du granulat sur la répartition des fibres : à gauche distribution homogène des fibres et du granulat, à droite écartement des fibres par un granulat à diamètre maximal trop grand.

 

diagramme contraintedeformation pour des betons avec et sans fibres
Fig 3.3.3 Diagramme contraintedéformation pour des bétons avec et sans fibres

 

effet inhibiteur et dispersif des fibres
Fig 3.3.4 Effet inhibiteur et dispersif des fibres. Comparaison d’un béton avec et sans fibre