Les progrès dans le domaine des adjuvants, desméthodes de formulation et de l’utilisation des ultra-fines ont conduit à une évolution spectaculaire desbétons : des bétons courants de résistance en com-pression de 30 MPa, la gamme s’est élargie auxbétons à hautes performances.Une rupture technologique est intervenue au débutdes années 90 avec la mise au point de bétons dontla résistance est de l’ordre de 200 MPa en compres-sion et de 40 MPa en traction par flexion. Grâce àcette dernière caractéristique, on peut désormaisenvisager de se passer des armatures passivesdans les éléments structurels.

Principes

On retrouve dans la famille des BFUP des bétonsréalisés suivant 2 concepts différents :1. Concept d’optimisation multi-échelle de compo-sants et de fibres, qui permet d’obtenir un comporte-ment ductile.2. Concept d’utilisation de granulats à haute résis-tance mécanique.L’obtention de résistances élevées et de faibles per-méabilités aux agents agressifs passe par uneréduction très importante de la porosité et plus pré-cisément du réseau des pores connectés, en jouantsur deux paramètres.

• Une teneur en eau extrêmement faible (rapporteau/ciment < 0,25) grâce à l’utilisation optimisée desuperplastifiants qui défloculent les particules fineset permettent un meilleur empilement granulaire.D’une part, la quantité d’eau nécessaire au remplis-sage des vides s’en trouve réduite, et d’autre part, lasurface spécifique des grains, donc, à terme, leurhydratation, est accrue.• Une compacité maximale, obtenue en utilisant descomposants correspondant à plusieurs classes gra-nulométriques (classiquement quatre, qui incluent leciment et les ultrafines défloculées).Les ultrafines utilisées dans les BFUP sont desfumées de silice de haute pureté, sous forme debilles submicrométriques qui remplissent lesespaces intergranulaires, et qui réagissent avec lachaux issue de l’hydratation du ciment. Ce faisant,elles participent activement à la résistance de l’en-semble et ferment le réseau des pores à la diffusiondes ions et des gaz.Dans le cas des BFUP, la taille et la quantité des plusgros grains est considérablement réduite. Le sque-lette granulaire y gagne en souplesse, ce qui réduitconsidérablement les effets de microfissuration liésau retrait.

Dernier composant clé des BFUP : les fibres, qui,lorsque leur dosage est suffisamment élevé, confè-rent au matériau sa ductilité. Ces fibres, en acier àtrès haute résistance (> 2 000 MPa), ou organiques,ont une longueur adaptée à la taille du plus grosgrain et une section la plus faible possible pourgarantir un bon ancrage.

117

5.7 Les bétons fibrésultraperformants BFUP

Courbes types en flexion 3 points sur éprouvettes 4 × 4 × 16 cmFM = Fibres Métalliques.200 = 200 MPa en compression.Source : Ductal ® FM 200

50

Module de Rupture MOR (MPa)

25

10

0 0,5 1

Flèche (mm)

BMF 25

BMF 80

BFUHP 200

B 25

Tassement d au retrait

BHPBFUP

Inclusions non jointives Squelette rigide

P tecimentaire

Fissure de retrait

Granulat

Effet de la souplesse du squelette granulaire sur le retrait endogène et la microfissuration. Source : Ductal ®

A titre d’exemple, une formulation typique de BFUPest donnée dans le tableau suivant (pour 1 m3) :

Fabrication des BFUP

Les BFUP peuvent être fabriqués dans une centraleà béton classique moyennant un réglage des palesdu malaxeur, et un allongement du temps demalaxage (5 minutes ou plus). L’utilisation d’un tour-billon produit un fort cisaillement, ce qui amélioreles performances du matériau et permet de réduirele temps de malaxage.

■ Ouvrabilité

Les formules types de BFUP sont généralement deconsistance fluide ce qui permet un remplissageaisé des coffrages. La plage d’ouvrabilité est cepen-dant très large : il est possible de réaliser des BFUPd’extrusion ou autoplaçants.

■ Mise en œuvre

La mise en œuvre peut s’effectuer à la benne, avecune manchette, par pompage, ou par injection.

■ Cinétique du durcissement

Selon les conditions du chantier ou de préfabrica-tion, on recherchera plutôt une résistance à la com-pression à 16 h de 50 MPa qui permet la mise entension précoce de câbles de précontrainte parpost-tension, ou une résistance à la compression de200 MPa après un traitement thermique adapté.

Caractéristiques mécaniques

Le tableau ci-dessous résume les résistances com-parées obtenues sur BFUP avec et sans traitementthermique.

■ Retrait - Fluage

Dans les BFUP, le retrait endogène de la matricecimentaire est de l’ordre de 500 µm/m, comme pourles BHP, suite au faible rapport eau/ciment quiconduit à un diamètre des pores réduit. Ce retraitendogène n’est pas gêné par le squelette granulaire,et la formation de microfissures est extrêmementfaible.Grâce à la faible teneur en eau du matériau et à l’uti-lisation de fumées de silice, la déformation souscharges permanentes (fluage) est très fortementréduite.Sur certaines formulations, il est possible, avec untraitement thermique adapté, de stabiliser le retrait,et donc d’éviter tout risque de fissuration par retraitempêché, ainsi que les déformations de fluage quisont limitées très rapidement à une valeur très faible(ref Ductal®).

Microstructure des BFUP

Les composants des BFUP varient du millimètre aunanomètre.

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Caractéristiques A 28 jours A 3 jourssans après

traitement traitementthermique thermique

Résistance à la compression(MPa) 180 220

Résistance à la flexion3 points (MPa) 36 40

Résistance à la traction directe(MPa) 8 10

Module d’élasticité (MPa) 60 000 55 000

Coefficient de dilatationthermique (en 10–6/°C) 12 12

Masse volumique (kg/m3) 2 500 2 500

Exemple de performances obtenues sur une formulation Ductal ®.

Ciment Sable Quartz Fumée Fibres Adjuvant EauNF fin broyé de silice métal- (extrait totaleliques sec)

710 kg 1 020 kg 215 kg 203 kg 160 kg 10 kg 140 l

Micrographie au microscope électronique à balayage d’un BFUP200(grossissement 50) : la phase grise interstitielle représente le mélangedes silicates de calcium hydratés et de fumée de silice. En foncé lesgrains de sable ; les grains blancs sont du clinker anhydre. Les ellipsesblanches sont des sections de fibres métalliques. Pour observer lamicrostructure de la phase interstitielle (« pâte de BFUP »), une micro-graphie par microscopie électronique à balayage a été réalisée en modeélectrons rétrodiffusés sur section polie (grossissement 200).Source : Ductal ® FM200

A grossissement relativement faible (200), la pâted’un BFUP laisse apparaître en clair des particulesde clinker non hydraté qui joue le rôle de microgra-nulats à surface très active et de haut module d’élas-ticité (120 000 MPa). Il est très lié aux silicates decalcium hydratés comme le montre la micrographie.La phase grise interstitielle représente le mélangedes silicates de calcium hydratés et de fumée de sili-ce, et permet de réduire très sensiblement la porosité.

Dans certains cas, un traitement thermique permetd’améliorer encore la microstructure, donc la résis-tance mécanique et, surtout, la durabilité.

Durabilité

Du fait de leur microstructure extrêmement dense,les BFUP présentent des propriétés de durabilitéexceptionnelles, notamment dans les domainessuivants : résistance au gel-dégel, résistance auxsels de déverglaçage, résistance à la carbonatation,résistance à la pénétration d’ions agressifs(chlorures, sulfates, acides faibles), résistance àl’abrasion.

Les lois de comportement et de tenue au feu desBFUP sont différentes de celles des bétons cou-rants. En revanche, comme les autres bétons, leBFUP est incombustible (M0). Les dispositionsconstructives doivent être étudiées au cas par casau regard de la résistance au feu.

Domaines d’applications

Au vu des nombreuses qualités des BFUP, on peuts’intéresser à des applications jusque là inacces-sibles au matériau béton et réservées à d’autresmatériaux.On peut classer les domaines d’applications en fonc-tion des caractéristiques du matériau principalementvalorisées : résistance, durabilité, esthétique, flexibi-lité des formes.

■ Valorisation de la résistance des BFUP

Le domaine du génie civil vient le premier à l’esprit,car le comportement mécanique du matériau permetde concevoir des ouvrages d’art particulièrementélancés et légers, notamment avec des conceptsinnovants tels que des structures en treillis.Pour les bâtiments de grande hauteur, par exemple,ces matériaux permettent de réduire la section despoutres et de construire à coûts et à hauteur égauxun étage supplémentaire.De même, il devient possible de travailler avec desportées plus grandes, et de réaliser des plateauxlibres permettant d’accroître la surface d’habitation.

■ Valorisation de la durabilité des BFUP

L’exemple le plus frappant est celui des conteneurs àhaute intégrité conçus pour l’entreposage dematières faiblement radioactives.On peut également citer l’utilisation dans des envi-ronnements particulièrement agressifs, alliant defortes variations de température et d’humidité auxagents agressifs tels que des ions chlorures ouacides faibles.

■ Valorisation des qualités esthétiquesdes BFUP

La gamme des BFUP fluides permet d’obtenir desparements lisses très réguliers. L’utilisation de fibresorganiques et de pigments minéraux permet enoutre d’utiliser une large plage de coloris pour la réa-lisation de panneaux architectoniques.

■ Valorisation de la liberté de formedes BFUP

L’absence d’armatures passives et les résistancesélevées du matériau permettent d’utiliser une grandevariété de formes pour la construction de structureslégères et élancées, et d’envisager la réalisation deformes complexes, comme par exemple des coquesou des sculptures.

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Porosité ouverte comparée d’un BFUP (type BPR) et de bétons courantsou à hautes performances.

Porosité cumulée (mL/g)

B 30

B 80

BPR

0,07

0,06

0,05

0,04

0,03

0,02

0,01

00,001 0,01 0,1 1 10 100

Diamètre des pores (um)

BFUP B25courant

Porosité < 2 % 8 à 10%

Perméabiltié à l’azote 1 à 5.10–20 m2 10-16 à 10-17

Gel-dégel :– module résiduel après (fonction300 cycles 100 % de la– perte de masse après formulation)300 cycles < 10 g/m2

Abrasion (coefficient CNR)* 1,3 2 à 4

Carbonatation :– pénétration sur 15 mm > 12 000 ans 15 / 20 ans

Corrosion :– coefficient de diffusioneffectif 0,02 10 à 12

* Par rapport au verre.

Exemples d’applications

Les applications réalisées à ce jour ont été dimen-sionnées en collaboration avec les maîtres d’œuvresur la base des connaissances et des recommanda-tions établies pour les bétons à très hautes perfor-mances et les bétons de fibres. Un groupe de travailanimé par le SETRA et soutenu par l’AFGC est chargé d’élaborer des recommandations pour lecalcul des structures en BFUP.

■ Passerelle de Sherbrooke(Québec ; 1997)

Cette passerelle de 60 m de portée est de concep-tion particulièrement innovante. Le hourdis supérieurest une dalle nervurée en BFUP de 30 mm d’épais-seur. Les âmes sont des diagonales mixtes, incli-nées dans les deux directions, mettent an œuvre duBFUP confiné dans une enveloppe mince.Huit dia-gonales étaient placées dans un gabarit avant lecoulage des poutres inférieures et de la dalle supé-rieure afin de réaliser un voussoir de 10 m de long.Ces voussoirs ont été assemblés par demi-travéesavec un câble de précontrainte, puis levés à la grueet posés sur une culée et une pile provisoire. La pré-contrainte finale, composée de câbles intérieursfilants et de câbles extérieurs déviés a permis delibérer l’appui central. Aucune armature passiven’est utilisée dans cette structure.

120

30 mm upper slad

3300

150

3000

380

320

Confined RPC in stainlesssteel tube

Coupe transversale de la passerelle.

■ Plaques d’ancrage(Ile de la Réunion ; 1999)

Des plaques en BFUP à fibres organiques ont étéutilisées pour l’ancrage de tirants précontraints des-tinés à conforter la tenue des écailles d’un mur desoutènement en terre armée. Ces plaques ont étéchoisies en substitution des éléments d’ancrage tra-ditionnels plus coûteux réalisés en fonte ductile.

■ Poutres et poutrelles de Cattenom(France ; 1998)

Dans le cadre de la rénovation de la structure inter-ne des aéroréfrigérants de centrales EDF, il a étédécidé de remplacer le système d’échanges consti-tué de poutres et de poutrelles précontraintes. Lescontraintes sont à la fois la légèreté et une très hautedurabilité. Les BFUP apportent ici une solution inté-ressante. Plus de 1500 m3 de BFUP ont été utiliséssous forme de poutres et de poutrelles précon-traintes par prétension. Les règles de calcul pour lespoutres précontraintes ont été développées avec lemaître d’œuvre et validées à cette occasion sur desessais de structures au CEBTP et au LCPC.

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Plaque d’ancrage pour le renforcement de murs en terre armée à La Réunion. Ref Ductal ®.

Préfabrication des poutresprécontraintes pour l’aéroréfrigérant de la centrale de Cattenom.

Panneau antibruit pour la gare souterraine de Monaco.

Image de synthèse montrant le détail des arcs et des « tuiles » en Ductal ®.

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Arbre Martel.

■ Arbre Martel

Une sculpture représentant un arbre a été mise enplace sur la place de L’Hôtel de Ville de BoulogneBillancourt. Cet arbre dessiné par l’architecteMimram a été fabriqué en Ductal® avec des fibresorganiques et un ciment blanc. Le tronc est précon-traint de manière à reprendre les efforts de flexionélevés dus à l’action du vent sur les feuilles. Lesfeuilles sont assemblées par boulonnage.