Upload
simon-moreau
View
1.184
Download
7
Embed Size (px)
Citation preview
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
Etude des Bétons Fibrés Ultra Hautes Performance
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
Etude des Bétons Fibrés Ultra Hautes Performance
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.
Etude des Bétons Fibrés Ultra Hautes Performance
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.
Etude des Bétons Fibrés Ultra Hautes Performance
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 :
Etude des Bétons Fibrés Ultra Hautes Performance
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
Etude des Bétons Fibrés Ultra Hautes Performance
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
Etude des Bétons Fibrés Ultra Hautes Performance
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.
Etude des Bétons Fibrés Ultra Hautes Performance
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
Etude des Bétons Fibrés Ultra Hautes Performance
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.
Etude des Bétons Fibrés Ultra Hautes Performance
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.
Etude des Bétons Fibrés Ultra Hautes Performance
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
Etude des Bétons Fibrés Ultra Hautes Performance
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.
Etude des Bétons Fibrés Ultra Hautes Performance
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.
Etude des Bétons Fibrés Ultra Hautes Performance
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.
Etude des Bétons Fibrés Ultra Hautes Performance
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.
Etude des Bétons Fibrés Ultra Hautes Performance
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
Etude des Bétons Fibrés Ultra Hautes Performance
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
Etude des Bétons Fibrés Ultra Hautes Performance
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.
Etude des Bétons Fibrés Ultra Hautes Performance
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.
Etude des Bétons Fibrés Ultra Hautes Performance
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
Etude des Bétons Fibrés Ultra Hautes Performance
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.
Etude des Bétons Fibrés Ultra Hautes Performance
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.
Etude des Bétons Fibrés Ultra Hautes Performance
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 :
Etude des Bétons Fibrés Ultra Hautes Performance
25 Avril 2010
Etude des Bétons Fibrés Ultra Hautes Performance
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.
Etude des Bétons Fibrés Ultra Hautes Performance
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.
Etude des Bétons Fibrés Ultra Hautes Performance
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.