ETUDE DU COMPORTEMENT DES POUTRES EN BETON

COLLOQUE INTERNATIONAL «REDUCTION DU RISQUE SISMIQUE»
CHLEF LES 10 et 11 OCTOBRE 2012
ETUDE DU COMPORTEMENT DES POUTRES EN BETON
RENFORCE DE FIBRES METALLIQUES SOUS CHARGEMENT
MONOTONE CROISSANT
1
F. Setti 1, K. Ezziane 1, B. Setti 2, F. Merzoug 1
Laboratoire Géomatériaux, Université Hassiba Benbouali, Chlef, Algérie, ([email protected],
[email protected], [email protected] )
2
Laboratoire sciences des matériaux et environnement, Université Hassiba Benbouali,
Chlef, Algérie ([email protected])
Résumé
Malgré tous ses avantages, le béton reste un matériau fragile, ayant une faible résistance à la
traction ce qui caractérise sa fragilité sous les effets des efforts de traction. Le renforcement par des
fibres métalliques a pour objectif majeur d'améliorer le comportement vis à vis à la traction afin de
retarder, de limiter ou d’éviter une rupture quasi-fragile.
Sur la base d’un procédé expérimental visant à une utilisation optimale des fibres métalliques
afin d’améliorer le comportement post élastique du béton armé dans le domaine de la construction ;
notre étude s’intéresse au comportement monotone des poutres sous sollicitations a trois point, afin
d’améliorer les caractéristiques mécaniques des poutres en béton de fibres et d’établir une fiche
d’identification de ces nouveaux bétons ont comparant ces poutres à des poutres témoins. A cet effet
quatre mélanges ont été utilisés, un béton sans fibres servant de béton témoin, et un béton renforcé de
fibres métalliques avec trois dosages en fibres évalués à 0.5, 1 et 1.5% du volume du béton.
Les résultats obtenus montrent que l'ajout de fibres, même à faible quantité, améliore le
comportement du matériau vis-à-vis de la résistance en traction par flexion. L’introduction des fibres
limite l'ouverture des fissures d'une manière appréciable donc la ductilité du béton de fibres est plus
importante lorsque le taux de fibres augmente.
Mots –Clés : Béton, Ductilité, Flexion, Flèche, Fibres métalliques.
1. INTRODUCTION
L’ajout de fibres métalliques au niveau de la matrice cimentaire améliore le comportement
postfissuration du béton soumis à un effort de traction [1].
L’ajout de fibres comme renfort dans des matériaux composites à matrice cimentaire implique
des modifications de rhéologie, de microstructure et de propriétés d'usage dont la durabilité,
l’esthétique et la résistance à la fissuration. Le renfort apporté par les fibres en matière de
propriétés à la rupture est souvent complexe et dépend fortement de la microstructure produite
[2, 3, 4]. Les fibres présentent des caractéristiques, tant géométriques que mécaniques
différentes selon leur nature. Chaque type de fibres peut présenter une influence particulière
sur le comportement mécanique du béton, ce qui se traduit par des applications spécifiques.
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METALLIQUES SOUS CHARGEMENT MONOTONE CROISSANT
Le choix du type de fibres utilisées est donc fonction du domaine d’utilisation et des
performances souhaitées [5].
L'amélioration de la résistance du béton renforcé par des fibres métalliques permet non
seulement d'améliorer le comportement en flexion et en traction, mais également la résistance
à la compression du béton, plusieurs chercheures [6,7] observèrent dans leurs résultats
statiques en compression, que la présence de fibres d’acier dans la matrice augmente la
résistance à la rupture lorsque le volume de fibres augmente.
Les essais de flexion sur poutre sont les plus couramment employés pour déterminer le
comportement des BRF, ils sont faciles à réaliser dans des conditions courantes de
laboratoire. Le contrôle du chargement par la mesure du déplacement permet une bonne
stabilité des résultats [8].
La ductilité dépend essentiellement du volume, de l’orientation et du type des fibres. Il a été
montré par plusieurs chercheurs que les fibres déformées à leurs extrémités sont plus efficaces
par rapport à celles déformées sur leur longueur entière [9]. Cependant les fibres munies de
crochets sont celles qui présentent le plus d'avantages à cause de leur bonne adhérence
mécanique [10].
L’objectif de cette étude est la compréhension du comportement des bétons renforcés par des
fibres métalliques en en flexion ainsi la ductilité et la déformabilité en fonction du dosage en
fibres.
2. PARTIE EXPERIMENTALE
2.1. Constituants des bétons étudiés
2.1.1. Fibres
Les fibres utilisées sont des fibres HE++ 75/50 à haute teneur en carbone. Elles sont
fabriquées à partir de fil d’acier tréfilé à froid et se présentent sous forme cylindrique et
munies de crochets aux extrémités. La figure 1 représente le type de fibre utilisée.
Figure 1. Fibres Arcelor Mittal de type HE++ 75/50.
Les caractéristiques géométriques des fibres utilisées sont données dans le tableau suivant :
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METALLIQUES SOUS CHARGEMENT MONOTONE CROISSANT
Tableau 1. Caractéristiques des fibres métalliques HE++ 75/50
Forme
Résistance
Longueur Diamètre Elancement
à la traction
(mm)
(mm)
(l/d)
(MPa)
50
0.75
67
Longueur
des fibres
par 10 kg
(m)
1900
Nombre de
fibres par
kg
2885
5700
2.1.2. Matrice
Comme matrice, c’est un béton confectionné à partir de:
- ciment de type CPJ- CEM II/A 42.5 fabriqué à l’usine de Chlef. Sa densité est de 3.1 alors
que sa surface spécifique est de 3700 cm2/g, Les caractéristiques chimiques, minéralogiques
ainsi que sa composition sont présentées dans le tableau 2.
Tableau 2. Caractéristiques des fibres métalliques HE++ 75/50
Composition
chimique %
Composition
minéralogique %
Composition du
ciment %
SiO2
Al2O3
Fe2O3
CaO
MgO
SO3
MgO
K2O
PAF
20.58
4.90
4.70
62.8
0.53
2.28
0.63
0.42
1.00
C3S
C3 S
C3A
C4AF
41.8
33.3
5.1
10.7
clinker
Calcaire
Gypse
86.5
10
3.5
- Granulats constitues de sable roulé provenant de Oued Chlef, qui a pour module de finesse
Mf = 2.42, une densité apparente de 1.63 et un équivalent de sable Es = 89.74 %, et un gravier
concassé de la carrière d’Oued Fodda de la région de Chlef (Algérie), dont Les impuretés sont
de l’ordre de 1.2% et un coefficient Los Angeles LA = 24 %. Les courbes granulométriques
des deux constituants (sable, gravier) sont représentées sur la figure 2.
- Superplastifiant haut réducteur d'eau, fabriqué par la société Algérienne Granitex ;
commercialisé sous l’appellation « MEDAFLOW 30 ». De couleur jaunâtre, de densité de
1,07 et de 30% d’extrait sec.
- L’eau utilisée dans notre cas est l’eau du robinet supposée potable et ne contient aucune
impureté nuisible.
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METALLIQUES SOUS CHARGEMENT MONOTONE CROISSANT
Figure 2. Courbes granulométriques du sable et gravier.
2.2. Formulation et préparation des éprouvettes
Afin d’optimiser la composition préliminaire trouvée par la méthode de Dreux-Gorisse, des
essais de maniabilité sont effectués au niveau du laboratoire pour optimiser la composition en
fixant le rapport E/C à 0,45 avec un dosage de 400 kg/m3 de ciment, et faire varier le rapport
S/G. Cette formulation préliminaire doit être optimisée selon la méthode pratique de BaronLesage [1]. Avec cette méthode, on à tester quatre mélanges avec S/G différent
(0.5;0.6;0.7;0.8) pour chercher la valeur optimale donnant la meilleure ouvrabilité. Les
résultats sont représentés sur la figure 3. La valeur optimale trouvée coïncide avec la valeur
obtenue par la méthode Dreux-Gorisse.
La préparation des éprouvettes (7×7x28cm) est réalisée selon la norme NF P 18-400. Le
malaxage est réalisé à l’aide d’une bétonnière dont la durée de malaxage totale est de 3
minutes. La vibration a été réalisée à l’aide d’une table vibrante à amplitude de vibration
réglable. Les échantillons sont démoulés après une journée puis conservés dans l’eau à 20C°
jusqu’au jour de l’essai. Les essais réalisés sont l’essai de traction par flexion à trois points et
l’essai de compression sur les demi-prismes résultants du premier essai.
Figure 3. Recherche de la compacité optimale.
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METALLIQUES SOUS CHARGEMENT MONOTONE CROISSANT
3. RESULTATS ET DISCUSSIONS
3.1. Influence du taux de fibres métalliques sur la résistance à la compression
Les résultats de résistance à la compression du béton avec différentes fractions volumiques de
fibres d’aciers obtenues à 7 et 28 jours sont représentés dans la figure 4.
La figure 3 montre que la limite de rupture des bétons en compression à l’âge de 7 et 28 jours
est croissante en fonction de l’augmentation du taux de fibres et le gain de résistance par
exemple à 7 jours, il est de l’ordre de 11, 21 et 29 % pour un dosage volumique en fibres
respectivement de 0.5, 1 et 1.5%, ceci peut s’expliquer par la forme et l’orientation des fibres
ainsi que la bonne liaison ou adhérence des fibres métalliques avec la matrice du béton qui
permet d’augmenter la capacité à retarder la formation des fissures et arrêter leur propagation.
Figure 4. Variation de la résistance à la compression en fonction du temps.
3.2. Influence du taux de fibres métalliques sur la résistance à la traction par flexion
Les essais ont été réalisés sur des éprouvettes 7×7×28 cm avec un béton de différents
pourcentages de fibres (0, 0.5, 1 et 1.5%), et testées à l’âge de 7 et 28 jours.
Figure 5. Variation de la résistance à la traction par flexion en fonction du temps.
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D’après la figure 5, on constate que l’addition de fibres entraîne une nette augmentation de la
résistance à la traction par flexion telle qu’on obtient une résistance qui double de valeur en
présence de 1.5% de fibres.
Pour un béton contenant 1% de fibres métalliques, sa résistance à la flexion est améliorée de
62 %. Il est bien clair que l’amélioration apportée par l’ajout des fibres sur le comportement
mécanique en traction par flexion est beaucoup plus importante que celle à la compression,
cette amélioration est due à la participation de la fibre à la couture de fissures.
3.3. Influence du taux de fibres métalliques sur la déformabilité (Courbe effort-flèche)
Le suivi des flèche d’éprouvettes de dimensions 7x7x28 cm et comportant différentes
proportions de fibres métalliques, a été exécuté par l’appareil CBR. L’évaluation des flèches
est mesurée au micron prés, en tenant compte de la vitesse de déformation et de la
déformabilité de l’anneau de mesure de la force concentrée. L’anneau est équipé de
comparateur de déformation (1µ) où on peut lui attribuer la force exercée correspondante. La
figure 6 illustre les résultats obtenus.
Figure 6. Evolution des flèches en flexion de la charge pour une éprouvette de 7x7x28 cm.
Le béton de fibres a présenté une flèche au pic, proportionnelle à la quantité des fibres qu’il
contient. Pour une éprouvette ayant une épaisseur de 7cm, sa flèche correspondante à la
charge maximale est de 0.71, 1.86, 2.27 et 2.49 mm respectivement pour une présence de
fibres métalliques de 0, 0.5, 1 et 1.5%. Après ce pic la flèche continue d’augmenter tout en
gardant une résistance à la flexion acceptable,
Il est bien clair d’après la figure 6 que l'allure des courbes effort-flèche est identique pour
toutes les teneurs en fibres utilisées, on peut voir trois zones, on constate que la première
partie du diagramme est une zone sans dégradation, ce qui traduit la phase élastique, avant
l’apparition de la première fissure. La microfissuration reste très discrète dans cette partie.
Puis une zone présentant un léger infléchissement correspondant au début de la fissuration,
c’est la limite au-delà de laquelle les fissures se développent de manière instable. Une
troisième phase plastique très apparente, caractérisée par l'augmentation des flèches à charge
relativement constante.
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METALLIQUES SOUS CHARGEMENT MONOTONE CROISSANT
A partir de ces résultats, on constate que les fibres métalliques :
- retardent l’apparition des fissures,
- augmentent la contrainte maximale,
- améliorent la ductilité et la déformation.
3.4. Influence du taux de fibres métalliques sur la ductilité du béton
L’augmentation de la résistance à la fissuration et celle à la flexion sont les caractéristiques
généralement mentionnées, mais la plus importante et la plus typique des bétons renforcés de
fibres, c’est sa ténacité. A partir de la figure 7, pour une éprouvette de 7 cm d’épaisseur le
facteur de ductilité évolue de la valeur unitaire d’un béton témoin jusqu’à 1.52, 1.86 et 2.33
respectivement pour un béton comportant 0.5, 1 et 1.5 % de fibres métalliques. L’indice de
ductilité du béton témoin est égal à 1, celui de béton de fibres varie avec le pourcentage de
fibres, leur nature mais également avec la vitesse de chargement.
Figure 7. Facteur de ductilité en fonction du dosage en fibres.
Cet indice permet de déterminé la qualité d’une fibre. Il faut noter qu’il dépend aussi de
l’apparition de la première fissure, si cette dernière se produit rapidement, l’indice sera élevé,
si elle se produit tard, l’indice sera faible.
4. CONCLUSION
Cette étude a mis en évidence le rôle et l’influence du taux de fibres métalliques sur les
caractéristiques des bétons, après les résultats trouvés on peut citer les remarques suivantes :
- L’augmentation du taux des fibres métallique diminue la maniabilité des bétons testés mais
elle reste toujours dans le domaine plastique par ajout progressive de superplastifiant.
- Le comportement en compression n’est que peu influencé par la présence des fibres, on
constate une légère progression de la résistance à la compression en fonction du taux de fibres
métalliques.
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METALLIQUES SOUS CHARGEMENT MONOTONE CROISSANT
- L’addition de fibres entraîne une nette augmentation de la résistance à la traction par flexion,
qui double de valeur en présence de 1,5% de fibres.
- L’ajout de fibres métalliques même à faible pourcentage 0.5% améliore le comportement
mécanique des bétons. On observe aussi une rupture fragile du béton témoin sans aucune
déformabilité au-delà de l’apparition de la fissuration. Par contre, pour le béton de fibres une
évolution des flèches post fissuration est encore mesurable malgré la diminution de la charge
concentrée.
- Les fibres métalliques sont ajoutées dans la matrice pour améliorer la ductilité et la
résistance en flexion et retarder la formation et le développement des fissures.
5. BIBLIOGRAPHIE
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