Tout savoir sur le béton fibré : types, avantages et utilisations

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Le béton fibré est une innovation majeure dans l’industrie de la construction. Grâce à l’ajout de fibres synthétiques ou métalliques, ce matériau offre des propriétés améliorées en termes de résistance, de durabilité et de flexibilité. Que vous soyez un professionnel du bâtiment ou un passionné de bricolage, comprendre les avantages du béton fibré et ses applications pratiques est essentiel pour mener à bien vos projets de construction. 

Dans cet article, nous vous présenterons en détail le concept du béton fibré, ses caractéristiques techniques, ainsi que les différents types de fibres utilisées. De plus, nous explorerons les domaines d’utilisation du béton fibré, des structures de génie civil aux éléments architecturaux, en passant par les ouvrages de voirie. Préparez-vous à plonger dans l’univers fascinant du béton fibré et à découvrir comment cette technologie révolutionnaire peut améliorer vos projets de construction.

Qu’est-ce que le béton fibré

Le béton fibré peut être défini comme un matériau composite constitué de mélanges de ciment, de mortier ou de béton et de fibres appropriées discontinues, discrètes et uniformément dispersées. Les bétons fibré sont de types et de propriétés différents et présentent de nombreux avantages. Les mailles continues, les tissus et les longs fils ou tiges ne sont pas considérés comme des fibres discrètes. La fibre est un petit morceau de matériau de renforcement possédant certaines caractéristiques. Elles peuvent être circulaires ou plates. La fibre est souvent décrite par un paramètre pratique appelé « rapport d’aspect ». Le rapport d’aspect de la fibre est le rapport entre sa longueur et son diamètre. Le rapport d’aspect typique se situe entre 30 et 150. 

Le béton fibré (FRC) est un béton contenant des matériaux fibreux qui augmentent son intégrité structurelle. Il contient des fibres courtes et discrètes qui sont uniformément réparties et orientées de manière aléatoire. Les fibres comprennent des fibres d’acier, des fibres de verre, des fibres synthétiques et des fibres naturelles. Parmi ces différentes fibres, le caractère du béton fibré change en fonction des bétons, des matériaux des fibres, des géométries, de la distribution, de l’orientation et des densités. Le renforcement par des fibres est principalement utilisé dans le béton projeté, mais peut également être utilisé dans le béton normal. 

Utilisation du béton fibré

Le béton fibré est surtout utilisé pour les sols et les chaussées, mais il peut être envisagé pour un large éventail de pièces de construction (poutres, pinces, fondations, etc.), soit seul, soit avec des barres d’armature fixées à la main. Le béton fibré (qui sont généralement des fibres d’acier, de verre ou de « plastique ») est moins coûteux que les barres d’armature fixées à la main, tout en augmentant considérablement la résistance à la traction. La forme, la dimension et la longueur de la fibre sont importantes. Une fibre fine et courte, par exemple une fibre de verre en forme de cheveux courts, ne sera efficace que dans les premières heures suivant la coulée du béton (elle réduit la fissuration pendant que le béton se raidit) mais n’augmentera pas la résistance à la traction du béton.

Effet des fibres dans le béton

Les fibres sont généralement utilisées dans le béton pour contrôler la fissuration par retrait plastique et la fissuration par retrait de séchage. Elles diminuent également la perméabilité du béton et réduisent ainsi l’infiltration de l’eau. Certains types de fibres confèrent au béton une plus grande résistance aux chocs, à l’abrasion et aux éclats. 

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En général, les fibres n’augmentent pas la résistance à la flexion du béton et ne peuvent donc pas remplacer les armatures de résistance aux moments ou les armatures structurelles en acier. Certaines fibres réduisent la résistance du béton. La quantité de fibres ajoutée à un mélange de béton est mesurée en pourcentage du volume total du composite (béton et fibres), appelé fraction volumique (Vf). La fraction volumique est généralement comprise entre 0,1 et 3 %. Le rapport d’aspect (l/d) est calculé en divisant la longueur de la fibre (l) par son diamètre (d). Les fibres à section non circulaire utilisent un diamètre équivalent pour le calcul du rapport d’aspect. Si le module d’élasticité de la fibre est supérieur à celui de la matrice (liant du béton ou du mortier), elle contribue à supporter la charge en augmentant la résistance à la traction du matériau. 

Une augmentation du rapport d’aspect de la fibre augmente généralement la résistance à la flexion et la ténacité de la matrice. Toutefois, les fibres trop longues ont tendance à « se mettre en boule » dans le mélange et à créer des problèmes de maniabilité. Certaines recherches récentes ont indiqué que l’utilisation de fibres dans le béton a un effet limité sur la résistance à l’impact des matériaux en béton. 

Cette constatation est très importante car on pense généralement que la ductilité augmente lorsque le béton est renforcé par des fibres. Les résultats ont également montré que les microfibres ont une meilleure résistance à l’impact que les fibres plus longues.

Les avantages du béton fibré

  • Il augmente la résistance à la traction du béton.
  • Il réduit les vides d’air et les vides d’eau, la porosité inhérente du gel.
  • Il augmente la durabilité du béton.
  • Les fibres telles que le graphite et le verre ont une excellente résistance au fluage, ce qui n’est pas le cas de la plupart des résines. Par conséquent, l’orientation et le volume des fibres ont une influence significative sur la résistance au fluage des barres d’armature/tendons.
  • Le béton armé lui-même est un matériau composite, où l’armature agit comme la fibre de renforcement et le béton comme la matrice. Il est donc impératif que le comportement sous contrainte thermique des deux matériaux soit similaire afin de minimiser les déformations différentielles du béton et de l’armature.
  • Il a été reconnu que l’ajout de fibres de petite taille, étroitement espacées et uniformément dispersées dans le béton agirait comme un frein à la fissuration et améliorerait considérablement ses propriétés statiques et dynamiques.

Facteurs affectant les propriétés du béton fibré

Le béton fibré est un matériau composite contenant des fibres dans la matrice de ciment de manière ordonnée ou aléatoire. Ses propriétés dépendent évidemment du transfert efficace des contraintes entre la matrice et les fibres. Les facteurs sont brièvement examinés ci-dessous.

1. Rigidité relative de la matrice de fibres

Le module d’élasticité de la matrice doit être beaucoup plus faible que celui des fibres pour que le transfert des contraintes soit efficace. Les fibres à faible module d’élasticité, telles que les nylons et le polypropylène, ne sont donc pas susceptibles d’améliorer la résistance, mais elles aident à absorber une grande quantité d’énergie et confèrent donc un plus grand degré de ténacité et de résistance à l’impact.

Les fibres à module élevé telles que l’acier, le verre et le carbone confèrent résistance et rigidité au composite. La liaison interfaciale entre la matrice et la fibre détermine également l’efficacité du transfert des contraintes de la matrice à la fibre. Une bonne liaison est essentielle pour améliorer la résistance à la traction du composite.

2. Volume des fibres

La résistance du composite dépend largement de la quantité de fibres utilisées. Les figures 1 et 2 montrent l’effet du volume sur la flexion et la résistance. La figure 1 montre que l’augmentation du volume des fibres entraîne une augmentation à peu près linéaire de la résistance à la traction et de la ténacité du composite. L’utilisation d’un pourcentage plus élevé de fibres est susceptible de provoquer la ségrégation et la dureté du béton et du mortier.

effet des fibres sur la flexion
Fig 1 : Effet des fibres sur la flexion
effet des fibres sur la tension
Fig 2 : Effet des fibres sur la résistance

3. Rapport d’aspect de la fibre

Un autre facteur important qui influence les propriétés et le comportement du composite est le rapport d’aspect de la fibre. Il a été rapporté que jusqu’à un rapport d’aspect de 75, l’augmentation du rapport d’aspect augmente linéairement le béton ultime. Au-delà de 75, la résistance relative et la ténacité sont réduites. Le tableau 1 montre l’effet du rapport d’aspect sur la résistance et la ténacité.

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Type de bétonRapport d’aspectRésistance relativeTénacité relative
Béton ordinaire011
Avec251.52.0
Au hasard501.68.0
Fibres dispersées751.710.5
1001.58.5

4. Orientation des fibres

L’une des différences entre le renforcement conventionnel et le renforcement par fibres est que dans le renforcement conventionnel, les barres sont orientées dans la direction souhaitée alors que les fibres sont orientées de manière aléatoire. Pour voir l’effet de l’orientation aléatoire, des éprouvettes de mortier renforcées avec un volume de 0,5 % de fibres ont été testées.

Dans une série d’éprouvettes, les fibres étaient alignées dans la direction de la charge, dans une autre dans la direction perpendiculaire à celle de la charge, et dans la troisième, elles étaient réparties de manière aléatoire. Il a été observé que les fibres alignées parallèlement à la charge appliquée offraient une résistance à la traction et une ténacité supérieures à celles des fibres réparties au hasard ou perpendiculaires.

5. Ouvrabilité et compactage du béton

L’incorporation de fibres d’acier diminue considérablement l’ouvrabilité. Cette situation affecte négativement la consolidation du mélange frais. Même une vibration externe prolongée ne parvient pas à compacter le béton. Le volume de fibre auquel cette situation est atteinte dépend de la longueur et du diamètre de la fibre. Une autre conséquence d’une mauvaise ouvrabilité est la distribution non uniforme des fibres. En général, l’ouvrabilité et le compactage du mélange sont améliorés en augmentant le rapport eau/ciment ou en utilisant des adjuvants qui réduisent la quantité d’eau.

6. Taille du granulat grossier

La taille maximale du granulat grossier doit être limitée à 10 mm, afin d’éviter une réduction sensible de la résistance du composite. Les fibres agissent également comme des agrégats. Bien que leur géométrie soit simple, leur influence sur les propriétés du béton frais est complexe.

Le frottement interparticulaire entre les fibres et entre les fibres et les agrégats contrôle l’orientation et la distribution des fibres et, par conséquent, les propriétés du composite. Les adjuvants qui réduisent le frottement et ceux qui améliorent la cohésion du mélange peuvent améliorer ce dernier de manière significative.

7. Mélange

Le mélange du béton fibré nécessite des conditions particulières pour éviter la mise en boule des fibres, la ségrégation et, en général, la difficulté de mélanger les matériaux de manière uniforme. L’augmentation du rapport d’aspect, du pourcentage de volume, de la taille et de la quantité d’agrégats grossiers intensifie les difficultés et la tendance à la formation de boules.

Une teneur en fibres d’acier supérieure à 2 % en volume et un rapport d’aspect supérieur à 100 sont difficiles à mélanger. Il est important que les fibres soient dispersées uniformément dans le mélange, ce qui peut être fait en ajoutant les fibres avant d’ajouter l’eau. Lors du mélange dans un mélangeur de laboratoire, l’introduction des fibres à travers un panier en treillis métallique permet une distribution uniforme des fibres. Pour une utilisation sur le terrain, d’autres méthodes appropriées doivent être adoptées.

Différents types de béton fibré

Voici les différents types de fibres généralement utilisés dans les industries de la construction :

  • Béton fibré d’acier
  • Mortier et béton de ciment renforcés de fibres de polypropylène (PFR)
  • GFRC béton fibré de verre
  • Fibres d’amiante
  • Fibres de carbone
  • Fibres organiques

1. Béton fibré d’acier

Plusieurs types de fibres d’acier sont disponibles pour le renforcement. Les fibres d’acier rondes, le type le plus couramment utilisé, sont produites en coupant le fil rond en petites longueurs. Le diamètre typique se situe entre 0,25 et 0,75 mm.

Les fibres d’acier ayant un c/s rectangulaire sont produites en ensilant des feuilles d’environ 0,25 mm d’épaisseur. Fibre fabriquée à partir de fils tréfilés en acier doux. Les fibres fabriquées à partir de fils tréfilés en acier doux conformes à la norme IS:280-1976, dont le diamètre varie de 0,3 à 0,5 mm, ont été pratiquement utilisées en Inde. Les fibres d’acier rondes sont produites en coupant ou en hachant le fil, les fibres en feuilles plates ayant un c/s typique allant de 0,15 à 0,41 mm d’épaisseur et de 0,25 à 0,90 mm de largeur sont produites en ensilant des feuilles plates. Il existe également des fibres déformées, qui sont liées de manière lâche à une colle soluble dans l’eau sous la forme d’un faisceau.

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Comme les fibres individuelles ont tendance à se regrouper, il est souvent difficile de les répartir uniformément dans la matrice. Ce problème peut être évité en ajoutant des faisceaux de fibres, qui se séparent pendant le processus de mélange. Lire aussi : Applications du béton fibré d’acier Préparation et utilisation du mélange de béton fibré d’acier

2. Mortier et béton de ciment renforcé de fibres de polypropylène (PFR)

Le polypropylène est l’un des polymères les moins chers et disponibles en abondance. Les fibres de polypropylène sont résistantes à la plupart des produits chimiques et c’est la matrice cimentaire qui se détériorerait en premier en cas d’attaque chimique agressive. Son point de fusion est élevé (environ 165 degrés centigrades). De sorte qu’une température de travail (100 degrés centigrades) peut être maintenue pendant de courtes périodes sans nuire aux propriétés de la fibre. Les fibres de polypropylène étant hydrophobes, elles peuvent être facilement mélangées car elles n’ont pas besoin d’un contact prolongé pendant le mélange et il suffit de les répartir uniformément dans le mélange. Les fibres courtes de polypropylène en petites fractions de volume entre 0,5 et 15 sont commercialement utilisées dans le béton.

3. GFRC – béton fibré de verre

La fibre de verre est composée de 200 à 400 filaments individuels qui sont légèrement liés pour former un support. Ces supports peuvent être coupés en différentes longueurs ou combinés pour former des nattes ou des bandes de tissu. En utilisant les techniques de mélange conventionnelles pour le béton normal, il n’est pas possible de mélanger plus de 2% (par volume) de fibres d’une longueur de 25 mm.

La principale application de la fibre de verre a été le renforcement des matrices de ciment ou de mortier utilisées dans la production de produits en feuilles minces. Les variétés de fibres de verre couramment utilisées sont l’e-glass. Dans le renforcement des plastiques et du verre AR, le verre E présente une résistance inadéquate aux alcalis présents dans le ciment Portland, alors que le verre AR présente de meilleures caractéristiques de résistance aux alcalis. Parfois, des polymères sont également ajoutés aux mélanges pour améliorer certaines propriétés physiques telles que le mouvement de l’humidité.

4. Fibres d’amiante

L’amiante, fibre minérale naturellement disponible et peu coûteuse, a été combinée avec succès à la pâte de ciment Portland pour former un produit largement utilisé appelé amiante-ciment. Les fibres d’amiante présentent une résistance thermique, mécanique et chimique qui les rend appropriées pour les produits en feuilles, les tuyaux, les tuiles et les éléments de toiture ondulés.

Le panneau d’amiante-ciment est environ deux ou quatre fois plus résistant que la matrice non renforcée. Cependant, en raison de leur longueur relativement courte (10 mm), les fibres ont une faible résistance aux chocs.

5. Fibres de carbone

Les fibres de carbone constituent l’ajout le plus récent et probablement le plus spectaculaire à la gamme de fibres disponibles pour un usage commercial. Les fibres de carbone ont un module d’élasticité et une résistance à la flexion très élevés. De plus, elles sont expansives et leurs caractéristiques de résistance et de rigidité se sont révélées supérieures à celles de l’acier. Mais elles sont plus vulnérables aux dommages que même les fibres de verre, et sont donc généralement traitées avec un revêtement de résignation.

6. Fibres organiques

Les fibres organiques telles que le polypropylène ou les fibres naturelles peuvent être chimiquement plus inertes que les fibres d’acier ou de verre. Elles sont également moins chères, surtout si elles sont naturelles. Un grand volume de fibres végétales peut être utilisé pour obtenir un composite à fissures multiples. Le problème du mélange et de la dispersion uniforme peut être résolu par l’ajout d’un superplastifiant.

FAQ sur le béton fibré

Quelle est la procédure pour faire du béton fibré ?

Le béton fibré est une forme de béton renforcé qui est faite en ajoutant des fibres métalliques ou synthétiques aux ingrédients du béton. La procédure pour faire du béton fibré consiste à mélanger les fibres avec le ciment, le sable et le gravier. Une fois le mélange prêt, il est nécessaire de l’ajouter à l’eau, et de mélanger le tout jusqu’à obtenir une pâte homogène. Enfin, le béton fibré doit être coulé et compacté pour obtenir une surface lisse et stable.

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