HomeGuide pratique du béton7.3 Béton fibré à ultra-hautes performances

7.3 Béton fibré à ultra-hautes performances

 

7.3.1 Introduction

Le béton fibré à ultra-hautes performances (BFUP), aussi appelé ultra high performance concrete (UHPC), est un béton qui se démarque nettement des bétons courants et haute résistance par sa composition, sa teneur en fibres, son rapport E/C et ses propriétés. Parmi ses caractéristiques  hors du commun, on note sa résistance à la compression qui peut dépasser 150 N/mm2 et son rapport E/C extrêmement bas, inférieur à 0.25. L’addition de fibres métalliques en grande quantité, de l’ordre de 1 à 5 % vol., confère à la matrice cimentaire une excellente ductilité en traction (voir chapitre 5.4). Ce comportement ductile résulte d’une capacité élevée de déformation plastique. Au contraire des matériaux à comportement fragile, la rupture des matériaux ductiles est précédée de grandes déformations annonciatrices. En plus de ses propriétés mécaniques particulières, le BFUP présente une excellente durabilité.



7.3.2 Exigences normatives

Les données du tableau 7.3.1 permettent de comparer les propriétés mécaniques et la composition du BFUP avec celles d’autres bétons, ainsi que les normes applicables.
A cause de sa composition et ses propriétés particulières, le BFUP se situe hors du domaine de validité des normes SN EN 206 et SIA 262. Le dimensionnement et l’exécution du BFUP sont réglés par le cahier technique SIA 2052 (en préparation).

 

Spécification

Une distinction est faite entre le BFUP utilisé pour la construction (p. ex. pour augmenter la rigidité ou la résistance des tabliers de ponts ou des dalles de bâtiments) ou pour la remise en état et le renforcement d'ouvrages (p. ex. étanchéité, parapets, blocs d’ancrage). Les propriétés caractéristiques du BFUP sont entre autres:
  • comportement en traction, défini par la résistance à la traction fUt, la résistance limite élastique à la traction fUte, le comportement écrouissant εUtu et le comportement adoucissant (énergie de rupture spécifique GFU, ouverture maximale de fissure wUt,max)
  • résistance à la compression fUc
  • module d’élasticité EU
  • coefficient de Poisson νU
  • coefficient de dilatation thermique αU
  • retrait spécifique εUs et coefficient de fluage φU(t,t0)

Les sortes de BFUP sont spécifiées en fonction de leurs différentes propriétés, dont le comportement à la traction du BFUP constitue la base du classement (tab. 7.3.2).

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Tab. 7.3.2: Sortes de BFUP.

Des exigences complémentaires spécifiées en fonction de l’application du BFUP sont possibles, elle concernent:
  • la résistance à la compression
  • le module d’élasticité
  • la résistance à l’abrasion
  • l’aptitude à une mise en place en pente du BFUP frais et autoplaçant


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Tab. 7.3.1: Types de béton avec leurs références normatives.


7.3.3 Technologie du béton

 

Généralités

Les propriétés spécifiques du BFUP, en particulier sa haute résistance à la compression et à la traction ainsi qu’une excellente durabilité, reposent sur les principes suivants de la technologie du béton:

Optimisation du squelette granulaire au niveau des particules les plus fines
La granularité est élargie dans les classes granulaires très fines par l’utilisation de la fumée de silice, permettant de remplir les interstices les plus petits. La substitution simultanée des granulats grossiers par une sélection de sables fins de quartz conduit à une très haute densité de compactage et à une microstructure homogène (fig. 7.3.1). Alors que dans un béton à résistance normale le granulat occupe le plus grand volume, le volume de la pâte de ciment domine dans un BFUP. La grande proportion de pâte de ciment empêche la formation d’un squelette granulaire rigide. Les déformations, comme le retrait, qui n’affectent que la pâte de ciment seront ainsi moins entravées de manière à éviter des microfissures de la pâte de ciment.

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Fig. 7.3.1: Constituants principaux du BFUP de gauche à droite: fumée de silice, ciment, sable de quartz.

Réduction du rapport E/C

Bien que le BFUP présente une quantité d’eau de gâchage similaire à celle des bétons courants ou à haute résistance, sa teneur en ciment est nettement supérieure. Il en résulte un rapport E/C beaucoup plus bas, en règle générale inférieur à 0.25. La taille moyenne des pores du BFUP est fortement réduite et les pores ne forment pas un réseau interconnecté. De par le très faible rapport E/C, une partie des grains de ciment ne s’hydrate pas et demeure comme filler chimiquement réactif dans le béton et constitue une réserve d’hydratation.

Armature de fibres synthétiques ou métalliques

L’armature de fibres avec un fort dosage (1 à 5 % vol.) confère à la matrice cimentaire une haute ductilité et résistance résiduelle post-fissuration. La répartition homogène des fibres permet d’armer efficacement toute la section de l’élément de construction, du centre jusqu’à la surface (fig. 7.3.2). L’efficacité des fibres dans le BFUP dépend du matériau, du dosage, de la géométrie, de la répartition et l’orientation des fibres. En raison de leurs forts dosages, les fibres ont une influence déterminante sur le comportement mécanique du BFUP.

 

Ciment

Pour la confection du BFUP, les compositions de béton à base de ciment Portland (CEM I) à faible teneur en alcalins, de ciment Portland composé (CEM II) et de ciment au laitier (CEM III) de toutes les classes de résistance ont été éprouvées dans la pratique. L’utilisation de ciment au laitier (CEM III/B) à faible teneur en clinker a une répercussion avantageuse sur le bilan CO2 du BFUP.


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Fig. 7.3.2: Comparaison des volumes de fibres courantes: à gauche BFUP avec env. 300 kg/m3 de fibres (3.8 % vol.); à droite béton renforcé aux fibres métalliques avec env. 35 kg/m3 de fibres.

Granulat

En règle générale, les sables et farines de quartz utilisés présentent des courbes granulométriques spécifiques, p. ex. avec une granularité discontinue, afin d’augmenter la densité de compactage. Selon les exigences et performances visées, le diamètre maximal des sables sera inférieur à 2 mm. La forme des grains influence la consistance et la demande en eau. Il est avantageux d’utiliser des sables séchés, dont la granularité est soumise à un contrôle de qualité sévère.

 

Adjuvants

Les fluidifiants hautement efficaces et fortement dosés sont nécessaires pour garantir la miscibilité des composants malgré le rapport E/C inférieur à 0.25. Généralement, il s’agit de produits à base de polycarboxylates adaptés de manière optimale au ciment choisi.

 

Additions
La fumée de silice est très répandue en tant qu’addition au BFUP. De par sa réaction pouzzolanique, la fumée de silice contribue à la densification de la microstructure par ses produits de réaction supplémentaires, renforçant les résistances mécaniques et l’adhérence entre la pâte de ciment, les fibres et le granulat.

Lors de l’utilisation des fibres métalliques, un diamètre des fibres entre 0.10 et 0.15 mm et un élancement des fibres entre 40 et 80 (rapport longueur-diamètre) se sont avérés être un bon compromis entre l’ouvrabilité et l’efficacité. On emploie également des fibres d’alcool polyvinylique (PVA) pour la construction d’éléments auxquels se posent peu d’exigences relatives aux propriétés mécaniques.

 

Production

Le BFUP est produit soit comme prémix industriel (p. ex. Holcim 707 et 710) soit comme béton prêt à l’emploi dans une centrale à béton. La production en centrale n’est en général seulement possible que pour des BFUP à consistance fluide ou de courtes durées de transport. L’ordre d’introduction suivant pour le mélange est confirmé dans la pratique: la première moitié de tous les constituants pulvérulents – eau de gâchage avec le fluidifiant – l’autre moitié des composants en poudre – fibres. Le dosage de l’eau et des fluidifiants doit être très précis. L’expérience montre que la plupart des malaxeurs sont aptes à la production de BFUP. A cause du grand élancement et du fort dosage des fibres, il faut veiller à leur bonne séparation et répartition homogène dans le béton frais. La durée de malaxage dépend du type de malaxeur, de la charge, de l’ajout de fibres, et se situe entre 10 et 20 minutes.

 

Consistance

Le BFUP peut être produit avec des consistances variables. Pour les éléments coffrés, on choisira un BFUP fluide, autoplaçant avec un étalement au cône d’Abrams d’environ 800 mm (fig. 7.3.3). La consistance est caractérisée par une haute viscosité, de façon à ce que l’étalement ne soit atteint qu’au bout d’une minute environ. Similaire au béton autoplaçant (béton autoplaçant), la pâte de ciment doit pouvoir maintenir les fibres en suspension. Le dégazage et le compactage ont lieu pendant l’écoulement sous l’effet de la gravité. Les variantes BFUP fluides contenant jusqu’à 2 % vol. de fibres métalliques peuvent être pompées avec des pompes pour mortier. Pour les applications en pente, p. ex. des couches de protection de ponts, il existe des types de BFUP qui peuvent être mis en place selon l’épaisseur de couche jusqu’à une pente de 8 % (fig. 7.3.3). Il faut alors veiller à une adaptation très précise du dosage de l’eau et des fluidifiants.

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Fig. 7.3.3: BFUP fluide (en haut), BFUP apte au bétonnage en pente jusqu’à 8 % (en bas).

Mise en place et compactage

Le BFUP fluide est rempli dans le coffrage et se répartit sous l’effet de la gravité. Les vibreurs de coffrage facilitent le flux dans les coffrages étroits, mais il faut prendre garde à ce qu’il n’y ait aucune ségrégation de la matrice cimentaire et des fibres. En cas d’interruption des travaux, les joints de bétonnage doivent être soigneusement disposés et exécutés afin d’assurer une continuité satisfaisante dans le matériau.

Les exigences relatives au coffrage sont très élevées. A cause de sa grande fluidité, le coffrage doit être particulièrement étanche. La pression exercée par le béton frais sur le coffrage correspond à la répartition de la poussée hydrostatique. A cause de la grande finesse des constituants et la fluidité du béton frais, la texture de la peau de coffrage s’imprime précisément sur la surface du béton. Le BFUP thixotrope en couche mince pour des applications horizontale de grande superficie peut être travaillé à l’aide d’une règle vibrante.

La mise en place des couches de BFUP sur un support en béton exige une préparation méticuleuse de la surface de contact (fig. 7.3.4 et 7.3.5). Elle nécessite l’élimination de la peau de ciment et des substances affaiblissant la liaison (graisse, huile, etc.), et doit atteindre une rugosité minimale avec des différences de niveau de l’ordre de 5 mm pour un espacement de 10 à 15 mm. Le support doit être saturé d’eau au préalable. On respectera les mêmes consignes valables pour la remise en état du béton à l’aide de produits à base de liants hydrauliques.

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Fig. 7.3.4: Mise en place d’une couche de BFUP à la fois comme renforcement et étanchéité d’un pont.

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Fig. 7.3.5: Finition d’une couche de BFUP à l’aide d’une règle vibrante.

 

Cure

La cure acquiert une signification particulière à cause du rapport E/C très bas du BFUP. Toute perte d’eau est absolument à éviter. Le BFUP doit être recouvert immédiatement après sa mise en place par un film plastique et protégé des intempéries (vent, pluie, soleil, froid). Une cure thermique (apport contrôlé de chaleur et d’humidité) permet d’augmenter la résistance et de stabiliser le retrait en peu de temps.

 

Sécurité

Les fibres métalliques employées pour la confection du BFUP présentent un risque notable de blessures de la peau et des yeux. Il est nécessaire de prendre des mesures adéquates de protection. En outre les mêmes consignes de sécurité que celles pour le travail avec du ciment et de la fumée de silice sont à respecter. 


7.3.4 Recommandations pour la planification des bétons fibrés à ultra-hautes performances

 

Domaines d’application

Le BFUP peut être utilisé, pour les nouvelles ouvrages ou en relation avec des constructions en béton déjà existants, pour la protection et le renforcement. Il permet de minimiser les dimensions des sections et le poids propre. La figure 7.3.6 illustre des sections de poutre de même résistance. Grâce au BFUP, il est possible d’atteindre, pour des poids propres comparables, des dimensions similaires à celles des poutres en aciers. Dans ce cas, la combinaison du BFUP avec une armature précontrainte dans le sens porteur est judicieuse.

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Fig. 7.3.6: Sections transversales de poutres de même résistance conçues avec divers matériaux.

Pour le renforcement d’éléments de construction en béton armé, une couche mince de BFUP ou, en cas d’exigences élevées, de BFUP armé est appliquée (fig. 7.3.7). En principe, il est judicieux d’utiliser le BFUP de manière ciblée pour les parties d’ouvrage fortement exposées, nécessitant des propriétés mécaniques particulières et une durabilité élevée. En règle générale, il n’est pas nécessaire de recourir à des moyens d’assemblages mécaniques entre la couche de BFUP et le support en béton armé. 

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Fig. 7.3.7: Le BFUP comme couche de protection et de renforcement des éléments de construction en béton.

Comportement en traction

Grâce à l’armature de fibres, le BFUP atteint une résistance à la traction qui dépasse nettement celle d’un béton à résistance normale. Elle peut être prise en compte dans le calcul statique. Le comportement du BFUP en traction directe présente trois phases – élastique, écrouissant et adoucissant (fig. 7.3.8):
  • comportement élastique: augmentation linéaire de la déformation lorsque la contrainte monte, retour complet de la déformation lors de la décharge.
  • comportement écrouissant: accroissement de la déformation par une augmentation de la contrainte de traction, accompagné de la formation de fissures finement dispersées et de faible ouverture (microfissures) et une déformation irréversible après la décharge. Le comportement écrouissant se manifeste seulement si la teneur en fibres est suffisante pour que les fibres puissent absorber complètement les contraintes. Si les teneurs en fibres sont insuffisantes aucun écrouissement a lieu et la phase de comportement adoucissant suit directement la phase de comportement élastique.
  • Comportement adoucissant: baisse des contraintes de traction et augmentation des déformations se concentrant dans une fissure qui s’ouvre progressivement avec l’arrachement des fibres de la matrice cimentaire. Les contraintes de traction diminuent jusqu’à la séparation complète des deux flancs de la fissure. L’ouverture maximale de la fissure correspond environ à la moitié de la longueur des fibres.


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Fig. 7.3.8: Illustration schématique du comportement en traction du BFUP avec 4 % vol. de fibres métalliques.

Retrait et fluage

A cause de sa teneur élevée en ciment et son faible rapport E/C, le BFUP peut atteindre un retrait spécifique relativement élevé jusqu’à 1 ‰. Le retrait correspond presque entièrement au retrait endogène. Le fluage, appelé aussi la capacité de relaxation du BFUP, est également plus élevé que celui du béton à résistance normale. Les contraintes issues des déformations entravées de retrait sont en partie relaxées par le fluage. La combinaison de sa haute résistance à la traction et de sa capacité de déformation (comportement écrouissant), dû à son armature en fibres, permet au BFUP de rester sans fissure et durable même sous un haut degré d’entrave. Ceci est d’une importance particulière dans le cas d’une application du BFUP comme couche de protection ou de renforcement d’un élément de construction existant (fig. 7.3.10).

 

Durabilité

La structure dense du BFUP offre une très haute résistance à la pénétration de gaz et de fluides. Il en résulte une excellente résistance à la carbonatation, aux chlorures, aux sulfates et au gel en présence de sels de déverglaçage. La durabilité chimique vis-à-vis des attaques acides est élevée. L’armature et les fibres métalliques sont protégées malgré des épaisseurs d’enrobage plus faibles que celles du béton courant. L’enrobage de l’armature du BFUP armé atteint une épaisseur de 10 mm dans les surfaces coffrées et 15 mm dans les surfaces non coffrées. La corrosion des fibres métalliques proches de la surface présente éventuellement un problème esthétique, mais n’a pas d’effet sur la durabilité. Les sollicitations  d’abrasion ou de choc sont bien tolérées grâce à la structure dense et la grande ductilité des fibres métalliques. Le contrôle de la fissuration et des ouvertures des fissures par l’armature de fibres contribue également à la durabilité.

 

Résistance au feu

Les mêmes remarques concernant la résistance au feu du béton à haute résistance s’appliquent au BFUP (voir chapitre 7.2).

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Fig. 7.3.9: Arrêt de bus en BFUP.




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Fig. 7.3.10: Passage de ruisseau préfabriqué dont la face supérieure possède une couche de protection en BFUP.




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