Utilisations, avantages et questions clés du béton renforcé de fibres

Le béton est à la base de la construction moderne, et l'amélioration continue de ses performances est une priorité pour les ingénieurs. L'émergence du béton renforcé de fibres (BRF) a apporté une nouvelle vitalité à ce matériau essentiel. Cependant, cela soulève également de nombreuses questions : Que sont exactement les fibres ? Qu'est-ce qui distingue les macrofibres des microfibres ? Comment choisir le type et le dosage de fibres appropriés ? Cet article explore en profondeur le béton renforcé de fibres, en abordant les préoccupations liées aux applications pratiques et en offrant des conseils pour construire des bâtiments plus robustes et durables.

Les fibres jouent un rôle crucial dans le béton, en agissant comme matériaux de renforcement plutôt que comme de simples additifs. Tel que défini dans ACI CT-18 (Terminologie du béton), les fibres comblent les fissures, liant le béton et améliorant considérablement ses performances globales.

La principale distinction entre les macrofibres et les microfibres réside dans leur taille, généralement mesurée par le diamètre équivalent ou la densité linéaire. Dans l'industrie du BRF, la densité linéaire est souvent exprimée en deniers, représentant la masse (en grammes) de 9 000 mètres de fibre.

Les principales différences entre les microfibres et les macrofibres incluent :

• Fibres synthétiques : ASTM D7508/D7508M spécifie les exigences pour les macrofibres, les microfibres et les fibres hybrides (combinaisons des deux). Cette norme utilise également la résistance à la traction et la longueur de coupe comme propriétés de distinction supplémentaires.
• Microfibres naturelles : ASTM D7357 décrit les exigences de conformité pour les fibres de cellulose utilisées dans le BRF.
• Fibres d'acier : Classées comme macrofibres, ASTM A820/A820M établit les exigences minimales pour les fibres d'acier dans les applications BRF.

• Microfibres : Contrôlent principalement le fissuration de retrait plastique. Aux dosages typiques, elles ne fournissent pas de contrôle de la température ou du retrait, ni n'améliorent d'autres propriétés du béton. Cependant, les microfibres fibrillées utilisées à des dosages minimaux de 1,5 lb/yd³ (0,9 kg/m³) peuvent remplacer le renforcement en treillis soudé léger (WWR) pour le contrôle de la fissuration due à la température et au retrait.
• Macrofibres : Améliorent considérablement les performances du béton, notamment la résistance résiduelle après fissuration, le transfert de charge à travers les fissures, la durabilité accrue, la ténacité à la flexion, la résistance à la fatigue, la résistance aux chocs et la capacité de cisaillement.

Il existe différents types de macrofibres synthétiques, chacun ayant des avantages uniques. Au-delà des propriétés physiques telles que la résistance à la traction, le module d'élasticité, la composition du matériau ou la forme, des différences moins évidentes incluent les performances de mélange, la tendance à l'agglomération, la qualité de la finition de surface et les caractéristiques de liaison avec le béton.

La clé du succès de l'utilisation des macrofibres synthétiques réside dans la sélection de dosages appropriés qui répondent à la fois aux exigences de performance et aux besoins de maniabilité/finition. Les fibres plus résistantes ou celles ayant de meilleures caractéristiques de liaison peuvent nécessiter moins de matériau que les alternatives plus faibles. Les fabricants doivent fournir des données d'essai pour étayer les recommandations de dosage, avec des mélanges d'essai recommandés en cas d'incertitudes.

Les microfibres contrôlent principalement le fissuration de retrait plastique. La recherche montre qu'elles fournissent une capacité portante négligeable dans le béton durci aux dosages typiques. Des dosages plus élevés de microfibres peuvent compliquer le mélange en raison de l'augmentation du nombre de fibres et de la surface, ce qui peut entraîner des problèmes de maniabilité et une perte de consistance importante.

Par rapport aux fibres plus courtes du même type, les fibres plus longues ont une plus grande surface, ce qui améliore l'ancrage dans le béton durci et améliore les performances après fissuration à des dosages équivalents. Cependant, il existe une longueur optimale pour chaque type de fibre, en fonction de la forme spécifique, des caractéristiques de rigidité et de la résistance à la compression du béton.

Des mélanges d'essai préalables au projet tenant compte des méthodes de mise en place et des exigences de finition permettent de déterminer les longueurs de fibres idéales, en évitant les problèmes tels que l'agglomération ou la saillie des fibres en surface.

Les macrofibres synthétiques (en particulier les gros monofilaments grossiers) peuvent fournir une résistance résiduelle comparable à celle des fibres d'acier, en fonction du dosage. D'autres facteurs tels que la déformation anticipée et les conditions environnementales doivent également influencer la sélection des fibres. Pour certaines applications structurelles nécessitant des fibres d'acier, les alternatives synthétiques n'ont pas été validées.

Bien que les macrofibres synthétiques aient généralement une résistance à la traction et un module d'élasticité inférieurs à ceux des fibres d'acier, elles fournissent beaucoup plus de fibres pour combler les fissures potentielles. Lorsqu'elles sont correctement dosées, la capacité totale de transfert des contraintes à travers les fissures doit être équivalente. La résistance sectionnelle effective dépend également de la qualité de la liaison fibre-matrice—les fibres à haute résistance avec une liaison insuffisante font de mauvais candidats au renforcement. Les performances du BRF reflètent le comportement composite, et non les propriétés individuelles des fibres.

Le béton renforcé de fibres (BRF) incorpore des fibres discrètes (généralement jusqu'à 2,5 pouces ou 64 mm) dans du béton de ciment hydraulique. Les polymères renforcés de fibres (FRP) utilisent des fibres sensiblement plus longues intégrées dans des matrices polymères sans ciment ni granulats.

Les quantités de fibres requises dépendent des critères de performance du BRF spécifiés. Pour les microfibres contrôlant le retrait plastique, les rapports de réduction des fissures (CRR) guident la détermination du dosage selon la norme ASTM C1579. Pour les macrofibres dans le béton durci, les dosages doivent répondre à la résistance résiduelle spécifiée (ASTM C1399), à la résistance à la flexion équivalente après fissuration (ASTM C1609) ou à la capacité d'absorption d'énergie (ASTM C1550), en tenant compte du type/de l'épaisseur de l'élément, de la résistance du béton, des spécifications de renforcement et des exigences de chargement.

De nombreux fournisseurs proposent des outils de conception (en particulier pour les dalles) pour calculer les dosages appropriés.

Pour les dalles, les dosages minimaux sont généralement établis par les fabricants sur la base d'essais de produits normalisés afin de répondre aux exigences ou aux normes de l'industrie.

ANSI/SDI C-2017 pour les planchers métalliques composites spécifie des dosages minimaux de macrofibres de 4,0 lb/yd³ (2,4 kg/m³) pour les fibres synthétiques et de 25,0 lb/yd³ (14,8 kg/m³) pour les fibres d'acier lorsqu'elles sont utilisées pour le contrôle de la température/du retrait. Selon les exigences UL, les limites supérieures sont de 5,0 lb/yd³ (3,0 kg/m³) pour les fibres synthétiques et de 66,0 lb/yd³ (39,2 kg/m³) pour les fibres d'acier. Le renforcement en fibres ne remplace actuellement pas l'acier de moment négatif dans les assemblages de planchers composites.

Les dosages inférieurs aux recommandations du fabricant ou aux exigences du code ne sont pas conseillés. Les ingénieurs doivent consulter les fabricants de fibres en cas d'incertitude concernant les applications ou les dosages.

Plusieurs sources fournissent des conseils de conception pour le béton renforcé de macrofibres dans diverses applications structurelles :

• ACI 544.4R-18 : Guide de conception avec le BRF
• ACI 360R-10 : Guide de conception des dalles
• ACI 322-14 : Exigences du code du béton résidentiel

Les fabricants de fibres peuvent offrir des conseils supplémentaires spécifiques aux produits.

Les spécifications du BRF à macrofibres doivent être basées sur la performance et spécifiques à l'application, en utilisant des méthodes approuvées de l'ACI 544.4R pour calculer les paramètres caractéristiques tels que :

• Résistance résiduelle moyenne (ASTM C1399)
• Résistance résiduelle ou résistance à la flexion équivalente (ASTM C1609)

Exemple de spécification : « Le dosage des fibres doit fournir une résistance résiduelle minimale de 200 psi (1,4 MPa) dans du béton de 4 000 psi (28 MPa). » La conformité doit être vérifiée au moyen des données d'essai du fabricant conformément aux normes ASTM pertinentes.

Pour le béton projeté, la performance du béton projeté renforcé de fibres (BPRF) est déterminée par la capacité d'absorption d'énergie (ASTM C1550 ou EN 14488-5). Exemple de spécification : « Le dosage des fibres doit fournir une absorption d'énergie minimale de 280 J à 7 jours dans du béton projeté de 4 000 psi (28 MPa). »

La performance après fissuration du BRF peut être évaluée via ASTM C1609, C1399 ou C1550 (absorption d'énergie). Les ingénieurs doivent déterminer les valeurs appropriées en fonction de l'intention de la conception et des niveaux de performance requis, en se référant à l'ACI 544.4R pour obtenir des conseils.

Certaines fibres (par exemple, l'acier) près des surfaces en béton dans des environnements exposés peuvent se corroder. Bien que cette corrosion localisée ne compromette pas l'intégrité structurelle, son impact esthétique doit être évalué au préalable. Les fibres synthétiques et naturelles sont non corrosives et chimiquement inertes, non affectées par les conditions environnementales.

Bien que les fibres n'augmentent généralement pas la résistance à la flexion à la première fissure du béton (module de rupture, ASTM C78), elles améliorent la capacité à la flexion des dalles et la résistance à la fatigue. Des valeurs de ténacité spécifiques aux fibres appropriées permettent d'utiliser des sections de béton plus minces pour supporter les charges de conception.

ANSI/SDI C-2017 permet aux macrofibres en acier ou synthétiques (à des dosages déterminés par le fabricant et répondant aux exigences minimales) de remplacer le renforcement en treillis soudé (WWR) pour le contrôle des fissures, et non la résistance aux contraintes structurelles.

Dans le cadre des évaluations UL et ICC-ES, certaines microfibres sont reconnues comme des alternatives au WWR dans des assemblages de planchers/plafonds coupe-feu spécifiques.

Ce problème historique est principalement survenu avec les microfibres synthétiques lorsque des techniques de finition inappropriées étaient utilisées. Les microfibres monofilament modernes (généralement limitées à 1,0–1,5 lb/yd³ ou 0,6–0,9 kg/m³) et les macrofibres minimisent cet effet. Un mélange, une mise en place et une finition appropriés produisent d'excellentes surfaces. La saillie des fibres en surface ne compromet pas l'intégrité de la dalle—les chalumeaux peuvent faire fondre les fibres exposées si des préoccupations esthétiques se posent.

Bien que certains synthétiques (par exemple, le nylon) absorbent de petites quantités d'eau de gâchage, les fibres courantes en polypropylène/polyéthylène sont hydrophobes. La réduction apparente de l'affaissement à des dosages plus élevés résulte du fait que les fibres agissent comme des agents de cohésion plutôt que comme une absorption d'eau.

L'ajout d'eau réduit la résistance du béton. Lorsque la teneur élevée en fibres affecte la maniabilité, des adjuvants chimiques—et non de l'eau supplémentaire—doivent être utilisés.

Les points d'ajout idéaux varient selon la forme, la rigidité et le dosage des fibres—certaines fonctionnent mieux comme premiers ingrédients, d'autres après le chargement de tous les matériaux. Les fabricants peuvent fournir des conseils, avec des essais préalables au projet recommandés pour déterminer le moment d'ajout et la durée de mélange optimaux.

Pour le béton normal, un mélange de 4 à 5 minutes après l'ajout de tous les ingrédients est généralement recommandé pour les opérations de béton prêt à l'emploi.

Tous les types de fibres peuvent s'agglomérer en raison d'un mélange insuffisant, d'une séquence incorrecte ou d'un ajout à des mélanges trop secs manquant de fines suffisantes pour enrober les fibres. Des essais préalables au projet permettent de vérifier la compatibilité du mélange avec le type et le dosage de fibres prévus.

Les effets de l'affaissement dépendent de :

• L'affaissement initial du mélange (impact plus important aux affaissements de départ plus faibles)
• Le nombre de fibres et le dosage (des dosages plus élevés augmentent l'impact)
• La surface totale des fibres (une surface plus grande augmente l'impact)

Notez que les mesures au cône d'affaissement indiquent la consistance du lot, et non nécessairement la maniabilité réelle. Bien que l'affaissement visuel puisse sembler réduit, la maniabilité réelle pourrait être moins affectée. Des essais préalables au projet déterminent si des ajustements de la maniabilité sont nécessaires.

Les microfibres peuvent avoir plus d'impact sur l'affaissement que les macrofibres à des rapports longueur/diamètre et des dosages équivalents en raison du nombre plus élevé de fibres par livre. Généralement :

• Microfibres synthétiques (1,0–3,0 lb/yd³ ou 0,6–1,8 kg/m³) : perte d'affaissement de 1–3 pouces (25–75 mm)
• Macrofibres synthétiques (3,0–10,0 lb/yd³ ou 1,8–6,0 kg/m³) ou fibres d'acier (15–50 lb/yd³ ou 9–29,6 kg/m³) : perte d'affaissement de 1–5 pouces (25–125 mm)

Les plastifiants (réducteurs d'eau de moyenne ou haute gamme) doivent compenser la perte d'affaissement. Des ajustements du mélange peuvent être nécessaires à des dosages élevés pour assurer une teneur en pâte adéquate. Évitez l'excès d'eau pour éviter la réduction de la résistance et la ségrégation.

Les macrofibres n'affectent généralement pas de manière défavorable la teneur en air ou la résistance à la compression. Les changements perçus découlent souvent d'un mélange excessif, de l'ajout d'eau, des variations de température ou d'une mesure incorrecte de l'humidité dans les granulats. Les fluctuations d'air peuvent également être liées aux changements réels d'affaissement. Certains traitements de surface historiques des fibres pourraient introduire de l'air indésirable, mais c'est désormais rare.

Les changements de poids unitaire dépendent du type de fibre et des ajustements de la conception du mélange. Les fibres synthétiques ne modifient généralement pas le poids unitaire si la teneur en air reste constante. Les fibres d'acier à plus haute densité peuvent augmenter le poids unitaire en fonction de la fraction volumique et des ajustements du mélange.

Dans le béton de poids normal, les fibres correctement proportionnées et mélangées ne flottent ni ne coulent en raison de la densité relative du matériau et de la viscosité du béton mélangé. Les fibres aident en fait à suspendre les granulats plus gros et à empêcher la ségrégation.

Généralement compatibles, mais certains auxiliaires de traitement des fibres ou finitions de filage peuvent affecter d'autres produits chimiques du béton. Vérifiez toujours auprès des fabricants de fibres.