AMÉLIORATION DE LA DUCTILITÉ DU
BÉTON À HAUTE PERFORMANCE PAR L'AJOUT DE FIBRES D'ACIER
T.TAHENNI *& M. CHEMROUK
**
* Doctorant, Faculté
de Génie Civil, USTHB.
** Professeur, Faculté
de Génie Civil, USTHB.
Tél: 021 24 34 10 , BP32 El-Alia, Bab-Ezzouar,
Alger.
E-mail : touhami_tahenni@yahoo.fr
RÉSUMÉ
Cette communication présente les résultats d'essais
de flexion à trois points menés sur des poutres en béton
à haute performance et béton à haute performance
renforcées de fibres d'acier. Ces essais font partie d'un programme
expérimental ayant pour but d'étudier l'influence des fibres sur
l'apparition et la propagation de fissures, et ainsi sur le comportement
ductile de ces bétons. D'une manière générale, le
comportement du béton à haute performance vis-à-vis de la
fissuration est amélioré avec l'utilisation des fibres d'acier
dans le mélange. L'addition des fibres réduit la fragilité
du matériau et améliore sa ductilité, qualité
structurelle indispensable dans les régions à haut risque
sismique.
Les essais entrepris dans ce travail sur des poutres en BHP ont
montré que l'ajout de fibres, même en faible quantité,
améliore le comportement du matériau béton
vis-à-vis de la traction et limite l'ouverture des fissures d'une
manière appréciable. Dans ce sens, la formation des
premières fissures est retardée et une fois formées, ces
fissures restent relativement fines parce qu'elles sont couturées par
des fibres d'aciers.
Une poutre en béton témoin développe peu de
fissures mais avec des ouvertures assez larges, pendant qu'une poutre en
béton contenant des fibres développera plus de fissures avec des
ouvertures très fines.
MOTS CLÉS
Ductilité en béton - béton à haute
performance - fibres d'acier - fissuration en béton - béton de
fibres.
1. INTRODUCTION
Malgré que le BHP soit considéré comme
étant un matériau relativement nouveau, son développement
a été graduel au fil des années. Avec le
développement continue, la définition même de performance a
évolué. La toute première fut celle de haute
résistance et concernait un béton de 30 MPa et plus. Ensuite, un
béton avec des résistances entre 40 et 50 MPa était
possible. Vers la fin des années 70 un béton ayant une
résistance à la compression de 60 MPa a été produit
par des centrales à béton. L'idée de « haute
performance » est née avec ce béton et on a
commencé à s'intéresser, d'une manière
générale, au comportement mécanique de ce matériau
sous chargement et, à long terme, à sa durabilité.
Le terme « haute performance » est, cependant,
utilisé avec un sens relatif car
un béton qui est considéré comme ordinaire
dans une pratique peut-être considéré, comme de haute
performance dans une autre. Dans ce travail, un béton ayant une
résistance à la compression de plus de 40 MPa [1] est
considéré comme béton à haute performance, au vue
de la pauvreté de ce matériau dans nos chantiers.
L'utilisation des Bétons à Hautes
Performance « BHP » est actuellement en plein
développement dans le domaine du génie civil, notamment dans la
construction des ouvrages d'art. Ils sont obtenus par l'emploi conjugué
des superplastifiants et des ultra-fins tels que les ajouts minéraux, ce
qui permet d'augmenter la résistance à la compression (> 40
MPa) tout en améliorant l'ouvrabilité et la durabilité.
Le béton à haute performance avec des
résistances élevées offre à la construction une
durabilité meilleure à long terme et permet des économies
de matériaux allant jusqu'à 40 ? [2,3].
La tendance d'une résistance à traction faible par
comparaison à celle de la compression est maintenue pour le BHP. Cette
tendance est même mieux mise en évidence du fait que pendant que
la résistance à la compression croit pour doubler ou tripler (de
20 à 60MPa), celle à la traction passe de 3 MPa à 4
jusqu'à 5 MPa. Le rapport est d'avantage réduit pour atteindre 1/20. Avec l'augmentation de
la résistance à la compression le BHP devient peu ductile, et
donc ajouté au manque de ductilité des bétons en
général tel que constaté lors des différents
séisme qui se sont produit à travers le monde. À ce sujet,
plusieurs études [4] ont montré un comportement adoucissant
médiocre des BHP sous une contrainte de compression uniaxiale. Cette
fragilité entraîne des problèmes de conception et de
dimensionnement pour certains types de structures particulièrement
à l'ELU. Néanmoins, ce comportement fragile peut être
évité par adjonction de fibres métalliques à la
composition initiale du béton. Ces dernières jouent un rôle
de renforcement qui compense la fragilité du béton par couture
d'abord de la microfissuration et puis couture de la macrofissuration.
2. DUCTILITÉ
Les séisme majeurs sollicitent la structure en dehors du
domaine élastique, or celle-ci devrait préserver non seulement
une résistance résiduelle appropriée aux actions
engendrées, mais une ductilité suffisante pour garantir
l'absorption de l'énergie sismique, sans qu'elle puisse subir des
endommagements très préjudiciables.
En effet, une importance particulière est accordée
à la ductilité en vue d'augmenter la déformation de la
structure dans le palier de plasticité [9].
Pour les éléments en béton armé,
lorsque le palier de plasticité est long, on dit que
l'élément est ductile. Cependant, lorsque le palier de non
linéarité est court, on dit que l'élément est
fragile (Figure 1). Un comportement fragile aura lieu dans le cas où
l'élément est sous armé (quantité d'armature
insuffisante) et dans le cas où l'élément est armé
en excès, l'élément est dit rigide [9].
Comportement fragile
Comportement ductile
Force
Déformation
Figure 1 : Comportement d'un
élément fléchi « ductile et fragile »
3. CARACTÉRISTIQUES DES MATÉRIAUX
UTILISÉS
3.1. Sable (0/4)
Le sable utilisé est un sable de rivière de oued
Chlef, ayant les caractéristiques physiques suivantes :
- Equivalent de sable : ES = 90 %
- Module de finesse : MF = 2.90. Un module de finesse
élevé est préférable pour le sable utilisé
en BHP en vu de réduire la quantité d'eau utilisée [5].
- Densité absolue : ñ = 2,7
3.2. Gravier
Le gravier utilisé provient d'une Carrière de la
société Algérienne des Granulats (ALGRAN) sise à
Oued Fodda (Chlef), ayant les caractéristiques suivantes :
- Coefficient d'absorption : Ab = 2 %.
- Coefficient Los Angeles : LA = 23 %.
- Coefficient de forme Cv = 0.27
Pour le BHP le granulat idéal doit être
concassé, propre, de forme cubique, à angularité
réduite et contenant le moins possible de particule plates ou
allongées du fait de la faible résistance au plan de fissuration
de ces dernières [6,7].
3.3. Ciment
Le ciment utilisé est un Ciment Portland Composé
CPJ CEM II/A 42.5 produit de la cimenterie d'Oued Sly (Chlef).
3.4. Ajout minéral
Nous avons utilisé le « laitier de hauts
fourneaux » d'El Hadjar (Annaba) comme ajout minéral.
3.5. Adjuvant
L'adjuvant utilisé est un superplastifiant haut
réducteur d'eau commercialisé sous le nom de « MEDAFLOW
30 » produit par la société Granitex d'Oued Smar
(Alger).
3.6. Fibres d'acier
Il s'agit de fibres à crochets de type DRAMIX
fabriquées par BEKAERT (Belgique).
Tableau 1 : Caractéristiques des fibres
d'acier.
Forme
|
Longueur (mm)
|
Diamètre (mm)
|
Elancement (l/d)
|
Résistance à la traction (MPa)
|
|
35
|
0.55
|
65
|
1100
|
On peut incorporer des fibres d'acier dans les BHP chaque fois
que la fragilité du béton représente une limitation
à son utilisation. Par exemple, des fibres d'acier peuvent être
utilisées dans des régions où les risques sismiques sont
élevés, et dans des éléments où la
résistance au cisaillement du béton doit être
augmentée, et dans ce contexte, des chercheurs s'intéressent
actuellement au remplacement des armatures transversales par les fibres
métalliques du fait que le coût de la mise en place d'un grand
nombre de cadres peut devenir excessif et ou tout au moins plus coûteux
que celui des fibres [8].
Les fibres munies de crochets à chaque
extrémité sont celles qui présentent le plus d'avantages
à cause de leur bonne adhérence mécanique. Elles sont
fabriquées en acier étiré à froid et se
présentent sous forme de petites plaquettes de fibres (30 à 40
fibres), accolées avec un produit soluble dan l'eau, ce qui facilite
leur incorporation dans le béton et le malaxage. Au contact de l'eau de
gâchage, les fibres se libèrent aléatoirement dans la masse
du béton en reprenant leur élancement unitaire. On obtient ainsi
une meilleure homogénéité du matériau.
Ces fibres travaillent par déformation des crochets qui se
redressent lors du glissement de la fibre dans la matrice (Figure2).
 
Figure 2 : Les fibres à crochets
utilisées dans nos essais.
4. PROGRAMME expÉrimental
4.1. Composition des bétons
d'essais
Pour les besoins de cette étude, nous avons
confectionnés deux séries de trois poutres chacune (06 poutres),
et des éprouvettes cubiques de (10x10x10) cm pour évaluer la
résistance à la compression du béton à l'age de
l'essai.
· Trois poutres en Béton à Haute
Performance, désignées par BHP.
· Trois poutres en Béton à Haute
Performance avec ajout de Fibres d'acier, désignées par BHPF.
Tableau 2 : Composition massique en
(kg/m3) des béton expérimentés.
Béton
|
Sable 0/4
|
Gravier 3/8
|
Gravier 8/15
|
Ciment
|
Laitier
15 %
|
Eau
|
E/L
|
Adjuvant
1,5 %
|
Fibres
0,5 %
|
BHP
|
826
|
220
|
789,5
|
450
|
67,5
|
191,5
|
0,37
|
6,75
|
0
|
BHPF
|
918
|
220
|
698
|
450
|
67,5
|
191,5
|
0,37
|
6,75
|
40
|
La composition massique du mélange de chaque type de
béton est différente.
Pour le BHPF on a augmenté la quantité de sable
donc d'élément fin par rapport à celle du BHP, de 826
kg/m3 à 918 kg/m3. Alors que la quantité de
gravier (8/15) donc d'élément grossier a été
réduite de 789,5 kg/m3 pour le BHP à 698 kg/m3
pour le BHPF. Cette modification dans la quantité de sable
(augmentée) et de gravier (diminue) a pour but de faciliter
l'efficacité des fibres. En effet les gros obstacles ne permettent pas
aux fibres d'êtres homogènes dans le mélange et donc
efficace.
Toutes les poutres sont des models réduits qui ont les
mêmes dimensions 10 x 15 x 110 cm, chargées par une force
concentrée appliquée au milieu (flexion en trois points). Le
ferraillage de chaque série de poutres est 2T10 dans la zone tendue et
2T8 dans la zone comprimée et avec des cadres en Ø 6
espacées de 10 cm (Figure3). Le pourcentage d'armatures principales
ñ = 1.25 %.
2T8
? ?
? ?
Cadre 6
2T10
10
15
Cadre 6
100
5
5
2 T10
2 T8
Figure 3 : Ferraillage de la poutre
Les sections doivent être sous- armées pour nous
permettre d'observer le développement et l'évolution des fissures
sous chargement jusqu'à rupture.
4.2. Caractérisation des bétons
utilisés
La caractérisation des bétons a été
réalisée sur des éprouvettes cubiques (10x10x10) cm
testées en compression. L'âge du béton au moment de l'essai
des poutres a varié entre 57 et 62 jours. Les résistances du
béton des poutres d'une même série mesurées au jour
de l'essai n'ont pas varié dans de grandes proportions.
Tableau 3 : Propriétés
mécaniques des différents bétons
Spécimens
|
Âge (jours)
|
Résistances à
la compression
(MPa)
|
Résistances à
la traction
(MPa)
|
BHP 1
|
57
|
64,83
|
3,41
|
BHP 2
|
57
|
65,17
|
3,45
|
BHP 3
|
58
|
67
|
3,51
|
BHPF1
|
58
|
52,33
|
4,04
|
BHPF2
|
59
|
53,17
|
4, 05
|
BHPF3
|
62
|
54,25
|
4,15
|
4.3. Constatations et analyse des
résultats
L'étude expérimentale porte principalement sur
la mesure :
* Des ouvertures des fissures dans le béton à
l'aide d'un
« fissuromètre ».
* De l'espacement et longueurs des fissures.
* Des charges de première fissuration visible et de
rupture.
* Des flèches à mi-travée de la
poutre.
Les charges étaient appliquées par un
vérin hydraulique de 200 kN, transmettant les efforts à la poutre
par l'intermédiaire de rotule. La montée en charge s'est faite de
manière discontinue en respectant des paliers de 2 kN.
4.3.1. Courbes effort-flèche
Le tableau (4) présente les déplacements
maximaux en fonction des charges mesurées à mi-travée pour
les deux types des poutres (BHP et BHPF), et montrés dans les graphes
(4) et (5).
Tableau 4 : Flèches maximales
expérimentales des poutres en fonction des charges
Effort (kN)
|
Flèche (mm)
|
BHP
|
BHPF
|
BHP1
|
BHP2
|
BHP3
|
BHPF1
|
BHPF2
|
BHPF3
|
4
|
0,1
|
0,14
|
0,15
|
0,1
|
0,12
|
0,12
|
6
|
0,17
|
0,19
|
0,23
|
0,16
|
0,18
|
0,21
|
8
|
0,24
|
0,25
|
0,32
|
0,23
|
0,25
|
0,3
|
10
|
0,34
|
0,36
|
0,45
|
0,32
|
0,38
|
0,4
|
12
|
0,45
|
0,47
|
0,59
|
0,46
|
0,5
|
0,48
|
14
|
0,64
|
0,6
|
0,82
|
0,61
|
0,65
|
0,58
|
16
|
0,82
|
0,82
|
0,98
|
0,78
|
0,84
|
0,72
|
18
|
1,05
|
1,05
|
1,18
|
0,95
|
1
|
0,8
|
20
|
1,15
|
1,34
|
1,4
|
1,17
|
1,2
|
1,09
|
22
|
1,3
|
1,4
|
1,51
|
1,32
|
1,4
|
1,2
|
24
|
1,5
|
1,55
|
1,72
|
1,47
|
1,53
|
1,4
|
26
|
1,65
|
1,75
|
1,9
|
1,68
|
1,7
|
1,55
|
28
|
1,8
|
1,9
|
2,2
|
1,8
|
1,85
|
1,7
|
30
|
2
|
2,1
|
2,6
|
2,05
|
2,06
|
2
|
32
|
2,2
|
2,28
|
2,8
|
2,2
|
2,27
|
2,15
|
34
|
2,48
|
2,45
|
3,1
|
2,38
|
2,47
|
2,4
|
36
|
2,72
|
2,78
|
3,23
|
2,67
|
2,65
|
2,65
|
38
|
2,9
|
3
|
3,35
|
3,05
|
2,88
|
2,9
|
40
|
3,15
|
3,14
|
3,5
|
3,05
|
3,2
|
3
|
Les charges de fissuration (Pf) et de rupture
(Pu) des poutres sont regroupées dans le tableau (5). Il est
à noter que la charge de fissuration est déterminée comme
étant la charge causant la première fissure visible.
Tableau 5 : Charge de fissuration et
de rupture des poutres.
Nature de la Poutre
|
Pf (KN)
|
Pu (KN)
|
BHP -1-
|
17
|
44
|
BHP -2-
|
17
|
45,4
|
BHP -3-
|
17
|
43,2
|
BHPF -1-
|
19
|
48
|
BHPF -2-
|
18
|
46,4
|
BHPF -3-
|
16
|
46,6
|

Figure 4 : Courbe Effort - Flèche des
poutres en BHP.

Figure 5 : Courbe Effort - Flèche des
poutres en BHPF.
I
II
III

Figure 6 : Courbe Effort -
Flèche des poutres en BHP et BHPF.
L'allure des courbes effort-flèche est identique pour
toutes les poutres, elles montrent en général :
a)- Une partie linéaire où les
flèches sont proportionnelles aux efforts, ce qui traduit la phase
élastique, avant apparition de la première fissure (phase I).
b)- Une deuxième phase de
linéarité avec rabattement de la courbe sous l'influence de la
première fissure. Après l'apparition de la première
fissure, la poutre perd largement de sa rigidité (phase II).
c)- Une troisième phase plastique
très apparente (phase III), caractérisée par
l'augmentation des flèches à charge constante.
Ce comportement traduit le comportement ductile des sections
sous-armées telles que celles des spécimens testées.
On ne note pas de comportement fondamentalement différent,
en ce qui concerne l'ordre de grandeur des flèches, malgré les
différentes caractéristiques des poutres.
Cependant les spécimens en BHPF ont présenté
moins de flèche à toutes les étapes de chargement.
4.3.2. Processus d'apparition des fissures
Le processus d'apparition et de progression des fissures est
quantifié dans les tableaux (6) et (7).
Tableau 6 : Processus d'apparition et propagation
des fissures des poutres en BHP.
Spécimens
|
Caractéristique
de la fissuration
|
Effort appliqué (KN)
|
19
|
20
|
24
|
28
|
32
|
34
|
36
|
38
|
40
|
BHP1
|
Nombre de fissure
Longueur moyenne (cm)
Espacement moyen (cm)
Largeur maximale (mm)
|
3
1
9
|
0,02
|
5
9
0,04
|
4
0,08
|
6
6
10
0,2
|
8
0,22
|
7
9
10
0 ,24
|
0,3
|
7
10
0,5
|
BHP2
|
Nombre de fissure
Longueur moyenne (cm)
Espacement moyen (cm)
Largeur maximale (mm)
|
3
4
|
4
5
7
|
5
5
7
0,02
|
0,02
|
0,1
|
6
5
6
0,12
|
6
0,2
|
0,2
|
7
10
5
0,4
|
BHP3
|
Nombre de fissure
Longueur moyenne (cm)
Espacement moyen (cm)
Largeur maximale (mm)
|
3
2
10
0,02
|
4
3
10
0,04
|
5
3
11
0,15
|
7
5
11
0,3
|
0,4
|
|
|
|
8
10
9
0,4
|
Tableau 7 : Processus d'apparition et propagation
des fissures des poutres en BHPF.
Spécimens
|
Caractéristique
de la fissuration
|
Effort appliqué (KN)
|
19
|
20
|
24
|
28
|
32
|
34
|
36
|
38
|
40
|
BHPF1
|
Nombre de fissure
Longueur moyenne (cm)
Espacement moyen (cm)
Largeur maximale (mm)
|
1
1
|
0,02
|
2
3
10
0,06
|
4
5
8
0,14
|
6
5
6
0,2
|
0,22
|
|
|
6
5
0,22
|
BHPF2
|
Nombre de fissure
Longueur moyenne (cm)
Espacement moyen (cm)
Largeur maximale (mm)
|
2
2
8
0,04
|
0,04
|
3
4
9
0,1
|
4
5
10
0,14
|
0,2
|
|
0,22
|
5
7
8
|
7
7
8
0,22
|
BHPF3
|
Nombre de fissure
Longueur moyenne (cm)
Espacement moyen (cm)
Largeur maximale (mm)
|
3
4
8
0,04
|
4
4
9
0,04
|
0,07
|
5
5
8
0,1
|
6
5
6
0,12
|
|
0,18
|
8
5
5
0,2
|
8
5
0,2
|

Figure 7 : Courbe Flèche - Ouverture des
fissures des poutres en BHP.

Figure 8 : Courbe Flèche - Ouverture des
fissures des poutres en BHPF.
Les courbes Flèche- Ouverture des fissures
présentent deux phases principales :
a)- Une phase linéaire où les
ouvertures de fissure sont proportionnelles aux flèches.
Dans chaque courbe, l'apparition de la première fissure,
présente un palier relativement horizontal, ce qui traduit une
diminution de la rigidité de la poutre.
b)- Une phase non linéaire où les
ouvertures des fissures deviennent plus importantes par comparaison aux
flèches. Ceci traduit une phase d'endommagement du béton avant
rupture, c'est la phase plastique
Il faut noter que les poutres étudiées BHPF
présentent des avantages tels que :
- Un gain de résistance (endommagement ductile)
observé au niveau de la phase avant rupture (partie ascendante de la
courbe).
- Retardement de l'apparition de la première fissure et
empêchement de la formation et de développement d'une seule
fissure très ouvertes. En effet l'incorporation des fibres permet la
formation d'une série de fissures fines non nuisibles à la
poutre.
D'après les résultas, on peut dire que dans tous
les cas, la rupture a eu lieu par traction dans la zone à fort moment de
flexion, commençant par de grandes ouvertures des fissures verticales,
dans la zone tendue, et suivie d'un écrasement de la partie
comprimée du béton, qui avait été réduite
par la progression des fissures.
5. CONCLUSION
Le béton à haute performance présente une
meilleure aptitude à la fissuration sous les charges de service. Ceci
est dû à la résistance relativement améliorée
de ce matériau, que ce soit en compression ou en traction où
cette dernière dépasse le niveau de 4 MPa par comparaison
à 2 MPa pour le béton ordinaire.
D'une manière générale, le comportement du
matériau béton vis-à-vis de la fissuration, est
amélioré avec l'utilisation des fibres d'acier dans le
mélange. L'addition des fibres réduit la fragilité du
matériau et améliore sa ductilité, qualité
structurelle indispensable dans les régions à haut risque
sismique.
Les essais entrepris dans ce travail sur des poutres en BHP ont
montré que l'ajout de fibres, même en faible quantité,
améliore le comportement du matériau béton
vis-à-vis de la traction et limite l'ouverture des fissures d'une
manière appréciable. Dans ce sens, la formation des
premières fissures est retardée et une fois formées, ces
fissures restent relativement fines parce qu'elles sont couturées par
des fibres d'aciers.
Cependant l'efficacité des fibres dépend de leur
direction et de leur orientation au tour de la fissuration ainsi que de leur
forme et de leur dimension.
Cette même distribution des fibres à
l'intérieur du matériau dépend de la maniabilité
du mélange à l'état frais. La dimension des fibres varie
en sens inverse avec la maniabilité. Dans un mélange sec, les
fibres ne peuvent pas être distribuées uniformément dans le
matériau.
En Algérie, différents travaux de recherches sont
entrepris ça et là pour améliorer la qualité du
béton dans les constructions, particulièrement après la
catastrophe sismique de Boumèrdes et les dégâts
enregistrés au niveau des structures faites de ce matériau.
Cette catastrophe a montré encore une fois que la science des
matériaux, en particulier la technologie du matériau
béton, reste dominée par l'empirisme en Algérie à
un moment où sous d'autres cieux la barrière des 100 MPa a
été franchie à une échelle industrielle.
Le Béton à Haute Performance renforcé par
l'ajout de fibres d'acier peut constituer une solution de rechange au
béton ordinaire pour les constructions menacées par des actions
sismiques imprévisibles.
6. RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES
[1] F.Ansari, Stress-strain Response and Failure Surface of High
Strength Concrete
Under Generalized State of Stress; Proceeding of
International Congress:
Challenges of Concrete Construction, Conference 1:
Innovation and Development
in Concrete Constructions; Dundee, Scotland, 5-11 September
2002, PP 781-794.
[2] F.Larrard, « Formulation et propriétés
des bétons à très hautes performances » ;
rapport de recherche LCPC ; n°149, 1988,
France.
[3] M.HAMRAT, « Les bétons à
hautes performances », mémoire de magister,
Université de Chlef, 1996.
[4] De Larrard, F.et
Malier,Y ;« Propriétés constructives des
bétons à très
hautes performances : de la microstructure à la
macrostructure ; Annales de
l'ITPTB (497) (1989) 77-110.
[5] P.A. GUTIRREZ et M.F.CANOVAS, « High performance
concrete :
requirements for constituent materials and mix
proportioning , ACI Materials
journal, N°93-M26 :233-241, 1996.
[6] P.A. GUTIRREZ et M.F.CANOVAS, « High performance
concrete : requirements for constituent materials and mix proportioning ,
ACI Materials journal, N°93-M26 :233-241, 1996.
[7] M.HAMRAT, and M.CHEMROUK, « Béton à Haute
Performance : Etude
Expérimentale sur la formulation ; National Seminar
of Civil Engineering, Oran
(Algeria), January 2003.
[8] PIERRE CLAUDE
AÚTCIN.,"Bétons haute performance". Editions Eyrolles, 2001.
[9].Shdeed,E.et Kassoul,A., Prise en compte de la
ductilité dans les méthodes de
renforcement des anciens bâtis., Damascus University
Journal for the Engineering
sciences, Syria, Vol.18, 2002.
|
|