Memoire Online - Etude sur la fissuration en béton avec référence particulière au béton à haute performance

* T.TAHENNI, Etudiant Doctorant, Université des Sciences et de la Technologie Houari

E-mail : touhami_tahenni@yahoo.fr

RÉSUMÉ

Ce travail consiste à étudier le phénomène de la fissuration en béton et ses effets sur la capacité portante, sur la servicibilité et la durabilité et enfin sur la fonctionnalité des structures en béton armé, tout en examinant le cas particulier du Béton à Haute Performance.

Des essais de flexion à trois points ont été effectués sur des poutres en Béton Ordinaire, en Béton Ordinaire renforcé de Fibres d'aciers, en Béton à Haute Performance et enfin en Béton à Haute Performance renforcés en Fibres d'aciers.

Les résultats de cette expérimentation montrent que la quantité de fibres introduite dans le mélange du béton permet d'arrêter le développement des fissures et par conséquent de mieux contrôler l'ouverture des fissures et permettent aussi une amélioration relative de la résistance du béton vis-à-vis de la traction.

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.

Fissuration en béton- la traction du béton- béton à haute performance- béton à haute performance renforcé de fibres.

1. INTRODUCTION

Le béton est un matériau qui résiste très bien à la compression mais sa résistance à la traction est très faible (10 à 15 fois moins). Pour combler ce manque de résistance à la traction on lui associe l'acier pour obtenir le matériau composé qui est le béton armé.

Cependant, avant que le travail de l'acier ne soit mis en évidence, le matériau béton se fissure ou plutôt doit se fissurer pour transférer les efforts de traction aux aciers.

Cette fissuration ne doit en tout état de cause pas dépasser certaines limites en ouvertures, faute de quoi l'ouvrage en béton armé devient inservicible. Toutefois, la taille de ces fissures est réglementée et est limitée à environ 0,1 mm pour les ouvrages très exposés aux milieux agressifs, et à 0,3 mm pour les ouvrages protégés. Dans certains cas, l'exagération d'une fissuration conduit à la rupture d'éléments et donc l'effondrement de l'ouvrage en béton armé.

Dans certaines régions du monde, un béton est considéré comme de haute performance quand sa résistance dépasse 60MPa. En Algérie, il est admis que dès que la résistance dépasse 40MPa le béton peut être considéré comme de haute performance [1].

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

Ce matériau peut-il constituer une solution de rechange au Béton Ordinaire, particulièrement après la catastrophe sismique de Boumerdès et les dégâts enregistrés par les ouvrages en Béton Ordinaire, notamment ceux de faible qualité vis-à-vis des efforts qui tendent à le déchirer (effort de traction- effort tranchant).

2. CARACTÉRISATION DES MATÉRIAUX UTILISÉS

2.1. Sable (0/4)

Le sable utilisé est un sable de rivière de oued Chlef, ayant les caractéristiques physiques suivantes :

- Module de finesse : MF = 2.90. Un module de finesse élevé est préférable pour le sable

2.2. Gravier

Le gravier utilisé provient d'une Carrière de la société Algérienne des Granulats (ALGRAN) sise à Oued Fodda (Chlef), ayant les caractéristiques suivantes :

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 [4,5].

2.3. Ciment

Le ciment utilisé est un Ciment Portland Composé CPJ CEM II/A 42.5 produit de la cimenterie d'Oued Sly (Chlef), ses caractéristiques chimiques et minéralogiques sont présentées dans le tableau 1.

Tableau 1 : Composition chimique et minéralogique du ciment d'après le fabriquant.

Composition chimique (poids)
Chaux (CaO)	Silice (SiO₂)	Alumine (Al₂O₃)	Oxyde ferrique (Fe₂O₃)
65 à 70 %	18 à 24 %	4 à 8 %	1 à 6 %
4 Phases cristallines principales
Notation symbolique	Nom	Formule chimique	% en poids moyen
C₃S	silicate tricalcique ou alite	3CaO, SiO2	62
C₂S	silicate bicalcique ou bélite	2CaO, SiO2	22
C₃A	aluminate tricalcique	3CaO, Al₂O₃	8
C₄AF	alumino-ferrite tétracalcique	4CaO, Al₂O₃, Fe₂O₃	8

2.4. Ajout minéral

Nous avons utilisé le « laitier de hauts fourneaux » d'El Hadjar (Annaba) comme ajout minéral, ayant la composition chimique suivante :

2.5. 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).

La plage de dosage est déterminée suivant l'essai d'écoulement au cône de Marsch, qui consiste à mesurer le temps d'écoulement en fonction du dosage et ainsi la dose de saturation, nous avons trouvé un dosage optimum de 1,5 % du poids de ciment.

Caractéristiques

Propriétés et effets sur :

- Forme : liquide

- Couleur : jaunâtre

- PH : 6 - 6,5

- Densité : 1,07 #177; 0,01

- Teneur en chlore : <1g/l

Béton frais

Béton durci

- L'obtention d'un E/C très

faible.

- L'amélioration considérable

de la fluidité.

- Une très bonne maniabilité.

- Un long maintien de

l'ouvrabilité.

- D'éviter la ségrégation.

- De faciliter la mise en

oeuvre du béton.

- - D'augmenter les résistances

mécaniques à jeune âge et

à long terme.

- De diminuer la porosité.

- D'augmenter la durabilité.

- De diminuer le retrait et le

risque de fissuration.

2.6. Fibres d'acier

Il s'agit de fibres à crochets de type DRAMIX fabriquées par BEKAERT (Belgique).

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.

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.

Béton	Sable (0/4)	Gravier 3/8	Gravier 8/15	Ciment	Laitier 15 %	Eau	E/L	Adjuvant 1,5 %	Fibres 0,5 %
BO	865	231	827	350	0	175	0,55	0	0
BOF	961	231	730,5	350	0	175	0,55	0	40
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

3. PROGRAMME expérimental

* Des ouvertures des fissures dans le béton à l'aide d'un « fissuromètre ».

Pour cette campagne d'essai, nous avons réalisé quatre séries de trois poutres chacune;

(12 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 Ordinaire avec ajout de Fibre d'acier, désignées par BOF.

· Trois poutres en Béton à Haute Performance avec ajout de Fibre d'acier, désignées par

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 (figure1). Le pourcentage d'armatures principales ñ = 1.25 %.

Les sections doivent être sous- armées pour nous permettre d'observer le développement et l'évolution des fissures sous chargement jusqu'à rupture.

4. CONSTATATIONS ET ANALYSE DES RESULTATS

L'âge du béton au moment de l'essai des poutres a varié entre 57 et 62 jours.

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.

4.1. Processus d'apparition des fissures

Le processus d'apparition et de progression des fissures est quantifié dans les tableaux

6 (a), (b), (c) et (d), et schématisé dans les figures 2 (a), (b), (c) et (d).

Tableau 6 (a) : Processus d'apparition et propagation des fissures des poutres en BO.

Spécimens

Caractéristique

de la fissuration

Effort appliqué (KN)

BO₁

Nombre de fissure

Longueur moyenne (cm)

Espacement moyen (cm)

Largeur maximale (mm)

0,1

10,2

0,14

0,24

6,2

0,3

6,3

8,5

0,36

7,2

9,3

0,36

7,5

0,4

10,3

1,4

0,4

BO₂

Nombre de fissure

Longueur moyenne (cm)

Espacement moyen (cm)

Largeur maximale (mm)

0,02

11,5

0,04

0,12

3,5

0,2

4,7

0,22

6,5

0,24

0,25

12,5

0,8

BO₃

Nombre de fissure

Longueur moyenne (cm)

Espacement moyen (cm)

Largeur maximale (mm)

0,1

0,12

0,2

0,28

0,3

0,38

1,2

Tableau 6 (b) : Processus d'apparition et propagation des fissures des poutres en BOF.

Spécimens	Caractéristique de la fissuration	Effort appliqué (KN)
		19	20	24	28	32	34	36	38	40
BOF₁	Nombre de fissure Longueur moyenne (cm) Espacement moyen (cm) Largeur maximale (mm)	2 1 7 0,04	0,1	3 4 8 0,14	6 5,8 8 0,19	7 8 0,22	6 0,24	0,28	8 7 7 0,30	8 11,4 1
BOF₂	Nombre de fissure Longueur moyenne (cm) Espacement moyen (cm) Largeur maximale (mm)	3 2 8	4,5	5 10 0,12	6 5 10 0,20	7 7 10 0,24	0,25	0,26	0,3	8 9 8 1,6
BOF₃	Nombre de fissure Longueur moyenne (cm) Espacement moyen (cm) Largeur maximale (mm)	4 9		3,5 0,04	6 3,6 10 0,04	8 4 7 0,18	0,2	9 6 7,5 0,2	0,24	9 10 0,4

Tableau 6 (c) : 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 6 (d) : 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

Les charges de fissuration (P_f) et de rupture (P_u) des poutres sont regroupées dans le tableau (7). Il est à noter que la charge de fissuration est déterminée comme étant la charge causant la première fissure.

Nature de la Poutre	P_f (KN)	P_{f moy} (KN)	P_u (KN)
BO -1-	15	15	42,6
BO -2-	16		38
BO -3-	14		41,8
BOF -1-	16	16	40
BOF -2-	16		40,4
BOF -3-	16		42,4
BHP -1-	17	17	44
BHP -2-	17		45,4
BHP -3-	17		43,2
BHPF -1-	19	18	48
BHPF -2-	18		46,4
BHPF -3-	16		46,6

Dans tous les spécimens testés, la rupture a eu lieu par traction, commençant par des 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.

Figure 5 : Courbe Effort -Ouverture des fissures des poutres en BHP et BHPF.

Figure 6 : Courbe Effort -Ouverture des fissures des poutres en BOF et BHPF.

Les courbes Effort - Ouverture des fissures présentent deux phases principales :

a)- Une phase linéaire où les ouvertures de fissure sont proportionnelles aux efforts.

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 de fissure deviennent plus importantes par comparaison aux efforts. Ceci traduit une phase d'endommagement du béton avant rupture, c'est la phase plastique.

Il faut noter que les poutres confinées (BOF, 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 les fissures permettent de 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 est un matériau qui se fissure sous l'effet des contraintes de traction.

A des niveaux de contraintes dépassant à peine quelques méga- pascals (

= 2MPa), le matériau se déchire et donc se fissure en raison de sa faible résistance à la traction qui varie entre 1/10 et 1/15 de sa résistance en compression.

La fissuration, qui est un phénomène hasardeux, peut être causée par des facteurs physiques tels que le retrait et les variations de température ou par des facteurs mécaniques directement liés au chargement.

En terme structurel, la fissuration diminue la rigidité des éléments en béton comme constaté expérimentalement dans le présent travail. Dans le cas extrême, elle peut précipiter des effondrements comme révélé par le séisme du 21 Mai 2003 où des fissures préexistantes non traitées et non contrôlées ont initié des ruptures catastrophiques d'un certain nombre de constructions. Du point de vue fonctionnalité, les fissures peuvent entraîner la déperdition des liquides dans le cas des structures hydrauliques et donc affectent la fonction elle-même d'une structure. L'aspect esthétique, et donc la servicibilité d'une structure, peut sérieusement être affecté par une fissuration non contrôlée.

La fissuration apparaît donc comme un inconvénient majeur du matériau béton dans le sens où elle représente des voies de passage à tous les corps étrangers nuisibles, liquides ou gazeux, vers l'intérieur du béton. Suit par la suite le processus de détérioration du béton lui même ou des aciers noyés à l'intérieur qui corrodent. Le dépôt de corrosion, à son tour, fait éclater le béton qui enveloppe les aciers et l'on assiste à un processus continu de dégradation du matériau béton armé et donc de la structure.

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 4MPa par comparaison à 2MPa pour le béton ordinaire.

D'une manière générale, le comportement du matériau béton vis-à-vis de la fissuration, aussi bien le béton ordinaire que le béton à haute performance, 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 béton ordinaire et 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 très fines parce que 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.

6. RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

[1] M.CHEMROUK, «Etude des Ingrédients du Mélanges pour formuler un Béton Hautement Performant et Durable », 1^er séminaire sur les technologies du béton : le Béton, Perfection et Incertitudes ; 18-19 Septembre 2004, Alger.

[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] 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.

[5] M.HAMRAT, and M.CHEMROUK, « Béton à Haute Performance: Etude expérimentale sur la formulation; National Seminar of Civil Engineering, Oran (Algeria), January 2003.

Etude sur la fissuration en béton avec référence particulière au béton à haute performance

FISSURATION EN BÉTON AVEC RÉFÉRENCE

PARTICULIÈRE AU BÉTON À HAUTE PERFORMANCE

E-mail : touhami_tahenni@yahoo.fr

RÉSUMÉ

1. INTRODUCTION

2. CARACTÉRISATION DES MATÉRIAUX UTILISÉS

2.1. Sable (0/4)

2.2. Gravier

2.3. Ciment

2.4. Ajout minéral

2.5. Adjuvant

2.6. Fibres d'acier

3. PROGRAMME expérimental

4. CONSTATATIONS ET ANALYSE DES RESULTATS

4.1. Processus d'apparition des fissures

5. CONCLUSION

6. RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES