Mix design and mechanical behaviour of some steel-fibre-reinforced concretes used in reinforced concrete structures

Abstract

This article examines the mechanical behaviour of metal-fibre-reinforced concretes (MFRCs) on two different scales: that of the material and that of the structure. As regards the intrinsic mechanical behaviour of the material, defined as the behaviour observed before the stage of crack localization, it is shown that with MFRCs having the workability of a concrete (a method for optimizing the compositions of MFRCs is proposed) for use in reinforced concrete structures, the compressive and tensile strengths are in all cases less than those of a conventional concrete. On the scale of the structure, on the other hand, the fibres transmit forces across a macrocrack just like the reinforcements of a reinforced concrete. It is therefore on the scale of the structure, and not on that of the material, that metal fibres add ductility.

Résumé

Lorsque l’on considère la littérature portant sur le comportement mécanique des bétons de fibres métal-liques (BFM), on constate que les informations obtenues sont très nombreuses et souvent contradictoires. Ainsi que cela concerne les résistances mécaniques, les problèmes d’adhérence entre les armatures de béton armé et les BFM, ou encore les problèmes de ductilité, les résultats présentés par les divers chercheurs qui travaillent dans ce domaine, sont souvent très différents. Il y a, à notre avis, deux raisons à ce constat:

• (i) il n’existe pas, pour ce qui nous concerne, un matériau unique qui s’appelle BFM, mais autant de composites fibrés différents qu’il existe de domaines d’application pour ceux-ci. Cela veut dire que, en fonction de l’application industrielle visée et donc des spéci-ficités réclamées pour le BFM, on aboutira à un matériau particulier dont la composition sera optimisée (c’est de l’ingéniérie du matériau).

• (ii) les chercheurs ne précisent généralement pas clairement, ce qui est, dans leurs essais, relatif au comportement du matériau à proprement parler ou au comportement de la structure que constitue l’éprouvette. Par conséquent, il est très difficile, dans leurs études, de distinguer l’influence des fibres métalliques à l’échelle du matériau et à l’échelle de la structure.

Dans la présente étude, on s’efforce donc, d’une part, de définir le domaine d’application que l’on vise pour nos BFM, qui sert par conséquent de domaine de validité pour nos résultats, et d’autre part de définir des essais qui nous permettent de bien distinguer l’influence des fibres métalliques aux deux échelles introduites précédemment.

Ces cinq dernières années quelques recherches ont été menées sur le plan international afin d’étudier la possibilité d’étendre le domaine d’application habituel des BFM (dallages industriels, béton projeté dans les tunnels, divers types de réparation de structures existantes...) au cas des structures classiques en béton armé et en béton précontraint (bâtiments, ouvrages d’art...).

L’idée motrice de ce type de recherche est de déterminer si oui ou non il est envisageable de remplacer la totalité ou une très grande partie des cadres de reprise d’effort tranchant par des fibres métalliques (à l’exception bien évidemment des cadres de construction). Avant d’étudier une structure réelle soumise à l’effort tranchant, nous avons préféré faire un travail plus en ‘amont’, en nous attachant à approfondir ce que l’ajout de fibres métalliques peut apporter au niveau des résistances mécaniques du matériau composite et au niveau de la reprise des efforts à travers une macrofissure.

L’étape initiale de notre travail consiste donc à élaborer des compositions de BFM qui doivent avoir toutes les qualités rhéologiques requises pour des bétons de structure. Or la première qualité que l’on réclame pour ce type de béton est sabonne maniabilité. En effet, il est tout à fait inconcevable (tout du moins en France) d’accepter de mettre en place sur chantier ou dans une usine de préfabrication des bétons n’ayant pas une maniabilité suffisante.

Nous avons pour cela adapté aux BFM, une méthode de composition générale, connue en France sous le nom de la méthode Baron-Lesage. Son principe peut se résumer ainsi: à partir d’un rapport eau/ciment, d’un type de fibre, d’un pourcentage de fibres donnés, la méthode permet d’optimiser le squelette granulaire du BFM (détermination du rapport sable/granulats optimal) en fonction de la maniabilité souhaitée.

Les fibres Dramix R de la société Bekaert (fibres tréfilées se présentant sous forme de ‘plaquettes’ et munies de crochets) ont été utilisées dans notre étude.

Les principaux résultats que l’on peut tirer de ce travail sont les suivants:

• 1. En ce qui concerne le comportement mécanique intrinsèque au matériau, défini comme le comportement que l’on observe avant la phase de localisation de la fissuration, il est montré que, pour les BFM dont la maniabilité correspond à celle de bétons employés dans des structures en béton armé ou en béton précontraint, les résistances à la compression et à la traction sont toujours inférieures à celles d’un béton classique et leur ductilité peu augmentée.

• 2. A L’échelle de la structure par contre, c’est à dire après la localisation de la fissuration, les fibres, en transmettant les efforts à travers une macrofissure, de la même manière que le font les armatures dans le béton armé, apportent un accroissement de ductilité à la structure. Ce rôle semble être rempli de manière optimale par 1% de fibres Dramix de longueur 30 mm.