Le béton fibré-(FRC) fait référence à un matériau composite à base de ciment-composé de pâte de ciment, de mortier ou de béton comme matrice et de fibres comme renfort. Le béton fibré-, également connu sous le nom de béton fibré, fait généralement référence à un matériau composite à base de ciment - composé de pâte de ciment, de mortier ou de béton comme matrice et de fibres courtes discontinues ou de fibres longues continues comme renfort. Les fibres peuvent contrôler le développement ultérieur de fissures dans la matrice de béton, améliorant ainsi la résistance aux fissures. La résistance élevée à la traction et l'allongement des fibres améliorent les résistances à la traction, à la flexion et aux chocs, l'allongement et la ténacité du béton. Les principaux types de béton de fibres comprennent l'amiante-ciment, le béton de fibres d'acier, le béton de fibres de verre, le béton de fibres de polypropylène, le béton de fibres de carbone, le béton de fibres végétales et le béton de fibres synthétiques à module d'élasticité élevé. Il s'agit d'un terme général désignant les matériaux composites composés de fibres et de matériaux à base de ciment - (pâte de ciment, mortier ou béton). Les principaux inconvénients de la pâte de ciment, du mortier et du béton sont une faible résistance à la traction, un faible allongement ultime et une fragilité. Ces inconvénients peuvent être surmontés en ajoutant des fibres présentant une résistance à la traction élevée, un allongement ultime élevé et une bonne résistance aux alcalis.
Le rôle de la fibre dans le béton :
Le béton ordinaire est un matériau fragile, présentant déjà de nombreuses microfissures avant chargement. Sous l’effet de forces extérieures croissantes, ces microfissures s’étendent progressivement et finissent par former des macrofissures, entraînant une défaillance du matériau. L'ajout d'une quantité appropriée de fibres prévient et inhibe la croissance des microfissures, améliorant considérablement les résistances à la traction et à la flexion, ainsi que l'énergie de rupture, du matériau composite par rapport à la matrice de ciment non renforcée. Différents types de fibres améliorent l'imperméabilité du béton, la résistance au gel-dégel, la résistance à la pénétration des ions chlorure et la résistance à la carbonatation à des degrés divers. Le béton fibré-utilise principalement des fibres courtes avec un rapport d'aspect spécifique (le rapport entre la longueur des fibres et leur diamètre). Cependant, des fibres longues (telles que des mèches en fibre de verre et un film fibré en polypropylène) ou des produits en fibres (tels qu'un treillis en fibre de verre et un mat en fibre de verre) sont parfois utilisés. La résistance à la traction ultime peut être augmentée de 30 -50 %. La fonction principale des fibres dans le béton fibré-est de limiter la croissance des fissures dans la matrice cimentaire sous l'effet de forces externes. Dans la phase initiale de chargement (tension et flexion), lorsque les ingrédients sont appropriés et qu'un agent réducteur d'eau -à haute efficacité approprié -est ajouté, la base de ciment et les fibres supportent ensemble la force externe, la première étant le principal porteur de la force externe ; lorsque la base se fissure, les fibres situées à travers les fissures deviennent les principaux porteurs de la force externe. Supposons que le contenu volumique de la fibre dépasse une certaine valeur critique. Dans ce cas, l’ensemble du matériau composite peut continuer à résister à des charges plus élevées et à produire des déformations plus importantes jusqu’à ce que les fibres soient cassées ou arrachées du matériau de base, détruisant ainsi le matériau composite. Comparé au béton ordinaire, le béton fibré a une résistance ultime à la traction et à la flexion plus élevée, en particulier une amélioration de la ténacité.
Classifications courantes des fibres
Les fibres peuvent être classées en fonction de leurs propriétés matérielles :
① Fibres métalliques, telles que les fibres d'acier (béton renforcé de fibres d'acier) et les fibres d'acier inoxydable (adaptées au béton résistant à la chaleur).
② Fibres inorganiques, principalement des fibres minérales naturelles (chrysotile, crocidolite, amosite, etc.) et des fibres minérales artificielles -(fibres de verre résistantes aux alcalis-, fibres de carbone telles que la laine minérale résistante aux alcalis-).
③ Fibres organiques, principalement des fibres synthétiques (polyéthylène, alcool polyvinylique, nylon, polyimide aromatique, etc.) et des fibres végétales (sisal, agave, etc.). Le béton renforcé de fibres synthétiques ne doit pas être utilisé dans des environnements dont la température dépasse 60 degrés.
En fonction de leur module élastique, les fibres peuvent être divisées en deux grandes catégories :
Les fibres ayant un module élastique inférieur à celui de la matrice de ciment sont appelées fibres flexibles, notamment les fibres de polypropylène, les fibres de nylon et les fibres de cellulose.
Les fibres ayant un module élastique supérieur à celui de la matrice sont appelées fibres rigides, telles que les fibres d'acier, les fibres de verre et les fibres de carbone.
Fibres de béton courantes et leurs caractéristiques
Fibre d'acier
Le béton formulé en incorporant une quantité appropriée de fibres d'acier dans du béton ordinaire est appelé béton de fibres d'acier ou béton renforcé de fibres d'acier. Par rapport au béton ordinaire, sa résistance à la traction, sa résistance à la flexion, sa résistance à l'usure, sa résistance aux chocs, sa résistance à la fatigue, sa ténacité, sa résistance aux fissures et sa résistance aux explosions sont considérablement améliorées. Les fibres de type crochet d'extrémité-coupées en fil d'acier à haute résistance-de type crochet-, les fibres de type crochet d'extrémité-fraisées en lingot-, les fibres de forme spéciale-cisaillées et les fibres étirées en acier allié à faible-fonte-sont de plus en plus utilisées dans les projets d'ingénierie en raison de leur liaison améliorée avec la matrice de béton, empêchant considérablement les fissures, le renforcement et le durcissement du béton.
Avantages et inconvénients
L'avantage technique de la fibre d'acier réside dans sa capacité à augmenter la ténacité et la résistance à la traction du béton. Cependant, les fibres d'acier ont tendance à s'agglutiner pendant le mélange, ce qui entraîne une mauvaise maniabilité, un pompage difficile, une construction difficile et une susceptibilité à la rouille. De plus, le béton de fibres d'acier est lourd et nécessite une production d'acier importante, ce qui augmente la consommation et les coûts d'acier. La principale forme de rupture des fibres d'acier pendant l'utilisation est l'arrachement plutôt que la rupture, ce qui indique que l'adhérence des fibres d'acier au béton est insuffisante, ce qui affectera l'amélioration de la résistance à la traction du béton. Le principe du durcissement et du renforcement est que lorsque des fissures se produisent, le module élevé de l'acier et la haute résistance à la traction d'une seule fibre empêchent les fissures de se développer davantage ; cependant, en raison du nombre limité, l'effet de retenue des microfissures n'est pas significatif et l'amélioration des propriétés anti-infiltration, gel-dégel et autres n'est pas évidente. De plus, la densité des fibres d'acier est trop élevée lors de la construction, et elles coulent souvent au fond du béton lors des vibrations et du coulage, rendant impossible leur répartition uniforme. C’est la principale raison pour laquelle les conclusions théoriques de la recherche sont bonnes, mais les effets réels des applications varient considérablement.
Fibre de carbone
Fibre de carboneest un matériau composite dans lequel les fibres de carbone sont uniformément dispersées dans une matrice de ciment pour améliorer les propriétés physiques et mécaniques du béton. Les principales caractéristiques du béton en fibre de carbone comprennent d'excellentes propriétés mécaniques, une imperméabilisation et une résistance aux variations naturelles de température, que l'on ne retrouve pas dans le béton armé conventionnel. Il présente également des propriétés chimiques stables, une résistance mécanique -de longue durée et une stabilité dimensionnelle dans des environnements hautement alcalins.
Le remplacement de l'acier par de la fibre de carbone élimine la dégradation et la détérioration du béton armé causées par l'eau salée, réduisant ainsi le poids des composants du bâtiment, facilitant l'installation et la construction et raccourcissant les délais de construction. La fibre de carbone possède également des propriétés d'amortissement des vibrations-, absorbant les ondes de choc et augmentant la résistance sismique et la résistance à la flexion de plus de dix fois. Le béton en fibre de carbone présente une résistance élevée à la traction, à la flexion, à la rupture et à la corrosion. En raison de son faible coefficient de dilatation, le béton en fibre de carbone présente une excellente résistance à la chaleur et une déformation thermique minimale.
La fonction première de la fibre de carbone dans le béton de fibre de carbone est d'empêcher la propagation de microfissures au sein du béton et d'empêcher l'apparition et le développement de macrofissures. Par conséquent, sa résistance à la traction et ses résistances au cisaillement, à la flexion et à la torsion, qui sont principalement contrôlées par la contrainte de traction principale, sont considérablement améliorées ; en même temps, il présente une résistance élevée à la déformation de la matrice, améliorant ainsi sa résistance à la traction, à la flexion et aux chocs. Lorsque la fraction volumique de fibres de carbone est de 1,18 %, la résistance à la traction par rupture de l'éprouvette augmente de 1,2 %. Selon la règle composite, l’effet renforçant de la fibre de carbone devrait augmenter avec l’augmentation de la teneur en fibres du ciment. Lorsque le pourcentage pondéral de fibre de carbone est inférieur à 5 %, cette relation est quasiment linéaire. Lorsque la teneur augmente encore, la fibre de carbone est difficile à disperser uniformément dans la matrice, et l'effet de renforcement ne peut pas être obtenu, et même la résistance à la traction du béton en fibre de carbone est réduite. De plus, le béton en fibre de carbone présente également une bonne résistance à la corrosion, une bonne résistance à la perméabilité, une bonne résistance à l'usure, une bonne résistance au retrait et une bonne durabilité.
Fibre de verre
Le béton renforcé de fibres de verre (GFRC) est un matériau composite fabriqué en répartissant uniformément des fibres de verre résistantes aux alcalis-avec un module d'élasticité élevé dans le mortier de ciment ou le béton conventionnel. Étant donné que le diamètre des fibres de verre n'est que de 5 à 20 μm, presque identique à celui des particules de ciment, le liant utilisé dans les GFRC est de la pâte de ciment ou du sable fin, pratiquement sans granulats grossiers. Par conséquent, les matériaux composites fabriqués avec ce matériau sont également appelés ciment renforcé. GFRC est une future tendance de développement dans l’ingénierie de la construction. Non seulement il surmonte les défauts des produits en béton conventionnels, tels que leur poids élevé, leur faible résistance à la traction et leur faible résistance aux chocs, mais il possède également des propriétés que l'on ne retrouve pas dans le béton conventionnel. Les produits GFRC sont plus fins et plus légers. Parce qu'ils utilisent des fibres de verre à très haute résistance à la traction comme renfort, ils possèdent une résistance à la traction élevée. La répartition uniforme des fibres de verre dans le béton évite les fissures superficielles. Parce qu’ils absorbent une énergie importante lors des dommages, ils présentent une excellente résistance aux chocs et une résistance élevée à la flexion. Les produits GFRC offrent également d'excellentes propriétés de démoulage et sont faciles à traiter, ce qui les rend facilement adaptables à diverses formes.
Béton de fibres de polypropylène
Le béton de fibres de polypropylène est un matériau composite fabriqué en répartissant uniformément des fibres de polypropylène coupées à une longueur spécifique dans un mortier de ciment ou une matrice de béton conventionnelle pour améliorer les propriétés physiques et mécaniques de la matrice. Ce béton fibré-offre des avantages tels qu'une légèreté, une résistance à la traction élevée et une résistance aux chocs et à la fissuration. Les fibres de polypropylène peuvent également remplacer partiellement les armatures en acier pour réduire le poids du béton, augmentant ainsi la résistance sismique de la structure.
Le béton de fibres de polypropylène est le béton le plus étudié et le plus appliqué. Selon la forme et la structure des fibres, les fibres de polypropylène peuvent être classées en monofilaments, faisceaux de fibres fibrillées parallèles et fibres en film. Les monofilaments ont un allongement élevé, tandis que des faisceaux de fibres fibrillées parallèles peuvent être facilement dispersés dans la matrice de ciment. Bien que la liaison chimique soit limitée, la liaison mécanique est forte, empêchant les fibres de s'arracher sous l'effet des contraintes.
Bien que les fibres de polypropylène aient une résistance à la traction supérieure à celle du béton conventionnel, leur module élastique est relativement faible, ce qui les rend sujettes à des déformations extrêmes dans des conditions de contraintes élevées. Cependant, lorsqu’une quantité appropriée de fibre de polypropylène est ajoutée, la résistance aux chocs de ce matériau composite est bien supérieure à celle du béton ordinaire. Cela a permis de trouver un moyen très prometteur de produire des composants soumis à de faibles charges mais avec une résistance aux chocs et une ténacité élevées. De plus, la fibre de polypropylène est résistante à la rouille- et présente une bonne résistance aux acides et aux alcalis.
Fibre de basalte
La fibre de basalte continue (CBF) est un matériau fibreux inorganique fabriqué à partir de roche extrusive volcanique naturelle pure. Il est rapidement étiré après avoir été fondu à une température élevée de 1450 à 1500 degrés. Il a un aspect brun doré, d'excellentes performances globales et un prix bas.
Caractéristiques de la fibre de basalte :
(1) Naturalité des matières premières. Étant donné que les matières premières pour la production de CBF dépendent de roches volcaniques extrusives naturelles, en plus de leur haute stabilité chimique et thermique inhérente, elles ne contiennent aucun composant nocif pour la santé humaine.
(2) Performances complètes. La fibre de basalte est une fibre véritablement « multi-fonctionnelle ». Par exemple, il est résistant aux acides-résistant aux alcalis-résistant aux basses-températures-résistant aux-températures-résistantes, à la-isolation thermique, isolant électrique et-insonorisant. Sa résistance à la traction dépasse celle des fibres de carbone à gros câble-, et son allongement à la rupture est meilleur que celui des fibres de carbone à petit câble-. Le CBF a une surface polaire et une excellente mouillabilité interfaciale lorsqu'il est mélangé à de la résine. Le CBF a également des dimensions moléculaires tridimensionnelles qui, par rapport aux fibres polymères linéaires aux dimensions moléculaires unidimensionnelles, ont une résistance à la compression, une résistance au cisaillement et une adaptabilité aux environnements difficiles et une résistance au vieillissement, entre autres excellentes propriétés globales.
(3) Faible coût. Le prix de la fibre de basalte utilisée dans le béton de ciment n'est pas élevé, nettement inférieur à celui de la fibre d'acier, de la fibre de carbone, etc., et comparable à celui des fibres synthétiques.
(4) Compatibilité naturelle. La fibre de basalte est une fibre silicatée typique. Il est facile à disperser lorsqu'il est mélangé avec du ciment, du béton et du mortier. Le béton de fibres de basalte fraîchement mélangé a un volume stable, une bonne maniabilité et une bonne durabilité. Il présente une excellente résistance aux températures élevées, une résistance aux infiltrations et aux fissures ainsi qu'une résistance aux chocs. De plus, la fibre de basalte est plus résistante aux alcalis-que le verre résistant aux alcalis-.
Applications du-béton renforcé de fibres
Le béton fibré-est utilisé dans diverses applications, en fonction de la capacité du constructeur à exploiter les propriétés statiques et dynamiques du matériau. Certaines applications incluent les pistes, les parkings, les trottoirs, les revêtements de tunnels, la stabilité des pentes, les coques, les murs, les tuyaux, les plaques d'égout, les barrages, les structures hydrauliques, les viaducs, les routes, les ponts et les sols d'entrepôts.
La fibre joue un rôle essentiel dans l’amélioration des performances et de la durabilité du béton. Qu'il s'agisse de fibre d'acier, de fibre de verre, de fibre de polypropylène ou de fibre naturelle, chaque type présente des avantages uniques et convient à différents besoins de construction. En sélectionnant correctement le type et le dosage de fibres, les ingénieurs peuvent non seulement améliorer efficacement la résistance aux fissures, la ténacité et la résistance à long terme du béton, mais également réduire considérablement les coûts de maintenance ultérieurs. À mesure que la technologie de la construction continue de progresser, le béton fibré- devient une solution clé pour créer des structures plus solides, plus sûres et plus durables.
