Les bétons de fibre (3/8) – Mécanismes d’action des fibres dans le béton

Après une rapide description du fonctionnement composite des matériaux, nous passerons en revu l’état de la compréhension des phénomènes de fissuration, d’action des fibres dans le matériau. Nous étudierons la microstructure de ce matériau aux travers des différents articles, afin de comprendre le comportement à l’échelle du matériau.

Comportement des matériaux composites et spécificité des BFM

Le béton présente des propriétés mécaniques de constitution liées à sa nature même. Il existe dans le cas de l’étude des BFM des propriétés très importantes qui ont été découvertes suite à l’étude et à la caractérisation des comportements des composites. Rappelons que certaines analogies ont été constatés lors de la lecture des articles entre l’étude des matériaux cimentaires et céramiques.

Modes d’ouvertures des fissures dans un matériau

Nous considérons dans ce paragraphe un solide fissuré (pièce de béton par exemple) soumis à une sollicitation mécanique. L’étude de la mécanique de la rupture nous à permis de d’établir trois modes d’ouverture des fissures, selon l’orientation relative de la contrainte appliquée par rapport à la fissure. Le premier mode (mode I) est celui dans lequel la contrainte est appliquée perpendiculairement au plan de la fissure tel que dessiné sur le schéma ci-dessous. En mode II, les contraintes s’appliquent sous forme d’une scission ou cisaillement dans le plan de la fissure. Enfin, en mode III, la sollicitation est perpendiculaire à la fissure, créant le cisaillement longitudinal.

Le mode I est le mode susceptible d’entrainer le plus vite la rupture du matériau. A l’échelle de la microstructure, ce mode oblige la matrice à être mise en tension (traction). Les modes 2 et 3 sont considérés comme secondaires. En effet le plan de fissuration est très souvent irrégulier, ce qui amène une dissipation de l’énergie plus importante, par frottement au niveau du plan de la fissure : le matériau résiste donc mieux.

Il est donc envisagé dans les différentes études théoriques, ainsi que dans les modélisations consultées, d’étudier l’ouverture des fissures d’un béton de fibre en mode I.

Loi de comportement d’un matériau composite

Dans ce paragraphe, nous considérons une approche simple permettant de décrire les caractéristiques fondamentales d’un matériau composite. Le but est de comprendre quelle est la résistance du composite en considérant celle de ces constituants. Une observation rapide du diagramme contraintes- déformation dans le domaine élastique permet de comprendre le fonctionnement global mesuré sur le matériau.[P.Pascal, 1999]

Considérons un béton renforcé d’une fraction volumique Vf . La fraction volumique de la matrice est alors 1- Vf . On peut alors déduire une expression des contraintes au sein du matériau.

En affirmant que les déformations sont uniques, c’est-à-dire

On exprime le module d’élasticité du composite formé. Les graphiques ci-dessous présentent les courbes théoriques du matériau et de ces constituants. On remarque que la rupture du matériau est décalée par l’action du renfort. Le module d’élasticité est plus grand et la phase plastique est allongée. Le matériau acquière une ductilité, propriété très intéressante dans le génie civil.

Lorsqu’il y a rupture, on en déduit la contrainte maximum à observer dans le béton .On obtient la contrainte moyenne du composite. Ces observations sont valides pour la description de la phase élastique. Cependant, le comportement du matériau dans le domaine plastique est plus complexe et nécessite une présentation approfondi. On peut néanmoins expliquer que la phase « purement » plastique correspond à l’observation d’une droite horizontale. En réalité le matériau peut être adoucissant (pente négative) ou écrouissant (pente positive). Dans le cas des BFUP par exemple le comportement observé est écrouissant (voir figure 2).

Fissuration du béton

En premier lieu il est important de rappeler que l’on entend par microfissure, une fissure qui peut être considérée comme petite à l’échelle de l’élément ou de la structure considérée par opposition à une macro fissure. Dans le cas d’une sollicitation en traction d’un béton «ordinaire », l’ouverture de la fissure dépend de la longueur de la fissure. Ainsi, plus une fissure est ouverte, plus elle est longue. Le paragraphe suivant détail les différentes étapes du processus de fissuration du béton : fissuration diffuse, apparition d une macro fissure, puis propagation et rupture.

Dans le cas d’un béton sollicité en traction, l’analyse menée par certaines recherches [P.Rossi], apportent une explication sur les phénomènes de fissuration en distinguant le comportement de structure du comportement du matériau.

Processus de microfissuration et de macrofissuration

Les chercheurs s’accordent globalement sur la description du phénomène physique que constitue l’apparition, la propagation et l’agrandissement des fissures. Nous présentons dans ce paragraphe, le comportement d’ensemble décrit par [Casanova, 1995] et [Rossi,1998].

Considérons un volume de béton sollicité en traction uni axiale. Le phénomène de fissuration peut se décomposer en trois étapes :

Dans un premier temps on observe un comportement au niveau micro-structurel de micro fissuration diffuse. Pour des niveaux de chargement faible dans la zone élastique, la création de micro fissuration à lieu au niveau des hétérogénéités crées par la nature irrégulière du matériau.

Lorsque ces fissures sont présentes, elles ont tendance naturellement à se rassembler par coalescence pour abaisser le niveau d’énergie. les fibres de faibles dimensions peuvent intervenir à ce niveau pour une couture des microfissures, retardant ainsi leur regroupement.

Dans une seconde phase, il y a apparition d’une macro fissure. Elle se traduit par la fin de la phase élastique sur le diagramme contrainte déformation du BFM. Ce comportement peut être qualifié de comportement de structure, car ce phénomène affecte le matériau à l’échelle du spécimen analysé. Notons que si l’amélioration intrinsèque du matériau ne peut avoir lieu que grâce à la présence en nombre de fibres fines, l’amélioration de la capacité portante de l’élément de béton de la structure au niveau de la troisième phase est possible grâce à l’introduction de fibres longues et de diamètre plus important.

Le schéma ci-dessous illustre de façon globale le comportement des matériaux type BFM vis à-vis de la fissuration du béton. Les trois principales étapes sont reportées sur le diagramme contrainte-déformation du BFM.

              

Comportement en compression du béton

L’apport de fibre a un effet négligeable sur la rupture à la compression du béton. Il est cependant intéressant de noter que le comportement du béton à la compression permet de mettre en évidence les différences entre le comportement de « structure » et le comportement de « matériau ». Dans la première phase, lorsqu’une éprouvette est sollicitée à la compression, la fissuration diffuse s’oriente préférentiellement dans le sens parallèle à l’effort extérieur.

On peut raisonnablement penser que les fissures sont causées par des contraintes de tractions qui apparaissent perpendiculairement à l’effort. Ces contraintes sont générées par la différence de module d’élasticité entre béton et granulats.

La phase 1 est gouvernée par la coalescence des microfissures. En revanche le comportement adoucissant qui précède la phase plastique coïncide avec l’apparition d une macro fissure oblique.

Par la suite, la propagation de cette fissure et son frottement à l interface traduit un comportement de structure et gouverne l’essai. La rupture d une éprouvette en compression permet théoriquement l’observation d’une fissures à 45 degré qui suit souvent les zones d’interface pâtes granulats les plus faibles. [Rossi, 1998] propose une explication concernant le passage d’une microfissuration à une macrofissuration par une  redistribution global des contraintes conduisant à un excentrement des efforts repris par des petites colonnes verticale très proches, constituant l’éprouvette cylindrique. Cependant, ce phénomène demeure mal connu.

Importance des granulats dans la fissuration

Il est important de rappeler quelques considérations mécaniques et micro-structurelles liées à la nature de la composition de la pâte de ciment. Il est bien connu que la résistance mécanique finale du béton dépend de la quantité d’eau de gâchage présente et donc du rapport E/C. La propagation des fissures est liée elle aussi au rapport E/C mais également à la quantité et aux caractéristiques des granulats. [C.H.Detrich, 1989] a montré que la raideur apporté par les granulats avait une influence significative sur la propagation des fissures dans le béton. Il a également montré que la tortuosité, c’est à dire le cheminement de la fissure dans le matériau dépend de la quantité de sable dans la formulation .Comme nous allons le mentionner plus tard, l’étude des bétons de fibres métalliques est intimement liée à la compréhension des phénomènes de fissuration de ce matériau. On note de plus que les formulations de béton de fibres sont établies par substitution d`un volume de sable par un volume de fibres dont les dimensions se situent dans la même fourchette granulométrique. [P.rossi]. (bétons de fibres multi-échelle LCPC). On fait référence ici à la méthode LCR mise au point pour l’étude des bétons à ultra haute performance.

Comme nous l’avons déjà mentionné, l’introduction de fibres dans le béton perturbe le squelette granulaire. On peut illustrer ce phénomène en observant que les granulats sont remplacés localement par les fibres introduites de dimension similaire. Ainsi la compacité optimum change.

Suite : les bétons de fibre (4/8) – Comportement d’une fibre métallique

Crédit photo : FrancoisRoche @ Flickr