Béton renforcé par des fibres

Le concept d’utilisation de fibres comme renforcement n’est pas nouveau. Les fibres sont utilisées comme renforcement depuis les temps anciens. Historiquement, le crin de cheval était utilisé dans le mortier et la paille dans les briques de terre. Dans les années 1900, les fibres d’amiante étaient utilisées dans le béton. Dans les années 1950, le concept de matériaux composites est apparu et le béton renforcé de fibres était l’un des sujets d’intérêt. Après la découverte des risques pour la santé liés à l’amiante, il a fallu trouver un substitut à cette substance dans le béton et d’autres matériaux de construction. Dans les années 1960, des fibres d’acier, de verre (GFRC) et synthétiques (comme le polypropylène) étaient utilisées dans le béton. La recherche de nouveaux bétons renforcés de fibres se poursuit aujourd’hui.

Les fibres sont généralement utilisées dans le béton pour contrôler les fissures dues au retrait plastique et au retrait de séchage. Elles réduisent également la perméabilité du béton et donc le ressuage de l’eau. Certains types de fibres confèrent au béton une plus grande résistance aux chocs, à l’abrasion et aux éclats. Les fibres d’acier ou synthétiques de grande taille peuvent remplacer complètement les barres d’armature ou l’acier dans certaines situations. Le béton renforcé par des fibres a presque entièrement remplacé les barres dans l’industrie de la construction souterraine, notamment dans les segments de tunnel où presque tous les revêtements de tunnel sont renforcés par des fibres au lieu d’utiliser des barres d’armature. En fait, certaines fibres réduisent la résistance à la compression du béton.

La quantité de fibres ajoutée à un mélange de béton est exprimée en pourcentage du volume total du composite (béton et fibres), appelé « fraction volumique » (Vf). La Vf est généralement comprise entre 0,1 et 3 %. Le rapport d’aspect (l/d) est calculé en divisant la longueur de la fibre (l) par son diamètre (d). Les fibres ayant une section transversale non circulaire utilisent un diamètre équivalent pour le calcul du rapport d’aspect. Si le module d’élasticité des fibres est supérieur à celui de la matrice (liant du béton ou du mortier), elles aident à supporter la charge en augmentant la résistance à la traction du matériau. L’augmentation du rapport d’aspect de la fibre segmente généralement la résistance à la flexion et la ténacité de la matrice. Une longueur plus importante se traduit par une meilleure matrice à l’intérieur du béton et un diamètre plus fin augmente le nombre de fibres. Pour s’assurer que chaque brin de fibre est efficace, il est recommandé d’utiliser des fibres plus longues que la taille maximale de l’agrégat. Un béton normal contient des agrégats de 19 mm de diamètre équivalent, soit 35 à 45 % du béton. Les fibres plus longues que 20 mm sont plus efficaces. Cependant, les fibres trop longues et qui ne sont pas correctement traitées au moment de la mise en œuvre ont tendance à  » faire des boules  » dans le mélange et à créer des problèmes de maniabilité.

Les fibres sont ajoutées pour la durabilité à long terme du béton. Le verre et le polyester se décomposent dans l’état alcalin du béton et divers additifs et traitement de surface du béton.

Les revêtements du tunnel High Speed 1 ont incorporé du béton contenant 1 kg/m3 ou plus de fibres de polypropylène, de diamètre 18 & 32 μm, donnant les avantages notés ci-dessous. L’ajout de fibres de polypropylène de diamètre fin, permet non seulement de renforcer le revêtement du tunnel, mais aussi d’éviter « l’écaillage » et l’endommagement du revêtement en cas d’incendie dû à un accident.