L'association de fibres macro à des fibres d'acier peut modifier la manière dont le béton supporte les charges après fissuration. Cela peut se traduire par une perte de charge plus progressive ou par une meilleure absorption d'énergie sur une plage de déformation donnée. Le mélange optimal dépend des caractéristiques de comportement requises par la conception, ainsi que de la maniabilité, de la résistance à la compression et du coût.
Chez Shandong Jianbang Chemical Fiber Co., Ltd., nous fournissons des fibres de renforcement Ecocretefiber™ et aidons les acheteurs à comparer les systèmes candidats en vue d'essais. Ce guide examine une série expérimentale de sept mélanges et traduit ses conclusions en questions pratiques pour le choix d'un béton hybride. Les résultats ouvrent une voie prometteuse pour le remplacement partiel des fibres d'acier, avec des compromis mesurables qui doivent être évalués dans chaque projet.
Pourquoi associer la fibre Macro à la fibre d'acier ?
Les fibres d'acier et les fibres Macro Fiber en polypropylène se distinguent par leur rigidité, leur densité, leur géométrie et leur comportement à la déformation. Une fibre d'acier bien ancrée peut résister à l'ouverture d'une fissure même sous l'effet d'une déformation relativement faible. Une fibre polymère plus longue peut rester ancrée à mesure que la fissure s'ouvre davantage, en fonction de son adhérence, de son allongement et de son comportement à l'arrachement. La combinaison de ces matériaux peut permettre d'obtenir une réponse utile sur une plage de déformation plus large.
Il s'agit là d'une hypothèse de conception qu'il convient de vérifier. La présence de deux fibres dans un même lot ne garantit pas automatiquement une synergie. Leurs proportions peuvent réduire le débit, augmenter la teneur en air ou rendre la répartition moins homogène. La courbe complète charge-déformation et les caractéristiques d'acceptation spécifiées permettent de déterminer si ce mélange hybride est utile.
Dans le Étude de 2006 réalisée par Cao Jifeng et Ding Yining, les chercheurs ont comparé le béton ordinaire, le béton à fibres d'acier, le béton Macro Fiber et deux mélanges hybrides. Ces travaux ont porté sur le comportement à l'état frais, la résistance des cubes, l'absorption d'énergie et la résistance à la flexion équivalente. Il s'agit de résultats obtenus en laboratoire pour les matériaux identifiés, et non de résultats certifiés pour les nuances actuelles d'Ecocretefiber™.
Comprendre les matériaux et les conditions d'essai
Deux fibres aux propriétés différentes
L'étude a utilisé une fibre d'acier dentelée mesurant 32 mm de long et 0,70 mm de diamètre. Sa densité indiquée était de 7,85 g/cm³, sa résistance à la traction supérieure à 600 MPa et son module d'élasticité de 200 GPa.
La fibre Macro en polypropylène mesurait 50 mm de long et présentait un diamètre équivalent de 0,984 mm. Sa densité indiquée était de 0,91 g/cm³, sa résistance à la traction de 490 MPa et son module d'élasticité de 8 GPa. Les auteurs ont également indiqué un allongement à la rupture de 10,71 TP3T. Ces valeurs concernent les matériaux étudiés ; elles ne doivent pas être reprises dans un bon de commande pour un produit différent.
La différence de rigidité était considérable : le module de rigidité de la fibre d'acier était, selon les données fournies, 25 fois supérieur à celui de la Macro Fiber. Cependant, la rigidité à elle seule ne suffit pas à déterminer les performances d'un composite. Les différences de longueur, de surface, de quantité et de nombre de fibres ont également une incidence sur l'interception des fissures et le transfert des charges.
Un béton de base et sept mélanges
Le mélange de base était destiné à la fabrication d'un béton chinois de classe C50. Par mètre cube, il contenait 420 kg de ciment, 180 kg de cendres volantes, 669 kg de sable, 818 kg de granulats grossiers, 210 kg d'eau et 4,2 kg de réducteur d'eau. Le rapport eau/liant indiqué était de 0,35 et la granulométrie des granulats grossiers était comprise entre 5 et 10 mm. Il s'agit d'une formulation expérimentale et non d'une recette de production générale.
Des fibres d'acier ont été utilisées à raison de 30 ou 50 kg/m³. Des fibres Macro ont été utilisées à raison de 4 ou 6 kg/m³. Les combinaisons hybrides étaient les suivantes : 30 kg/m³ de fibres d'acier plus 4 kg/m³ de fibres Macro, et 50 kg/m³ de fibres d'acier plus 6 kg/m³ de fibres Macro. Les légendes ci-dessous permettent de garder ces quantités à l'esprit lors de la comparaison des résultats.
Pour les essais de flexion, les chercheurs ont utilisé des poutres entaillées de 150 × 150 × 550 mm, avec une portée de 500 mm et une entaille de 25 mm. Ils ont enregistré la déformation et l'ouverture de l'embouchure de la fissure lors d'une mise en charge contrôlée et ont évalué la ténacité à l'aide d'une procédure basée sur les normes RILEM. Les détails relatifs aux éprouvettes et à la méthode sont importants, car un résultat obtenu avec ce dispositif ne peut pas être directement transposé à une autre méthode d’essai sur poutres ou à un autre élément de structure.
Qu'en est-il de la maniabilité et de la teneur en air ?
L'ajout de fibres a permis de réduire l'étalement de coulée observé et d'augmenter la teneur en air mesurée. L'étalement de coulée du béton de référence était de 670 mm. Le béton hybride à la dose la plus élevée a affiché un étalement de 350 mm. La teneur en air est passée de 2,00% dans le béton ordinaire à 3,15% dans ce béton hybride.
| Mélange | Acier / Dose de fibres macro, kg/m³ | Écart de débit déclaré, en mm | Teneur en air, % |
| NC | 0 / 0 | 670 | 2.00 |
| SF30 | 30 / 0 | 475 | 2.36 |
| SF50 | 50 / 0 | 355 | 2.60 |
| PP4 | 0 / 4 | 575 | 2.50 |
| PP6 | 0 / 6 | 445 | 2.65 |
| SF30PP4 | 30 / 4 | 405 | 2.95 |
| SF50PP6 | 50 / 6 | 350 | 3.15 |
Les chercheurs ont qualifié ces mélanges de stables et n'ont observé ni ségrégation ni exsudation dans les conditions d'essai utilisées. Les valeurs d'étalement doivent être conservées conformément à leur procédure d'origine. Il ne s'agit pas de hauteurs d'affaissement classiques et elles ne permettent pas, à elles seules, d'établir une classification moderne du béton autocompactant.
En production, le défi pratique consiste à maintenir un débit suffisant tout en respectant le bilan hydrique approuvé. Il convient de sélectionner, par le biais d’essais, des adjuvants compatibles, le volume de la pâte et la granulométrie des granulats. Il faut vérifier la pompabilité, le remplissage des coffrages, la finition et la teneur en air au point d’échantillonnage prévu par le contrat. Les valeurs élevées de teneur en air indiquent également que les fibres ne doivent pas être considérées comme rendant automatiquement chaque mélange plus dense.
La résistance à la compression n'a pas suivi la même tendance que la ténacité
Dans cette série d'essais, les mélanges contenant uniquement de l'acier ont présenté des résistances à la compression des cubes à 28 jours supérieures à celles de l'échantillon témoin. Les mélanges contenant uniquement des macrofibres se sont situés légèrement en dessous de l'échantillon témoin. Les mélanges hybrides ont également donné des résultats de compression différents de ceux de leurs homologues contenant uniquement de l'acier.
| Mélange | Résistance d'un cube après 1 jour, MPa | Résistance des cubes après 28 jours, MPa |
| NC | 18.19 | 64.26 |
| SF30 | 17.03 | 71.76 |
| SF50 | 15.98 | 73.29 |
| PP4 | 16.00 | 60.75 |
| PP6 | 16.78 | 60.66 |
| SF30PP4 | 14.80 | 58.98 |
| SF50PP6 | 13.92 | 64.83 |
Il s'agit ici de moyennes de groupe. Les moyennes ne suffisent pas à elles seules à établir une équivalence statistique ou à déterminer la résistance caractéristique d’un produit. En particulier, le SF30PP4 a affiché une valeur de 58,98 MPa, contre 73,29 MPa pour le SF50, soit environ 19,51 TP3T de moins. Son résultat favorable à la flexion en phase avancée doit donc être pris en compte parallèlement à l’exigence de résistance à la compression.
En pratique, il convient donc d’évaluer la résistance à la compression de manière distincte. Un matériau hybride choisi pour ses propriétés d’absorption d’énergie doit tout de même respecter la classe de résistance requise par le projet, les règles d’échantillonnage, les conditions de durcissement et les critères de réception. Il ne faut pas déduire de gains garantis en résistance à la compression à partir des données relatives à la résistance à la traction des fibres.
Lire les caractéristiques de flexion sur la plage de déformation requise
L'étude a calculé la résistance à la flexion équivalente à partir de l'absorption d'énergie sur des segments définis de la courbe de flexion. Les deux indices de résistance équivalente présentés dans cette étude utilisaient les déformations aux extrémités correspondant à la déformation de référence plus 0,65 mm et plus 2,65 mm. La référence était associée au critère de charge de flexion initiale.
Par souci de clarté, le tableau les désigne respectivement sous les noms d'« indice antérieur » et d'« indice postérieur ». Il s'agit de valeurs basées sur l'énergie, calculées sur les intervalles définis. Elles ne correspondent pas simplement à la contrainte en un point donné de la courbe et ne sont pas interchangeables avec les résistances résiduelles issues d'une autre norme.
| Mélange | Résistance équivalente antérieure, MPa | Résistance équivalente ultérieure, MPa |
| SF30 | 2.959 | 1.119 |
| SF50 | 5.125 | 2.058 |
| PP4 | 1.289 | 1.624 |
| PP6 | 1.340 | 1.639 |
| SF30PP4 | 4.599 | 2.432 |
| SF50PP6 | 6.291 | 3.580 |
Ajout de fibres macro à une dose fixe d'acier
Par rapport au SF30, le SF30PP4 a permis d'augmenter la résistance équivalente précoce de 2,959 à 4,599 MPa, soit environ 55%. La valeur de résistance équivalente tardive est passée de 1,119 à 2,432 MPa, soit environ 117%. Cela suggère un avantage plus marqué sur l’intervalle de déformation tardif pour cette combinaison.
À la dose d'acier la plus élevée, le SF50PP6 a dépassé le SF50 d'environ 23% pour l'indice initial et d'environ 74% pour l'indice final, selon les moyennes indiquées dans le tableau. Il s'agit là d'ajouts de Macro Fiber aux quantités d'acier existantes. Ces résultats ne démontrent pas, à eux seuls, un remplacement de l'acier ni ne permettent d'isoler un effet d'interaction pur : la teneur totale en fibres a également augmenté.
Réduire la teneur en acier tout en ajoutant de la Macro Fiber
La comparaison utile en matière de remplacement oppose le SF30PP4 au SF50. La teneur en acier est passée de 50 à 30 kg/m³, soit une réduction de 40% de la masse d'acier, tandis que 4 kg/m³ de fibres macro ont été ajoutés. La résistance équivalente antérieure était inférieure d'environ 10%, tandis que la résistance équivalente postérieure était supérieure d'environ 18%.
Il s'agit d'un compromis conditionnel. Cela permet d'étudier la possibilité d'un remplacement partiel lorsque la plage de déformation ultérieure est pertinente. Cela n'implique pas pour autant des performances équivalentes à chaque ouverture de fissure, une résistance à la compression équivalente, ni l'autorisation de réduire la quantité d'acier de 40% dans le cadre d'un autre projet. La réponse de conception acceptable doit déterminer quel mélange est conforme.
Pourquoi la substitution massive peut être trompeuse
L'acier et le polypropylène ont des densités très différentes. D'après les valeurs de l'étude, 50 kg/m³ d'acier correspondent à environ 0,64% de volume de béton. La combinaison de 30 kg/m³ d'acier et de 4 kg/m³ de macro-fibres correspond à environ 0,38% d'acier plus 0,44% de macro-fibres, soit un volume total de fibres de 0,82%.
L'hybride utilisait donc moins de masse d'acier, mais un volume total de fibres plus important que le SF50. Son comportement reflète les variations au niveau du matériau, de la géométrie, du nombre de fibres et de la teneur totale. Une substitution « kilogramme pour kilogramme » masquerait ces différences.
Pour comparer les coûts d'achat, notez à la fois la dose massique et la fraction volumique calculée en utilisant les densités réelles des différentes qualités de matériaux. Tenez compte du coût au mètre cube ainsi que de toute variation liée au malaxage, aux adjuvants, aux essais et à la finition. Réduire la masse d'acier de 40% n'équivaut pas à réduire le coût total du béton de 40%.
Transformer les résultats de la recherche en un plan de qualification du projet
Définissez d'abord la réponse attendue
Précisez la résistance à la compression, l'exposition, la maniabilité et le comportement après fissuration requis pour l'élément. Si la capacité de service dépend de la limitation de l'ouverture des fissures, le comportement précoce peut s'avérer déterminant. Si l'application nécessite une absorption d'énergie lors de déformations importantes, un intervalle plus tardif peut s'avérer important. C'est au concepteur de la structure qu'il revient de choisir le critère pertinent.
ASTM C1609/C1609M-24 distingue la résistance à la flexion au premier pic de la résistance résiduelle à des déformations spécifiées. Un projet utilisant cette méthode doit valider les enrobés proposés selon cette méthode. Ne pas convertir directement les valeurs historiques de résistance équivalente en valeurs d'acceptation selon la norme C1609 sans corrélation justifiée.
Comparer une matrice d'essais pratiques
Prévoir un échantillon témoin, le mélange actuel composé uniquement d'acier, ainsi que les mélanges candidats. Lorsque l'objectif est d'étudier la synergie, envisager des comparaisons qui contrôlent à la fois le volume total de fibres et les différentes options de fabrication. Veiller à la cohérence des matériaux et des conditions de durcissement, et indiquer la variabilité des échantillons en plus des moyennes. Cela permet de distinguer un mélange utile d'une dispersion normale ou d'une augmentation de l'armature totale.
Vérifier la dispersion à l'échelle de production. Introduire les deux types de fibres à un débit contrôlé dans le mélange en mouvement, en respectant l'ordre approuvé lors des essais. Un essai réussi en cuve de laboratoire ne garantit pas le bon fonctionnement d'une bétonnière, d'une conduite de pompage ou d'un système de béton projeté. Noter les paramètres suivants : teneur en air, rétention du débit, rendement du lot, quantités de fibres et comportement à la mise en œuvre.
Vérifier les conditions de conception au-delà de l'essai sur poutre
Les charges prolongées et le fluage, la fatigue, les chocs, l'exposition au feu et à la corrosion, les assemblages ainsi que les détails de conception des éléments peuvent nécessiter des justifications distinctes. La présence d'un composant en polypropylène ne garantit pas que l'acier restant dans un système hybride soit à l'abri de la corrosion. De même, les résultats d'une analyse statique d'une poutre ne permettent pas de déterminer toutes les propriétés en matière de chocs ou de séismes.
ACI SPEC-544.12-23 fournit un cahier des charges basé sur les performances pour les dalles sur sol et les revêtements renforcés de fibres. Son champ d'application défini et les performances résiduelles requises doivent être respectés. Le remplacement de fibres d'acier discrètes dans un enrobé constitue également une décision différente de celle consistant à retirer des barres ou des treillis soudés d'une structure.
Sélectionnez les qualités actuelles d'Ecocretefiber™ pour l'essai
Notre Macrofibre Ecocretefiber™ et gamme de fibres d'acier Proposez différentes options pour l'évaluation du projet en cours. Précisez la nuance exacte, les dimensions, la forme, les propriétés de résistance à la traction, la densité et joignez les rapports d'essais correspondants. Un produit en acier à extrémité crochue n'est pas identique à la fibre d'acier dentelée utilisée dans l'expérience historique.
Shandong Jianbang peut discuter des longueurs envisagées, du conditionnement et des modalités d'approvisionnement dans le cadre d'une production d'essai. Veuillez nous communiquer les données existantes concernant la dosage de l'acier, le mélange de base, la méthode de mise en œuvre, les critères de conception et l'objectif de coût. L'essai doit permettre de vérifier si le produit hybride proposé répond à l'ensemble du cahier des charges avant que le remplacement ne fasse l'objet d'une tarification ou d'une validation.
Foire aux questions
Les fibres macro augmentent-elles toujours la résistance à la compression ?
Non. Dans la série des sept mélanges, les résultats des essais de compression et de ténacité ont suivi des tendances différentes. Précisez la classe de résistance requise pour chaque mélange proposé.
La fibre Macro à 4 kg/m³ peut-elle remplacer la fibre d'acier à 20 kg/m³ ?
Cette combinaison a donné des résultats prometteurs lors d'essais de flexion à un stade avancé dans un système de laboratoire identifié. L'indice de résistance équivalente et la résistance à la compression mesurés précédemment étaient inférieurs à ceux du mélange composé uniquement d'acier (50 kg/m³). Un nouveau projet nécessite ses propres essais de mélange et une homologation de la conception.
La résistance à la flexion équivalente correspond-elle à la résistance résiduelle ?
Ces deux paramètres peuvent certes décrire certains aspects du comportement après fissuration, mais le mode de calcul et la méthode d'essai ont leur importance. Les indices historiques mentionnés ici sont basés sur l'énergie. Une valeur résiduelle à une déformation C1609 spécifiée est une grandeur différente.
Pourquoi un hybride peut-il améliorer le comportement à un stade avancé ?
Les fibres présentant des caractéristiques différentes en termes de rigidité, de longueur, de liaison et d’allongement peuvent se comporter différemment lors de l’ouverture d’une fissure. Les courbes et les résultats relatifs à la résistance équivalente issus de cette étude justifient l’étude de ce mécanisme. Ils ne garantissent toutefois pas sa validité pour toutes les combinaisons de fibres.
Un véhicule hybride à faible consommation d'essence est-il automatiquement moins cher ?
Non. Comparez le coût total au mètre cube, en tenant compte des deux types de fibres, des ajustements du mélange, de la production, des essais et de toute modification apportée à la construction. Vérifiez les performances avant de revendiquer des économies.
Discuter avec Jianbang d'un essai portant sur les fibres macro et les fibres d'acier
Un système hybride s'avère utile lorsque sa réponse mesurée correspond aux exigences réelles de l'élément. La société Shandong Jianbang Chemical Fiber Co., Ltd. propose des solutions de renforcement Ecocretefiber™ et aide ses clients à préparer les informations relatives aux produits en vue d'essais contrôlés. Contactez notre équipe en tenant compte de votre référence en fibres d'acier, de la plage de déformation visée et de vos critères d'acceptation, afin d'étudier un mélange de fibres Macro Fiber susceptible de convenir.
