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Hercules Group SA Essais sur béton fibré

15 avril 2013

Elaboré par :

• Prof. Marco Viviani • Nihal Ouaqqa • Julien Richard • Adrien Galparoli

Hercules Group SA

Essais sur béton fibré

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Laboratoire des structures Page 1

TABLE DES MATIERES

1 Introduction ....................................................................................................................... 2

2 Caractéristiques des matériaux ........................................................................................ 2

2.1 Granulats ................................................................................................................... 2

2.2 Ciments ...................................................................................................................... 2

2.3 Adjuvants ................................................................................................................... 2

2.4 Recettes ..................................................................................................................... 2

2.4.1 Béton de référence NPKC ....................................................................................... 3

2.4.2 Recette avec fibres Hercules ................................................................................... 3

3 Protocole ........................................................................................................................... 3

4 Résultats d’essais ............................................................................................................. 5

4.1 Essai de fissures de retrait plastique ......................................................................... 5

4.1.1 Introduction .............................................................................................................. 5

4.1.2 L’essai selon la norme ASTM C 1579-06 ................................................................ 5

4.1.3 Recette ..................................................................................................................... 7

4.1.4 Montage de l’essai ................................................................................................... 8

4.1.5 Déroulement de l’essai ............................................................................................ 9

4.1.6 Résultats ................................................................................................................ 10

4.1.7 Illustration de l’essai ............................................................................................... 11

4.2 Béton durci ............................................................................................................... 13

4.2.1 Essai de compression sur cubes (Selon SN EN 12 390-3) ................................... 13

4.2.2 Essai de flexion sur prismes (Selon SN EN 12 390-5) .......................................... 13

4.2.3 Essai de pénétration d’eau (Selon SN EN 12 390-8) ............................................. 14

4.2.4 Essai de gel dégel en présence de sels de déverglaçage ..................................... 16

4.3 Béton frais ................................................................................................................ 17

4.3.1 Dispersion dans la gâchée ..................................................................................... 17

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1 Introduction

Hercules Group SA, spécialisé dans les produits de renforcements du béton et basé en

Suisse, a sollicité l’institut G2C pour des essaies sur béton renforcé de fibres. Le mandat

consiste à réaliser une étude comparative par le moyen de tests sur béton frais et durci entre

une recette de béton classique et une recette de béton avec les fibres Hercules.

2 Caractéristiques des matériaux

2.1 Granulats Les granulats utilisés pour ces essais proviennent de la gravière de La Poissine SA situé à

Grandson (VD).

Les coefficients d’absorption des fractions, nécessaires à l’élaboration de la recette, ont été

fournis par La Poissine SA.

2.2 Ciments

Le ciment utilisé est :

- Holcim Optimo 4 : CEM II/B-M (T-LL) 42.5 N

2.3 Adjuvants

Deux types d’adjuvant de la marque MAPEI ont été utilisés

- Superplastifiant : Dynamon SX 08 - Amélioration de la pompabilité : Mapeplast PMX

2.4 Recettes

Deux bétons différents ont été réalisé, basés sur la recette du NPKC qui est un béton classé

de la Poissine et conforme à la norme SN EN 206-1. Comme il s’agit d’un béton à propriétés

spécifiées, celui-ci doit respecter plusieurs caractéristiques, celles qui nous intéressent dans

le cadre de ces essais sont les suivantes :

• Classe de résistance : C30/37 ce qui implique le respect des conditions suivantes

o fcm ≥ fck+4 [N/mm2]

o fci ≥ fck-4 [N/mm2]

• Classe d’exposition

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o XC4 alternance d’humidité et de séchage

o XF1 Saturation modérée en eau sans sel de déverglaçage.

• Classe de consistance C3

• Rapport E/C maximal : 0.50

A partir de ce béton de base, deux types de recettes ont été réalisées afin de les comparer :

• Béton NPKC + fibres Hercules

• Béton de référence NPKC

2.4.1 Béton de référence NPKC

La recette de base est celle du béton NPKC classé de la Poissine

Elément Type % kg/m3

Ciment Optimo 4 - 340

Granulats

0/4 42 816.9

4/8 0 0

8/16 22 427.9

16/32 36 700.2

Eau efficace - 164

Fluidifiants1 Dynamon SX 0.8 - 1.530

Mapeplast PMX - 0.510

2.4.2 Recette avec fibres Hercules

La recette avec les fibres Hercules est constituée de la recette du NPKC de base avec un

dosage de 0.9 kg/m3 de fibres Hercules.

3 Protocole

Le protocole adopté consiste à effectuer le bétonnage des deux recettes à environ une

semaine d’intervalle.

Les tests suivants sur béton frais sont effectués directement après le bétonnage :

• Teneur en air du béton frais

1 Les quantités de fluidifiant utilisées correspondent à 0.45% de la masse de ciment pour le

Dynamon et à 0.15% de la masse de ciment pour le Mapeplast

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• Teneur en eau du béton frais et rapport e/c

• Masse volumique

• Essai d’affaissement : Slump-test

Séparément sera testée la dispersion des fibres sur une recette de mortier basé sur la

recette de béton NPKC. Cette dispersion sera testée à plusieurs durées afin de déterminer

au mieux le temps de malaxage nécessaire pour obtenir un mélange homogène des fibres

Hercules. De plus, deux gâchées seront réalisées pour cet essai.

La fabrication des cubes et des prismes permet la réalisation des tests suivants sur béton

durci à 14j et/ou à 28j

• Résistance à la compression sur cubes à 14 et 28j

• Résistance à la flexion sur éprouvettes à 28j

• Résistance au gel en présence de sels de déverglaçage

• Profondeur de pénétration d’eau sous pression

Les essais de fissuration de retrait plastique se déroulent de manière indépendante par

rapport aux autres essais.

Le test du temps de malaxage et de dispersion avec les fibres Hercules a été réalisé sur le

site de la Poissine. Les essais ont quant à eux été effectués au sein du laboratoire du G2C.

Pour la recette NPKC de référence, le bétonnage et les tests ont été effectués dans les

laboratoires du G2C.

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4 Résultats d’essais

4.1 Essai de fissures de retrait plastique

4.1.1 Introduction

Cet essai a pour but de quantifier la diminution de l’ouverture des fissures du béton fibré

étudié par rapport à un béton de référence. L’essai s’effectue en soumettant le béton étudié

et le béton de référence simultanément aux conditions requises d’humidité, de ventilation et

de température puis d’en observer les fissures qui sont survenues, après la prise du béton.

Une procédure d’essai a été élaborée en s’inspirant de la norme ASTM C 1579-06 ceci en

accord avec notre client.

4.1.2 L’essai selon la norme ASTM C 1579-06

La norme préconise l’utilisation de deux coffrages avec des dimensions précises adaptables

selon le diamètre maximal des granulats du béton utilisé. Ces coffrages sont associés à

deux tôles métalliques pliées de géométrie connue et détaillée par la norme. Ces tôles sont

placées au fond des coffrages et ont pour but d’initier les fissures et de les diriger.

Figure 1 dimensions des coffrages selon la norme ASTM C 1579-06

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Les conditions à respecter pendant le déroulement de l’essai selon la norme sont :

• Température à 36 ± 3 °C

• Taux d’humidité à 30 ± 10 %

• Vitesse du vent à 4.7 m/s au minimum

• Taux d’évaporation de l’eau à 1.0 kg/m2/h au minimum

Afin de comparer les résultats, la norme recommande d’effectuer deux répliques de l’essai.

Une réplique n’est valide que si certaines conditions sont réunies. Le premier contrôle

survient après la prise du béton, il consiste à calculer le taux d’évaporation d’eau, si celui-ci

n’a pas atteint la valeur minimale l’essai est à refaire. Le deuxième contrôle consiste à

mesurer l’ouverture des fissures sur l’éprouvette de référence après 24h±2h. Si la moyenne

d’ouverture des fissures sur une éprouvette de référence n’a pas atteint 0.4mm, ou si la

moyenne des ouvertures des fissures sur les éprouvettes de référence sur toutes les

répliques n’a pas atteint 0.5mm, l’essai n’est pas valide selon la norme.

La mesure des ouvertures des fissures se fait sur des intervalles réguliers (1cm) en suivant

la fissure. Pour éviter les zones d’interaction avec le coffrage, les fissures ne sont pas

mesurées sur la zone située à moins de 25mm des bords du coffrage.

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4.1.3 Recette

La norme étant principalement faite pour du béton dont les granulats sont de diamètre 0 à

16mm, une adaptation de la hauteur des coffrages est néanmoins proposée pour des bétons

contenant des granulats de diamètre maximal différent.

Afin d’avoir des résultats concluants, une adaptation de la recette du béton NPKC ont été

faites afin de passer d’une recette avec diamètres des granulats de 0-32mm, à une recette à

0-16mm mieux adaptée à la norme.

Le béton utilisé pour la suite des essais correspond à la recette suivante :

Elément Type kg/m3

Ciment Optimo 4 350

Granulats 0/4 887

4/8 339.7

8/16 660.3

16/32 0

Eau efficace 175

Fluidifiants Glenium 51 0.7

Mapeplast PMX 0.35

Le dosage en fibre Hercules respecté est toujours de 0.9kg/m3

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4.1.4 Montage de l’essai

La figure suivante illustre le montage utilisé pour cet essai, il assure le respect des conditions

citées précédemment.

Figure 2: montage de l'essai

Le montage se compose des éléments suivants :

• Un radiateur permettant d’atteindre la température d’essai

• Un bac d’eau ayant une surface minimale de 0.1m2 exigé par la norme

• Une balance permettant de suivre l’évolution de la masse d’eau dans le bac à une

précision de ±5g afin de calculer le taux d’évaporation selon la norme

• Des ventilateurs fixés à une planche en bois appliquant un vent laminaire constant

sur toute la surface de l’eau et ayant la vitesse requise par la norme

• Deux coffrages en bois associés à leurs tôles métalliques pliées et respectant les

dimensions de la norme

• Un système d’air comprimé relié à un tube en PVC avec des ouvertures régulières

ciblant l’air sur les échantillons.

• Une plaque en plexiglas placée en hauteur sur les échantillons et permettant de

concentrer la lame d’air pulsé sur leur surface.

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4.1.5 Déroulement de l’essai

4.1.5.1 Phase préparatoire Afin de garantir les conditions nécessaires à l’essai quelques dispositions sont prises environ

deux jours avant le bétonnage :

• Régler la température et l’humidité du local où se déroule l’essai en enclenchant les

radiateurs et en bloquant l’arrivée d’air

• Peser les granulats et le ciment et les stocker dans des bacs fermés dans le local

d’expérience afin qu’ils soient conditionnés à la température de l’essai

• Stocker l’eau qui servira au bétonnage dans le local afin qu’elle soit également à la

température de l’essai

• Remplir le bac d’eau d’évaporation

4.1.5.2 Bétonnage Le jour du bétonnage et afin que toutes les répliques soient exécutées de la même manière

les étapes suivantes sont respectées :

• Mettre l’eau à niveau dans le bac d’évaporation de manière à ce que la surface d’eau

soit au maximum 5mm plus bas que la hauteur du bac comme le préconise la norme

• Huiler légèrement les bacs de coffrage à l’aide d’une serviette

• Préparer le matériel : thermomètre, truelles, règle pour araser…

• Peser l’eau et les adjuvants, éventuellement les fibres

• Peser les granulats préalablement stockés pour vérifier leur masse après deux jours

de stockage et corriger l’eau à ajouter si nécessaire

• Humidifier la bétonnière

• Mettre le sable puis les autres granulats et enfin le ciment dans la bétonnière et

malaxer pendant 1min à sec

• Le cas échéant ajouter les fibres Hercules

• Mettre l’eau et les adjuvants et malaxer pendant 3min. noter le temps zéro

• Relever la température du béton

• Remplir le coffrage en une seule fois

• Vibrer l’échantillon à deux reprises sur la table vibrante

• Araser la surface à l’aide d’une règle métallique et talocher légèrement

• Transporter le coffrage dans le local prévu pour l’essai

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• Ouvrir les vannes d’air comprimé sur l’échantillon mis en place et enclencher les

ventilateurs sur la surface du bac d’eau d’évaporation

• Prendre une mesure de la vitesse de l’air, de l’humidité relative, de la température et

de la masse d’eau dans le bac d’évaporation. Renouveler les mesures toutes les

30min

• Effectuer le bétonnage du deuxième échantillon de la même manière

4.1.5.3 Mesures Dès que l’échantillon est placé dans le local prévu pour l’essai, une mesure de tous les

paramètres de l’essai (température, humidité relative, vitesse de l’air, masse d’eau) est

effectuée toute les 30min jusqu’à la prise du béton estimée à 5h à partir du temps zéro.

Après la prise, l’expérience est arrêtée et les éprouvettes sont conservées dans un

environnement à 23°C jusqu’au lendemain au moment du relevé des fissures.

À la fin de l’essai, 24h à partir du temps zéro, les ouvertures des fissures sont relevées sur

chacune des deux éprouvettes, sur des intervalles réguliers en suivant chaque fissure.

4.1.6 Résultats

Une fois toutes les ouvertures des fissures relevées, une moyenne est calculée sur

l’éprouvette de référence ainsi que sur l’éprouvette fibrée. Cette moyenne nous permet ainsi

d’obtenir le rapport de réduction de fissuration CRR (Crack Reduction Ratio) exprimé comme

suit :

𝐶𝑅𝑅 = (1 −moyenne de l’ouverture des fissures sur l’éprouvette fibrée

moyenne de l’ouverture des fissures sur l’éprouvette de référence) ∙ 100 [%]

Le tableau suivant résume les résultats obtenus sur trois répliques :

Tableau 1 résultats de l’essai

Réplique 0 Réplique 1 Réplique 2

CRR [%] 35.6 44.5 100ii

ii L’éprouvette fibrée n’a pas fissuré sur cette réplique d’où la valeur de CRR=100%

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4.1.7 Illustration de l’essai

Tableau 2:illustrations du déroulement de l'essai

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Tableau 3 mise en place des éprouvettes

Tableau 4:apparition des fissures, béton de référence-béton fibré

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4.2 Béton durci

4.2.1 Essai de compression sur cubes (Selon SN EN 12 390-3)

Ces essais ont été menés sur deux séries de trois cubes pour chaque béton, les moyennes

des résistances en compressions à 14 jours et à 28 jours se situent dans la plage prévue

pour la classe de résistance à la compression du béton C30/37 qui est la classe du béton de

référence NPKC.

4.2.2 Essai de flexion sur prismes (Selon SN EN 12 390-5)

La résistance à la traction par flexion (3 points) est déterminée à 28j pour 3 échantillons

d’une même recette, les valeurs moyennes sont données pour les deux recettes par le

tableau suivant :

Recette

NPKC +

fibres Hercules NPKC

Résistance à la traction par flexion

[N/mm2] 8.6 8.0

On remarque qu’encore une fois les résistances en traction sont du même ordre de grandeur

avec une meilleure résistance du béton fibré par rapport au béton de référence.

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4.2.3 Essai de pénétration d’eau (Selon SN EN 12 390-8)

Cet essai consiste à soumettre la face d'un cube à une pression d'eau à 5 bars,

perpendiculairement à la direction de coulage, pendant 72h et de relever la profondeur de

pénétration.

Le tableau suivant fournit la profondeur de pénétration moyenne sur les 6 échantillons de

béton NPKC ajouté de fibres Hercules.

Béton NKPC avec fibres Hercules Profondeur maximale de pénétration [mm]

Cube n°1 18

Cube n°2 16

Cube n°3 13

Cube n°4 24

Cube n°5 20

Cube n°6 23

La profondeur maximale de pénétration d’eau sous pression est de 24 mm et la profondeur

moyenne est de 19 mm.

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Figure 3- Cube n°4, profondeur de pénétration d'eau

Les critères d’évaluation selon la norme SN EN 12 390-8 se basent sur les valeurs

moyennes de pénétration et sont les suivantes :

• < 50mm : remplit les exigences pour un béton étanche à l’eau sous pression

• < 50mm : résistant aux attaques chimiques « faibles »

• < 30mm : résistant aux attaques chimiques « fortes »

Le béton remplit par conséquent le critère de la norme SN EN 12 390-8, selon lequel la

pénétration est : < 30mm : résistant aux attaques chimiques « fortes ».

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4.2.4 Essai de gel dégel en présence de sels de déverglaçage

L’essai consiste à recouvrir les échantillons d’une solution de chlorure NaCl à 3% et de les

soumettre à 28 cycles de gel dégel qui durent 12h chacun. La perte de matière est quantifiée

après 6, 14 et 28 cycles ce qui permet de classer le béton selon les critères de conformité de

la norme 262/1 et la SN EN 206-1.

Les exigences selon la norme SN EN 206-1 pour les classes d’exposition des bétons pour

cet essai sont les suivantes :

Résistance au gel en présence de

sels de déverglaçage moyenne haute

Classe d’exposition des bétons XF2 (CH) et XF3(CH) XF4(CH)

Valeur limite pour la valeur moyenne

de la série d’essai

m ≤ 1200 g/m2 m≤200 g/m2

ou

m≤600 g/m2 et

Δm28 ≤ (Δm6+Δm14)

Le tableau suivant donne les résultats exprimés en pertes en masse en fonction du nombre

de cycle pour les éprouvettes issues des deux recettes.

Perte de matière [g/m2] Recette

Δm6 Δm14 Δm28 Perte totale

m

NPKC+ Fibres Hercules 6 10 50 70

NPKC 10 90 200 300

En comparant les résultats d’essais avec les valeurs de la norme, nous pouvons dire que le

béton de référence NPKC possède une résistance moyenne au gel en présence de sel de

déverglaçage, tandis que le béton avec fibres Hercules testé a une résistance haute.

Notons que le NPKC de base tel qu’il est classé, ne garantit qu’une classe de résistance XF1

qui représente les bétons avec une saturation en eau modérée sans agents de

déverglaçage.

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4.3 Béton frais Le tableau suivant résume les différentes propriétés à l’état frais des deux recettes de bétons

testés.

Propriété Recette

Masse volumique

[kg/m3]

Teneur en eau

[kg/m3]

WZ

[-]

Slump

[mm]

Teneur en air [%]

iiiNPKC+ Fibres Hercules 2455 150.6 0.45 120 1.55

NPKC 2423 155.7 0.46 190 1.63

4.3.1 Dispersion dans la gâchée

La préparation du mortier est réalisée avec un malaxeur de type « Hobart » normalisé. Cet

essai s’effectue ensuite à l’aide d’un shaker, où nous ajoutons 1/3 de mortier, puis les 2/3

restants sont complétés avec de l’eau. Après agitation pendant environ 10 secondes, le

mélange est versé sur un tamis (largeur des espaces 1 mm). Finalement, nous vérifions si

les fibres sont encore visibles, si elles sont incorporées de manière homogène et si elles

sont complétement dissoutes dans le mélange.

1er gâchée Dispersion des fibres Hercules

1 min Pas du tout, fibres encore visibles


4 min Un petit peu, fibres encore visibles

6 min Moyennement, traces de fibres visibles

8 min Bien, fibres complétement dissoutes

2ème gâchée Dispersion des fibres Hercules



4 min Un petit peu, fibres encore visibles

7 min Bien, mais légères traces encore

8 min Bien, fibres complétement dissoutes

iii Résultats obtenus sur la réplique exécutée au laboratoire

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