COMPOSITES ET BÉTON

Peu coûteux et polyvalent, le béton est tout simplement le meilleur matériau de construction pour de nombreuses applications. La question est de savoir comment faire en sorte que le béton résiste aux charges environnementales et structurelles pour une performance à long terme. Un véritable composite, le béton se compose généralement de gravier et d’agrégats de sable liés ensemble dans une matrice de ciment Portland fin, avec des barres d’armature métalliques généralement incorporées pour la résistance. Il fonctionne admirablement sous compression, mais a tendance à être fragile et quelque peu faible en tension. La contrainte de tension ainsi que le retrait du plastique pendant le durcissement entraînent des fissures, qui invitent à une pénétration d’humidité qui entraîne éventuellement une corrosion du métal incorporé et une perte éventuelle d’intégrité lorsque le métal se détériore.

Les composites polymères renforcés de fibres (PRF) ont longtemps été envisagés comme un matériau permettant d’améliorer les performances du béton. L’American Concrete Institute (ACI) et d’autres groupes, tels que la Société japonaise des ingénieurs civils, ont joué un rôle déterminant dans l’élaboration de spécifications et de méthodes d’essai pour les matériaux de renforcement composites, dont beaucoup sont acceptés et bien établis aujourd’hui dans la construction en béton. “En plus des documents de lignes directrices de conception, nous avons maintenant les méthodes d’essai”, explique John Busel, président du Comité 440 de l’ACI, formé en 1990 pour fournir aux ingénieurs et aux concepteurs des informations et des directives sur les matériaux composites. Les méthodes d’essai sont décrites dans l’IPEC 440.3R-04. (Ce document et d’autres documents publiés importants liés au renforcement composite du béton se trouvent dans la barre latérale ci-jointe, “Guides de conception du béton”) “Nous travaillons également fermement à une révision de notre rapport de pointe de 1996, afin de mettre à jour les praticiens du béton sur les nombreuses nouvelles applications et les opportunités de marché émergentes”, explique Busel.

Les barres d’armature composites et les grilles de renforcement continuent d’être utilisées dans un certain nombre d’applications. Plus récemment, des produits ont été développés et des applications commencent à proliférer pour le béton armé de fibres, un matériau qui utilise des fibres d’acier ou de polymère comme renfort dans les trottoirs, les dalles de sol et les pièces préfabriquées.

BARRES D’ARMATURE COMPOSITES: TECHNOLOGIE ÉTABLIE

Au cours des 15 dernières années, les barres d’armature composites sont passées d’un prototype expérimental à un remplacement efficace de l’acier sur de nombreux projets, en particulier avec la hausse des prix de l’acier. ” Les barres d’armature en fibre de verre sont couramment utilisées, et c’est un marché très concurrentiel “, explique Doug Gremel, directeur du renforcement non métallique chez Hughes Bros. (Seward, Oné.), un fabricant établi de produits de barres d’armature. “L’état des connaissances de l’industrie sur le matériau est immensément meilleur qu’il y a 10 ans.”

Pour certains projets de construction, comme les installations d’imagerie par résonance magnétique (IRM) dans les hôpitaux, ou les approches des cabines de péage qui utilisent la technologie d’étiquette d’identification par radiofréquence (RFID) pour identifier les clients prépayés, les barres d’armature composites sont le seul choix. Les barres d’armature en acier ne peuvent pas être utilisées, car elles interfèrent avec les signaux électromagnétiques. En plus de la transparence électromagnétique, les barres d’armature composites offrent également une résistance à la corrosion exceptionnelle, un poids léger — environ un quart du poids de l’acier – et une isolation thermique, car elles résistent au transfert de chaleur dans les applications de construction. Les deux plus grands fabricants sont Hughes et Pultrall (Thetford Mines, Canada).

Les barres d’armature composites sont généralement pultrudées, à l’aide de rovings en fibre de verre E et de résine d’ester de vinyle, avec des techniques de formage standard. Les produits Aslan de Hughes sont fabriqués avec une enveloppe hélicoïdale pour créer un profil ondulé, tandis que la barre en V de Pultrall est lisse. Les deux ont un revêtement de sable extérieur, appliqué pendant la fabrication, pour créer une surface rugueuse pour une adhérence optimale. Selon Gremel, une résine d’ester vinylique de haute qualité est nécessaire, associée à des tailles de fibres correctes, pour obtenir les meilleures propriétés de corrosion et de résistance aux alcalis élevés du ciment Portland, ainsi qu’une liaison tenace.

Parce que les propriétés mécaniques de la fibre de verre sont différentes de celles de l’acier, la conception de structures en béton avec barres d’armature composites est développée à l’aide de l’ACI 440.1R-03, Guide pour la Conception et la Construction de Béton Armé avec des barres en PRF. Le Guide aborde la flexion, la facilité d’entretien, la rupture par fluage et la fatigue, en plus du cisaillement et des détails pour les étriers, explique Busel. Hughes et Pultrall sont tous deux membres du FRP Rebar Manufacturers Council, sous l’égide de l’American Composites Manufacturers Assn. (ACMA) et participent avec l’ACI à l’élaboration de normes de performance minimales pour les barres d’armature. S’il est vrai que les barres d’armature composites ne peuvent pas être pliées sur le chantier pour répondre à des conditions inattendues, Gremel affirme que c’est un non-problème. “Les barres d’acier revêtues d’époxy ne peuvent pas non plus être pliées, sans casser le revêtement époxy”, déclare-t-il. “Nous pouvons pré-plier les barres de fibre de verre pendant la fabrication selon la conception d’un ingénieur, selon un calendrier détaillé, ce qui devrait être fait.”Avec la publication des nouvelles méthodes d’essai pour le béton avec des barres d’armature composites, les propriétaires et les concepteurs ont maintenant l’assurance que la structure fonctionnera comme prévu. Gremel note que le document d’essai sera converti en une norme ASTM.

Pultrall V-ROD est distribué exclusivement aux États-Unis par Concrete Protection Products Inc. (CPPI, Dallas, Texas). Le président de l’ICPP, Sam Steere, rapporte plusieurs projets récents utilisant V-ROD, y compris un nouveau pont qui enjambe l’autoroute américaine I-65 dans le comté de Newton, en Indiana. Le pont à trois travées de 58 m / 191 pi de long mesure 10,5 m / 34,5 pi de large avec un tablier en béton armé qui repose sur des poutres en I en acier, qui sont supportées sur des piliers en béton. La plate-forme en béton de 203 mm / 8 pouces d’épaisseur est renforcée avec des barres d’armature en acier revêtues d’époxy dans la moitié inférieure, mais une barre composite à TIGE en V résistante à la corrosion est utilisée dans la moitié supérieure, où le potentiel de contact avec les sels de dégivrage est le plus élevé. Deux tailles de barres composites ont été placées, chacune sur des centres de 152 mm / 6 pouces – la barre #5 (diamètre de 16 mm / 0,625 pouce) dans la direction transversale et la barre #6 (diamètre de 19 mm / 0,75 pouce) dans la direction longitudinale. L’ensemble de la structure a été instrumenté avec des capteurs à fibre optique par des chercheurs de l’Université Purdue, pour une évaluation continue des performances du pont via une connexion à distance. C’est la première utilisation de barre composite dans une application de tablier de pont par le département des Transports de l’Indiana, explique Steere.

Hughes Bros. Des barres en fibre de verre Aslan 100 ont récemment été installées dans un pont en béton coulé sur site à Morrison, dans le Colorado., construit par le Colo. Département. de transport (CDOT) en coopération avec la ville et le comté de Denver Parks and Recreation Dept. Le pont de 13,8 m / 45 pieds de long, qui enjambe Bear Creek, utilisait des barres d’armature en fibre de verre dans les semelles, les culées, les murs d’aile, les parapets et une arche de béton coulée en place incurvée. Une plate-forme monobloc entièrement composite qui se trouve au sommet de l’arche de béton a été fabriquée par Kansas Structural Composites (Russell, Kan.). Un certain nombre de tailles de barres d’armature différentes ont été incorporées dans les éléments coulés, notamment #5, # 6 et # 7 (diamètre de 19 mm / 0,75 pouce). De nombreux étriers pliés et des formes uniques ont été nécessaires pour réaliser la conception détaillée, souligne Gremel, ajoutant que tous ont été fabriqués en usine avant l’expédition. L’ingénieur CDOT Mark Leonard affirme que l’État a eu un bon succès avec les barres d’armature composites dans les projets précédents et a sélectionné Aslan parce que Hughes a soumis l’offre la plus basse. Bien que le pont reçoive un trafic minimal à basse vitesse, Leonard dit le concepteur du pont, Parsons Brinkerhoff (Denver, Colo.), ont suivi toutes les directives de conception de l’ACI et ont utilisé les nouvelles méthodes d’essai ACI440.3R-04 pour certifier les matériaux.

Le marché des barres d’armature composites devrait devenir encore plus concurrentiel à mesure qu’un nouveau matériau — la fibre de basalte — prendra pied. Sudaglass Fiber Technology (Houston, Texas), un producteur de fibres de basalte avec des installations en Russie et en Ukraine, a ouvert une usine de production américaine dans le nord du Texas, a déclaré Graham Smith, vice-président exécutif de Sudaglass. Les barres d’armature en basalte / époxy sont actuellement pultrudées en Ukraine et sont en cours de certification pour la construction américaine, selon Smith.

Avec une densité légèrement supérieure à celle des fibres de verre typiques, les fibres de basalte de la société ont une plage thermique beaucoup plus large de -260 ° C à 982 ° C (-436 ° F à 1850 ° F) par rapport à une plage nominale de -60 ° C à 650 ° C (-76 ° F à 1202 ° F) pour le verre — et un point de fusion de 1450 ° C (2642 ° F), ce qui rend le basalte utile dans les applications nécessitant un feu résistance. De plus, Smith note que le matériau présente une excellente résistance à la teneur en alcali du béton sans recourir aux tailles spéciales utilisées pour protéger les fibres de verre.

Quel que soit le choix de renforcement, les barres d’armature composites devraient avoir un large attrait parmi les décideurs du projet. “L’essentiel est qu’un bon ingénieur ou un bon concepteur essaie de résoudre le problème de corrosion”, conclut Gremel. “Pour un coût de 5 à 7 % plus élevé en matériaux de projet, vous obtenez une durée de vie de 10 à 20 ans plus longue pour la structure avec ce produit.”

GRILLES COMPOSITES EN PANNEAUX PRÉFABRIQUÉS : POTENTIEL ÉLEVÉ

Depuis le premier rapport de CT sur l’utilisation de grilles en polymère renforcé de fibres dans les panneaux de construction en béton préfabriqué (“Les solutions composites répondent aux exigences croissantes de la construction civile”, CT août 2002, p. 40), le marché a connu une croissance significative, explique Busel. “Cette application est énorme”, soutient-il. ” Il y a un potentiel énorme.”

La charge est dirigée par AltusGroup, un consortium de cinq fabricants de béton préfabriqué et producteur de renforcement TechFab LLC (Anderson, S.C.), formé spécifiquement pour promouvoir la technologie CarbonCast dans laquelle les grilles en fibre de carbone / époxy C-GRID de ce dernier remplacent les grilles en acier traditionnelles ou les barres d’armature dans les structures préfabriquées en tant que renforcement secondaire. TechFab est une coentreprise à 50/50 d’Hexcel (Dublin, Californie).) et du Groupe Chomarat (Le Cheylard, France). Jusqu’à présent, les membres d’AltusGroup incluent Oldcastle Precast (Edgewood, Md.), De HAUTES Structures En béton (Denver, Pa.), deux préfabriqués appartenant aux sociétés Cretex (Elk River, Minn.) et Metromont Prestress (Greenville, S.C.), mais de nouveaux membres seront probablement ajoutés en raison du volume croissant des ventes, explique John Carson, directeur du développement commercial de TechFab et chef de programme pour la technologie C-GRID.

Une variété de produits CarbonCast sont offerts par AltusGroup, y compris des panneaux muraux isolés structurels et non structuraux et des revêtements architecturaux. La GRILLE en C remplace généralement les éléments de renforcement de treillis métallique en acier secondaire — les barres d’armature en acier conventionnelles sont toujours utilisées pour le renforcement primaire dans la plupart des cas. C-GRID est fabriqué selon un processus de quasi-tissage exclusif efficace qui aligne les fibres de carbone superposées de chaîne et de trame de grande taille mouillées avec un époxy à durcissement rapide, dans une structure ouverte. Les ouvertures de grille varient en taille de 25,4 mm à 76 mm (0,25 pouce à 3 pouces), selon les exigences de résistance des panneaux, le type de béton et la taille des agrégats. Pendant le processus de fabrication, la grille reçoit une surface rugueuse qui améliore la résistance de liaison entre la grille et le béton durci. Des grilles, composées de fibres de verre, d’aramide ou de polymère en combinaison avec une variété de résines, sont également disponibles dans la gamme de produits MeC-GRID de TechFab. Les grilles en carbone et non carbone trouvent toutes deux une utilisation dans d’autres applications, telles que les éléments décoratifs, le béton coulé sur place et la réparation / réhabilitation.

Les avantages des panneaux CarbonCast sont importants, explique Carson. La GRILLE en C est beaucoup plus légère et possède près de sept fois plus de propriétés de traction que l’acier. La fissuration due au retrait de durcissement est considérablement réduite et la grille en C ne se corrode pas, ce qui élimine les taches de surface souvent disgracieuses qui se produisent sur les panneaux de béton avec des grilles en acier. Sa résistance à la corrosion permet d’utiliser aussi peu que 6,35 mm / 0,25 pouce de couverture en béton, tandis que jusqu’à 76,2 mm / 3 pouces de couverture peuvent être nécessaires pour protéger la grille en acier de l’humidité. Par conséquent, le poids du panneau peut être réduit de 66% par rapport au préfabriqué conventionnel. Les panneaux plus légers permettent de réduire le poids global du mur, ce qui nécessite une sous-structure en acier moins importante, ce qui entraîne des coûts de construction nettement inférieurs. La GRILLE en C est également thermiquement non conductrice, de sorte que la valeur d’isolation du panneau n’est pas compromise. De plus, des ouvertures peuvent être découpées dans les panneaux sur le chantier à l’aide d’une scie électrique, ce qui n’est pas possible avec une grille en acier. Tous ces avantages se traduisent par des coûts de transport, d’érection et de superstructure réduits pour une construction plus efficace.

Plus de 3 millions de pi2 de produits de panneaux CarbonCast ont été vendus à ce jour et la demande est si élevée que TechFab a récemment annoncé d’importants plans d’expansion. Une nouvelle usine abritera une ligne de fabrication de réseau supplémentaire qui, selon Carson, devrait être opérationnelle d’ici octobre de cette année. L’annonce a suivi de près l’accord pluriannuel annoncé par la société avec Zoltek Corp. (St. Louis, Mo.), le fournisseur de la fibre de remorquage Panex 35 utilisée dans la grille en C. Selon Carson, l’accord garantira un approvisionnement constant pour C-GRID pendant les premières années de lancement du produit. ” Zoltek a été notre principal fournisseur de fibres et notre principal défenseur dès le premier jour de ce projet”, note-t-il.

Les panneaux préfabriqués ont été utilisés dans des projets aussi divers que des salles de cinéma, des églises et des garages de stationnement. Un projet récent était le complexe de bureaux / entrepôts Cardinal Health de 332 000 pi2 près de Baltimore, au Maryland. Des panneaux CarbonCast d’une longueur maximale de 15,5 m / 51 pieds ont été coulés pour former les murs extérieurs verticaux du bâtiment de deux étages. Chaque panneau est une construction en sandwich avec une isolation en mousse de 152 mm / 6 pouces (atteignant une valeur d’isolation R-16) entre les feuilles de visage constituées d’une wythe externe de 50 mm / 2 pouces d’épaisseur (couche de béton) et d’une wythe interne de 100 mm / 4 pouces d’épaisseur, une GRILLE en C placée perpendiculairement aux faces du panneau relie les wythes internes et externes, fournissant un renforcement de cisaillement.

” Nous passons à la vitesse supérieure avec ce concept “, explique Carson. ” Nous ajoutons de nouveaux produits pour répondre à la croissance des applications.”

BÉTON ARMÉ DE FIBRES : À VENIR FORT

L’utilisation de fibres courtes dans le béton pour améliorer les propriétés est une technologie acceptée depuis des décennies, voire des siècles, étant donné que dans l’Empire romain, les mortiers structurels étaient renforcés avec du crin de cheval. Les renforts en fibres augmentent la ténacité et la ductilité du béton (la capacité de se déformer plastiquement sans se fracturer) en supportant une partie de la charge en cas de défaillance de la matrice et en arrêtant la croissance des fissures. Dr. Victor Li de l’Université du Michigan a étudié les propriétés des composites cimentaires renforcés de fibres à haute performance, un sous-ensemble très performant du béton armé de fibres, et il pense que l’acceptation du matériau augmentera, tant que la performance, le faible coût et la facilité d’exécution sont maintenus.

“L’utilisation de ce matériau peut entraîner l’élimination des barres d’armature de cisaillement, ce qui entraîne une réduction des coûts de matériaux et de main-d’œuvre”, explique Li.”Une structure plus mince réduit le volume de matériau et la charge morte, et facilite le transport. Ces réductions de coûts globales peuvent facilement justifier le coût du matériau renforcé de fibres.”

La reconnaissance officielle du béton armé de fibres a stimulé la publication de normes et de directives pour son utilisation au cours des cinq dernières années (voir CT Juillet / août 2001, p. 44). Depuis lors, les applications commerciales se sont multipliées.

Le géant des matériaux de construction Lafarge SA (Paris, France) promeut depuis près de dix ans son matériau en béton fibré ultra-performant, sous la marque Ductal, ciblant une grande variété d’applications d’infrastructure civile et architecturale. Le canal est un mélange de ciment Portland, de fumée de silice, de farine de quartz, de sable fin de silice, de plastifiants, d’eau et de fibres d’acier ou organiques, généralement de 12 mm / 0,5 pouce de longueur. Vic Perry, vice-président / directeur général de Ductal, explique que la combinaison de poudres fines, sélectionnées pour la taille des grains relative, crée un compactage maximal pendant le durcissement, ce qui entraîne une absence totale de porosité continue, ce qui élimine pratiquement la pénétration d’humidité et la corrosion potentielle des fibres d’acier. Pour être sûr, les fibres d’alcool polyvinylique (PVAL) sont généralement spécifiées pour les applications architecturales ou décoratives, afin d’exclure toute possibilité de coloration de surface pouvant survenir avec des fibres d’acier rouillées et d’éliminer l’abrasivité lorsque le contact humain est préoccupant. Les matériaux sont vendus dans des sacs en vrac à des préfabricants ou à des fournisseurs de béton prêt à l’emploi.

” L’ajout des fibres fait que le matériau se déforme de manière ductile et supporte des charges de traction “, explique Perry. “Les fibres offrent une ténacité et des propriétés micro-structurelles améliorées.”

Selon le type de fibre utilisé, la résistance à la compression des canalisations varie de 150 MPa à 200 MPa (21 750 psi à 29 000 psi), par rapport aux 15 MPa à 50 MPa (2 175 psi à 7 250 psi) du béton standard. La résistance à la flexion testée peut atteindre 40 MPa / 5 800 psi, explique Perry. Les canalisations renforcées avec les fibres d’acier Forta de Lafarge ont été utilisées pour la construction préfabriquée et dans plusieurs applications de poutres de pont de précontrainte. À Saint-Pierre-La-Cour, en France, un pont pour véhicules de 20 m / 65 pieds de long a été conçu avec 10 poutres canalaires en I supportant un tablier traditionnel en béton armé coulé sur place de 170 mm / 6,5 pouces d’épaisseur. Les poutres préfabriquées, qui ne contiennent pas de barres d’armature, ont une profondeur de 600 mm / 24 pouces et ont été précontraintes avec des câbles à torons en acier de 13 mm / 0,5 pouce, placés dans la bride inférieure. La tension est appliquée aux brins avant que le canal ne soit versé dans la forme de faisceau. Une fois que le béton recouvre les brins et que le matériau a commencé à durcir, ils sont coupés, ce qui exerce une contrainte de compression sur le mélange de béton.

Lorsque vous soumettez une poutre précontrainte à une flexion, explique Perry, elle ne subit pas de contrainte de tension, mais se “décompresse”, ce qui améliore considérablement les performances. En raison de la résistance du canal, les poutres ne nécessitent pas de barres d’armature, ce qui réduit considérablement le poids par pied.

Les structures canalaires en forme de section transversale comme la lettre majuscule grecque “Π” (essentiellement une poutre-caisson sans bride inférieure) fonctionnent à la fois comme tablier et poutres sur un pont expérimental installé sur une piste d’essai au laboratoire Turner Fairbank de la Federal Highway Authority (FHWA) des États-Unis, pour étudier l’adéquation de la conception à la construction future d’autoroutes. La poutre / tablier “Π” est conçue pour résister aux configurations de charge HL-93 de l’American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO).

” Les poutres canalaires permettent des portées plus longues pour le même poids de poutre “, explique Perry. “Finalement, nous verrons du béton armé de fibres dans les poutres et les tabliers des ponts.”

Systèmes en béton SI. (Chattanooga, Tenn.) est un fabricant de renfort fibreux pour béton. SI propose des produits Novomesh, Fibermesh et d’autres fibres qui sont utilisés comme alternative au renforcement secondaire du treillis métallique en acier et aux barres d’armature légères dans les applications commerciales et résidentielles, explique Hal Payne, directeur des alliances stratégiques de SI. SI propose des fibres de polypropylène (PP), des fibres d’acier, des fibres macrosynthétiques et des mélanges techniques. Selon Payne, les produits en fibres de polypropylène de SI sont essentiels pour contrôler les fissures de retrait du plastique “d’âge précoce” afin d’empêcher ces fissures de se transformer en défauts majeurs à mesure que le béton durcit. Novomesh 950 est un nouveau produit pour l’entreprise et consiste en un mélange de fibres macrosynthétiques monofilament grossières et de fibres microsynthétiques fibrillées collées. Selon Payne, le produit donne un résultat aussi bon que les fibres d’acier dans son utilisation prévue pour les dalles de sol commerciales.

Kingspan (Sherburn, Malton, N. Yorkshire, Royaume-Uni) est un spécialiste de la construction en béton qui utilise des additifs de fibres de béton de Bekaert Building Products (Friedrichsdorf, Allemagne). Les fibres d’acier Dramix façonnées par Bekaert sont ajoutées au béton pour produire des sols et des toitures sans grilles d’armature en acier. Le produit serait idéal pour les sites de construction exigus comme le développement Spurriergate de trois étages au cœur de la ville historique de York au Royaume-Uni. Étant donné que le béton ne nécessite pas de renforcement de la grille en acier, le coût de la grille en acier et la main-d’œuvre requise pour livrer les rouleaux volumineux, puis les couper et les placer dans des bâtiments à plusieurs étages avant les opérations de coulée du béton sont entièrement éliminés. Les sols en béton armé de fibres du projet ont été placés en une seule opération, simplement en acheminant le matériau renforcé de fibres directement à chaque étage à l’aide d’un équipement de pompage automatisé.

En Australie, en France, au Japon et aux États-Unis, les guides de conception provisoires (répertoriés dans la barre latérale) fournissent désormais des conseils et des autorisations pour le béton armé de fibres, un facteur important dans sa plus grande acceptation par les concepteurs, les ingénieurs et les décideurs de projet sur le marché des infrastructures. “Le matériau offre des solutions telles que la rapidité de construction, une esthétique améliorée, une durabilité supérieure et une résistance à la corrosion”, conclut Perry. ” Cela se traduit par une maintenance réduite et une durée de vie plus longue pour la structure.”

Note de la rédaction: Surveillez notre prochain article sur l’utilisation des matériaux composites pour la réparation des infrastructures (CT juin 2005) et de futurs articles sur les chevilles en fibre de verre et les tendons de précontrainte.