Parmi les matériaux qui ont été utilisés en combinaison avec le béton, parmi les nombreux qui ont été testés, seulement 2 ont réussi à passer l’épreuve du temps et du marché : l’acier et le polypropylène.
Acier
L’acier est probablement le matériel qui s’associe le mieux au béton : sa remarquable résistance à la traction se combine parfaitement avec l’excellente résistance à la compression du béton. De plus, ce dernier, grâce à sa basicité, constitue un environnement favorable pour la conservation de l’acier dans le temps. Il n’est donc pas étonnant que les fibres d’acier soient utilisées dans le béton depuis de nombreuses décennies.
Les fibres d’acier sont utilisées presque exclusivement pour des applications structurelles, pour deux raisons : la première est que produire des fibres d’acier extrêmement fines et courtes a un coût considérable et donc typiquement, dans des applications telles que la fibre pour béton, pour que le produit ait un sens économique, elles sont produites avec un diamètre et une longueur qui permettent d’atteindre quelques milliers de filaments par kg de produit. Les applications anti-fissuration nécessitent un nombre plus élevé de filaments d’un ou deux ordres de grandeur. La deuxième raison est que leur haute résistance à la traction, qui peut atteindre 1200-1400 MPa, convient bien à ce type d’application.
Leur utilisation est plutôt simple du point de vue de la conception car les réglementations européennes et italiennes sur le sujet ont depuis longtemps donné des références précises aux concepteurs, qui peuvent les prescrire dans les cahiers des charges sans trop de problèmes.
Les fibres d’acier ont l’inconvénient d’être sujettes à l’oxydation ; cet aspect est accentué par le fait que les fibres, de par leur nature, ne peuvent pas être contrôlées quant à leur position dans la matrice de ciment (la distance de recouvrement du béton ne peut pas être respectée). À long terme, donc, l’oxydation et la corrosion peuvent compromettre le bon état des fibres les plus exposées. Il existe également des aciers spéciaux qui peuvent être utilisés dans le domaine du marché des fibres pour béton précisément pour contrer ces aspects négatifs : les fibres d’acier galvanisées et fibres d’acier inoxydable.
Les fibres d’acier galvanisées sont des fibres d’acier normales dont les performances sont similaires à celles des correspondants en acier au carbone, la seule différence significative étant représentée par une galvanisation de surface. Cette galvanisation de surface protège l’acier de l’oxydation mieux et plus longtemps que la version normale. Comparées aux fibres d’acier normales, celles galvanisées coûtent environ le double. Les fibres galvanisées conviennent pour les applications dans des environnements saumâtres et dans le cas de bâtiments préfabriqués peints, pour lesquels la fonction esthétique est très souvent primaire par rapport à la fonction structurelle et donc la présence de taches d’oxydation superficielles serait très préjudiciable à l’esthétique du bâtiment.
Les fibres d’acier inoxydable, en revanche, sont la réponse définitive aux problèmes d’oxydation dans les fibres d’acier. Il existe différents types en fonction de la qualité de l’acier utilisé et du degré de résistance à la rouille. Voici une liste des moins performants aux plus puissants :
- AISI 430 – acier inoxydable ferritique
- AISI 304 – acier inoxydable austénitique
- AISI 310 – acier inoxydable austénitique
Ces fibres sont principalement utilisées (pour ne pas dire presque exclusivement) sur le marché des producteurs de produits réfractaires, qui nécessitent une température de fusion très élevée que seul l’acier inoxydable peut garantir. Les prix des fibres inoxydables sont le double de ceux des fibres d’acier normales ; au moment de la rédaction, cela va de 4,50 €/kg pour les ferritiques pour atteindre environ 9,00 €/kg pour celles en acier austénitique 310. Il est totalement superflu de commenter que dans des applications “normales” et quotidiennes ce type de fibre n’a pas de sens économique.
Les fibres d’acier sont classifiées par la norme de référence (EN 14889-1) en fonction de l’une des méthodes de production suivantes à partir desquelles elles sont obtenues :
- obtenues à partir de fil d’acier (“from wire”)
- obtenues par découpe de la plaque (“cut sheet”)
- obtenues par extrusion à chaud (“melt extracted”)
- obtenues par étirage à froid (“cold drum wire”)
- autres
Les deux premiers types sont les plus répandus sur le marché. Depuis quelque temps, le type 4 est également vendu, de qualité inférieure aux précédents, également en raison de la forte concurrence sur les prix qui affecte ce marché depuis quelque temps.
Les deux premiers types sont facilement distinguables l’un de l’autre puisque ceux en fil ont une section circulaire, tandis que ceux en plaque ont une section carrée. La littérature spécialisée reconnaît les fibres en fil (type 1) comme étant de qualité supérieure aux autres types.
Fibres polymères
Les fibres polymères sont des fibres obtenues à partir de matériaux synthétiques constitués de chaînes polymères de la même famille plastique commune. La famille la plus répandue, sur le marché des fibres pour béton, sont les fibres “polyoléfiniques”. Cependant, il y a aussi des producteurs qui ont proposé d’autres types de polymères sur le marché, principalement le polyester et le polyacrylonitrile.
Les détracteurs des fibres synthétiques (généralement les producteurs de fibres d’acier) accusent ces modèles d’avoir un comportement plastique visqueux (également appelé “fluage”) lorsqu’ils sont soumis à des tensions constantes et prolongées dans le temps. L’origine de cette accusation, certainement fondée, réside dans le fait que de nombreux polymères utilisés dans la fabrication des fibres pour béton présentent naturellement ce comportement et donc, ils maintiennent, même les fibres répéteront le même phénomène. Il est vrai que les fibres polymères structurelles sont presque toujours obtenues à partir de polymères précontraints et orientés, pour augmenter leur résistance. Cela réduira grandement le phénomène de fluage. Cependant, la législation sur le sujet est encore complètement absente, tout comme le sont les réglementations spécifiques pour tester et mesurer ce phénomène. Les seules informations à cet égard sont dues à des tests commandés par des producteurs individuels ou réalisés par des instituts de recherche, intéressés à enquêter sur le phénomène et les implications du point de vue de la structure dans son ensemble. Ce sont des tests qui durent au moins 2 ans et pour le moment, il n’y a pas de données certaines et publiques (également parce qu’il n’y a pas de législation sur la question qui homogénéise la méthodologie, tout résultat serait complètement arbitraire et peu comparable avec d’autres).
Voyons maintenant les principaux matériaux avec lesquels les fibres synthétiques sont produites.
Avec le terme technique “polyoléfine”, un ensemble de matériaux est défini dans la chimie des plastiques, dont les plus célèbres sont le polypropylène (PP) et le polyéthylène (PE).
Le polypropylène vierge, parmi ceux de la famille des polyoléfines, est le polymère généralement utilisé dans la fabrication des fibres. Le polypropylène non orienté a normalement des résistances à la traction d’environ 30-50 MPa. Dans le cas des fils, c’est-à-dire avec des chaînes orientées, les résistances à la traction atteignent facilement 250-400 MPa ! Dans le cas des fibres auxiliaires, cette valeur est plus que suffisante.
Pour les applications structurelles, cependant, des résistances plus élevées sont requises et donc des mélanges de polymères polyoléfiniques plus performants que le polypropylène vierge sont souvent utilisés, ou des techniques de traitement telles que le “repassage” du fil. Ces dispositifs supplémentaires permettent d’atteindre des résistances maximales qui peuvent même dépasser 600 MPa.
Il convient de noter que l’usage s’est longtemps établi sur le marché, désormais communément accepté par les producteurs et les techniciens du secteur, de définir les fibres les moins performantes comme “polypropylène” (auxiliaires) et “polyoléfine” ou “fibres polyoléfiniques”. Cette définition n’est pas entièrement vraie, étant donné que dire polyoléfine n’exclut pas que la fibre soit en polypropylène vierge, mais c’est une coutume établie.
Les fibres de polyacrylonitrile (PAN), également appelées simplement “acryliques”, sont des fibres synthétiques obtenues à partir d’une chaîne polymère différente des polyoléfines. Les principales choses à savoir sur les acryliques sont :
- Généralement des fibres de qualité inférieure, obtenues à partir de déchets d’autres processus. Leur force commerciale réside uniquement dans le prix.
- Elles sont normalement présentes en petits flocons qui seuls auraient du mal à se disperser adéquatement dans la matrice de ciment, donc sont “habillées” pour augmenter l’indice de mouillage. Dans certaines applications, cette échelle a causé la création de mousse dans le béton lors du mélange, avec des réductions drastiques des performances.
- Elles sont des fibres qui, dans de nombreux cas, ont tendance à incorporer plus d’air que d’autres fibres de forme et de taille similaires.
Seules des fibres auxiliaires de ce type sont connues sur le marché. Au moment de la rédaction, il n’existe pas de fibres acryliques structurelles.
Le polyester est un fil synthétique souvent utilisé dans l’industrie textile. C’est un polymère résistant et rigide, avec un module élastique supérieur à celui du polypropylène (plus rigide). Malgré le fait que le polyester ait “TOUS LES NUMÉROS” pour potentiellement constituer un bon matériau à partir duquel fabriquer des fibres pour béton, en fait presque aucun fabricant ne l’a adopté et ceux qui l’ont fait ont obtenu peu de satisfaction en termes de performance dans le béton et de contrepartie sur le marché ![
Des fibres synthétiques sont produites à partir de divers matériaux, parmi lesquels le polypropylène (PP) est le plus courant. Cependant, d’autres polymères comme le polyester et le polyacrylonitrile sont également utilisés. Les fibres en polypropylène sont populaires pour leur résistance et leur durabilité dans le béton, offrant une protection contre les fissurations et améliorant les propriétés mécaniques du béton. Les fibres en polyester et en polyacrylonitrile offrent des caractéristiques spécifiques qui peuvent être préférées pour certaines applications. La sélection du type de fibre dépend des exigences de performance et des conditions d’utilisation du béton.
Verre
En principe, le fil de verre est un matériau avec une très haute résistance à la traction : il peut atteindre des valeurs allant jusqu’à 1700 MPa, bien au-dessus des meilleurs aciers, si le fil est suffisamment fin (un fil de verre plus fin est statistiquement plus libre de microfractures qui améliorent l’incroyable fragilité, pour cela des fils de verre très fins en laboratoire atteignent des résistances même supérieures à l’acier). Le problème, comme tout le monde le sait, est sa fragilité inhérente, qui donc dans les applications quotidiennes ne permet pas d’atteindre ces performances.
Le verre est donc principalement utilisé pour des applications anti-fissuration, avec lesquelles les fibres de verre se comportent très bien (les mortiers Azichem utilisent largement des fibres de verre en fait) même si elles ont un coût supérieur à celui des cousines en polypropylène plus répandues.
La chose fondamentale pour qu’une fibre de verre soit utilisée dans le béton est qu’elle soit résistante aux alcalis (AR), ou lorsqu’insérée dans le béton, elle résiste à l’environnement hautement basique des mélanges à base de ciment ou de chaux. Il existe également sur le marché des fibres non-AR qui sont clairement beaucoup moins chères que les AR mais qui après un certain temps se dissolvent dans le mélange.