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Fibres métalliques ou fibres synthétiques ? M

Pierre ROSSI Laboratoire Central des Ponts & Chaussées

Avec l’aimable autorisation de l’auteur et de l’éditeur (revue Béton[s]-numéro 21-mars/avril 2009), que nous remercions, nous publions ici l’essentiel de la partie technique de cet article.

Fig. 1 - Renforcement immédiat par béton de fibres métalliques projeté selon les performances requises par la norme EN.

structures ou éléments structuraux constitués de ces matériaux (aujourd’hui parfaitement validées pour les bétons de fibres métalliques). Il existe donc, aujourd’hui, des marchés pour ces matériaux, marchés en constante croissance.

Fig. 2 - Exemple de fibres métalliques.

1 - Quelques élémentsde comparaisonDeux familles de fibres sont aujourd’hui disponibles sur ces marchés : les fibres métalliques et les fibres synthétiques. Quand on se penche sur la littérature (scientifique ou technique) ayant trait aux performances et avantages comparés des deux familles

Fig. 3 - Exemple de fibres polypropylène.

TUNNELS ET ESPACE SOUTERRAIN - n°218 - Mars/Avril 2010

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Les bétons de fibres ne sont plus considérés comme des matériaux “exotiques” par les professionnels du génie civil et du bâtiment. Ceci, après plus de trente ans de recherches et de développement techniques. Ce constat positif est le résultat de plusieurs éléments qui sont, de manière non exhaustive : • un retour d’expérience concluant (surtout pour les bétons de fibres métalliques dont l’utilisation remonte à la fin des années 70) ; • une très bonne maîtrise technique de ces matériaux (formulation, mise en œuvre, propriétés physico-chimiques et mécaniques…) ; • l’existence de recommandations nationales et internationales relatives au dimensionnement des

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de fibres, on trouve souvent approximations et erreurs. L’objectif de cet article n’est pas d’arbitrer mais de proposer quelques éléments les plus objectifs possibles devant permettre aux utilisateurs de fibres de faire leur choix en connaissance de cause. Afin d’y arriver, il n’a pas été choisi de réaliser une analyse comparative exhaustive entre les deux catégories de fibres, mais de focaliser cette analyse sur deux problématiques importantes pour lesquelles elles se différencient clairement. Ces deux problématiques sont, d’une part, les performances mécaniques et, d’autre part, les aspects liés à la durabilité.

2 - Les performancesmécaniques2.1 - Propriétés des bétons et des fibres Il est tout d’abord utile de rappeler deux points de base indispensables à toute réflexion sur les bétons de fibres. Un béton de fibres est un matériau composite constitué d’une matrice - le béton - et d’un renfort - la fibre -. Dans un béton fibré, les fibres n’ont d’autre rôle que de reprendre des efforts au travers des fissures créées dans la matrice. En d’autres termes, les fibres ne sont utiles que s’il y a des fissures potentielles dans le matériau. Pas de fissures, pas de fibres ! Vis-à-vis de la maîtrise de la fissuration, une caractéristique mécanique de la fibre est primordiale : c’est le module de Young, qui caractérise la rigidité de la fibre.

Pour ce qui concerne les fissures dans le béton, elles apparaissent à différents moments dans la vie du matériau. Depuis les premiers instants (retrait plastique…) jusqu’à un âge très avancé... En conséquence, ces fissures apparaissent à des âges du béton correspondant à des caractéristiques structurelles (compacité par exemple) et mécaniques (résistance en compression, en traction, module de Young…) évolutives du matériau. A jeune âge, c'est-à-dire durant les trois premières heures, le résistance du béton ainsi que son module de Young sont faibles : résistance en compression inférieure à 3 MPa, résistance en traction inférieure à 0,3 MPa et module de Young inférieur à 5 Gpa. Ces chiffres ne sont que des ordres de grandeur. Si le béton se fissure durant cette période, les efforts à reprendre par les fibres seront faibles, ainsi que les ouvertures de fissure. Au bout de vingt-quatre heures et plus, les propriétés mécaniques du béton augmentent considérablement : résistance en compression supérieure à 10 MPa, résistance en traction supérieure à 1 MPa et module de Young supérieur à 15 GPa. Ce sont toujours des ordres de grandeur. Durant cette période de maturation, si le béton est de nouveau “poussé” à se fissurer, les efforts à reprendre par les fibres ainsi que les ouvertures de fissure seront beaucoup plus importants.

2.2 - Comportement des fibres vis-à-vis de la fissuration a) Les fibres métalliques, le plus souvent en acier, ont un module de Young élevé (200 GPa) ainsi qu’une résistance en traction élevée (entre 800 et 2 500 MPa).

Au très jeune âge, du fait des faibles ouvertures des fissures pouvant se créer et du mauvais ancrage de la fibre dans la matrice peu compacte, ces fibres métalliques sont peu efficaces vis-à-vis des fissures. La matrice tire peu sur les fibres au droit des fissures et donc ces dernières réagissent également très peu ! Par contre, plus le béton vieillit, plus les fibres métalliques sont mises à contribution par les fissures. Elles répondent très efficacement. b) Les fibres synthétiques utilisées dans le béton sont en très grande majorité des fibres de polypropylène. Elles ont un module de Young assez faible qui varie entre 3 et 5 GPa. Elles sont proposées sur le marché dans des dimensions très petites (tant en longueur qu’en diamètre). Plus récemment, un autre type de fibre synthétique a fait son apparition sur le marché : la fibre polymérique, appelée aussi macro-synthétique.

Fig. 6 - Exemple de fibres macro-synthétiques.

Elle est “proposée” pour les applications structurelles. Ses dimensions sont plus importantes que les fibres de polypropylène. Ces fibres macro-synthétiques ont aussi un module de Young plus élevé que celui des fibres de polypropylène, puisqu’il varie, approximativement, entre 5 et 10 GPa.

Fig. 4 - Le béton fissure, c’est dans sa nature. L’incorporation de fibres dans le matériau permet de lutter contre le phénomène.

En effet, plus le module de Young de la fibre est important, meilleur est le contrôle des fissures créées, en terme de longueur et d’ouverture. Ces dernières données diminuent quand le module de Young de la fibre augmente. Ce principe est incontournable à condition que le bon ancrage de la fibre dans le béton soit assuré. 140

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Fig. 5 - Les fibres métalliques sont utilisées dans plus d’un tiers des dallages industriels.


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Fig. 7 Test de fluage.

d) Fluage des fibres Le fluage est un autre point à considérer vis-à-vis des aspects mécaniques. Le fluage d’un matériau caractérise le fait que celuici se déforme dans le temps, même sous efforts constants. Les fibres métalliques, au regard des niveaux de contrainte atteints dans le béton, ne fluent pas ou quasiment pas. Il n’en est pas de même pour les fibres synthétiques. En effet, cellesci fluent de manière non négligeable. Ceci peut avoir des conséquences négatives. En effet, on peut se trouver dans une situation où, à un instant donné, le béton de fibres synthétiques réponde correctement au cahier des charges de la structure (stabilité mécanique, déformée, ouvertures de fissures…) et que le fluage des fibres

(entre les fissures) fait “basculer” la structure dans une situation non acceptable, avec des déformées (bon usage de la structure) et des ouvertures de fissure qui deviennent trop importantes (problèmes de durabilité). La figure 7 ci-dessus, issue de la littérature, illustre ce qui précède. On y présente une étude comparative concernant le fluage de poutrelles pré-fissurées en béton de fibres métalliques et en béton de macro-synthétiques. Ce n’est qu’une illustration, car l’amplitude du fluage dépend de l’ouverture initiale des fissures qui n’est pas ici précisée.

3 - Durabilité des bétonsde fibresQuand on parle de durabilité des bétons de fibres, il faut se placer à deux niveaux - deux échelles - : celui du matériau et celui de la structure. a) Le premier aspect à évoquer concerne bien sûr le problème de la corrosion des fibres (échelle matériau). Pour ce qui concerne les fibres synthétiques, à l’exception de certaines fibres d’aramide, il n’y a pas de problème de durabilité de la fibre dans le béton. Pour ce qui concerne les fibres métalliques, la corrosion des fibres peut bien évidemment survenir. Le retour d’expérience et la recherche concluent sur deux points : • la corrosion superficielle des fibres peut provoquer des salissures à la surface des structures exposées ; • la corrosion superficielle des fibres ne génère aucune pathologie, ni perturbation dans le fonctionnement mécanique des structures les utilisant.

Cette corrosion potentielle des fibres métalliques peut être minimisée dans la pratique en : • optimisant la formulation du béton fibré ; • utilisant des coffrages non métalliques ou munis d’une “peau interne” (tissu synthétique, par exemple) ; • utilisant des fibres galvanisées. b) Le second aspect relatif à la durabilité des bétons fibrés concerne la tenue au feu des structures. Les fibres métalliques n’apportent pas un plus déterminant dans la tenue au feu des structures. Ce que l’on peut simplement souligner est qu’une structure en béton de fibres métalliques se comporte plutôt mieux vis-à-vis du feu qu’une structure en béton armé classique (moins d’éclatements). Au contraire, certaines fibres synthétiques, notamment les microfibres de polypropylène, ont un effet positif très significatif vis-à-vis de cette problématique. Cette efficacité constatée est liée à un phénomène très simple : lors d’un feu, les fibres de polypropylène disparaissent (elles ont atteint leur point de fusion) pour laisser la place à un réseau important de fines “canalisations” (capillaires) réparties dans tout le volume de la structure. Ces canalisations servent de vases d’expansion pour la vapeur d’eau sous pression générée par le feu (évaporation de l’eau présente dans le béton).

Fig. 8 - Exemple de fibres macro-synthétiques utilisées en protection contre les incendies.


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Enfin, deux autres types de fibres synthétiques sont aussi utilisés dans le béton, mais à un niveau beaucoup plus faible. Ce sont les fibres PVA et les fibres d’aramide dont les modules de Young respectifs sont égaux à 30 et 70 GPa. Ces fibres sont aujourd’hui utilisées dans des bétons fibrés à très hautes et à ultra-hautes performances. c) Les remarques qui suivent concernent les fibres de polypropylène et les macro-synthétiques. Au très jeune âge, du fait de leur faible module de Young, ces fibres sont très réactives vis-à-vis des fissures potentielles, en particulier les microfibres de polypropylène. En effet, de faibles déplacements sur les fibres liés aux faibles ouvertures de fissures, génèrent, dans ces fibres, des efforts suffisants pour s’opposer à la propagation des fissures. Cette efficacité est accrue par le fait que certaines fibres de polypropylène sont fibrillées et donc très bien ancrées. Ceci même dans une matrice peu compacte et adhérente que constitue un béton au très jeune âge. Par contre, plus le béton acquiert de la maturité, moins les fibres synthétiques deviennent intéressantes. En effet, toujours du fait de leur faible module de Young, les fibres synthétiques doivent subir de très grands déplacements, correspondant à des grandes ouvertures de fissures, pour générer des efforts de couture (de ces fissures) appropriés. En conséquence, dans les structures âgées et fissurées en béton comportant des fibres macro-synthétiques, les fissures sont beaucoup plus ouvertes qu’avec des fibres métalliques et la déformée de ces structures peut être (trop) importante.

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c) Pour ce qui concerne la durabilité des structures en béton fibré, un dernier point important concerne le maintien dans le temps d’une fonction demandée à une structure donnée. A l’exemple d’un revêtement quelconque en béton fibré à qui on demande d’assurer une fonction d’étanchéité (vis-à-vis des infiltrations d’eau, par exemple). Du fait du fluage des fibres synthétiques, évoqué précédemment, cette fonction, un moment assurée par une structure en béton de fibres synthétiques, peut ne plus l’être quelque temps plus tard. Il s’agit d’un problème pour lequel les bétons de fibres métalliques ne sont pas concernés. Enfin, dans le cas d’éléments préfabriqués manuportables, ou dans celui des structures susceptibles d’être en contact direct avec les usagers, des problèmes de sécurité peuvent se poser, s’agissant de bétons de fibres métalliques. Ce phénomène concerne surtout les bétons de fibres dont les fibres sont de petits diamètres, c’est-à-dire inférieures ou égaux à 0,25 mm. En effet, on ne peut jamais garantir à 100 % qu’aucune fibre métallique n’affleurera à la surface de la structure, ce qui peut occasionner des blessures. Des solutions techniques existent pour pallier cet inconvénient, solutions dont il ne faut pas faire l’impasse. Ces problèmes de blessure occasionnés par des fibres n’existent pas avec les fibres synthétiques.

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4 - ConclusionAfin de synthétiser ce qui précède, on peut dire que : • les bétons de fibres métalliques sont peu performants vis-à-vis de la fissuration au jeune âge, mais très efficaces vis-à-vis de la fissuration des structures en béton ayant atteint leur maturité ;

Fig. 9 - Les fibres métalliques sont de plus en plus utilisées dans les voussoirs en substitution totale ou partielle des armatures métalliques. L’introduction complémentaire de microfibres en polypropylène dans la composition béton fibré réduit les risques d’écaillage. Ainsi, la combinaison fibres métalliques et microfibres de polypropylène est une solution optimisée.

• les bétons de microfibres de polypropylène sont efficaces vis-à-vis de la fissuration au jeune âge (retrait plastique) ; • les bétons de macro-synthétiques sont techniquement moins pertinents que les bétons de fibres métalliques (avec un problème de maintien dans le temps de certaines fonctions) dans les structures relativement sollicitées ; • les microfibres de polypropylène sont recommandées pour améliorer la tenue au feu des structures en béton ; • il faut être vigilant vis-à-vis des structures manuportables ou en contact avec l’usager quand elles contiennent des fibres métalliques. Ces fibres peuvent provoquer des coupures si aucune solution technique n’est prise. Pour terminer, on peut dire que ceux qui auront saisi les performances réciproques des deux fibres pourront choisir, dans certains cas, d’associer, pour le meilleur, les deux renforts, pas si ennemis qu’on voudrait le faire croire. t


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Pierre ROSSI Laboratoire Central des Ponts & Chaussées

This excerpt, which is the principal technical section of an article published in issue 21 (March/April 2009) of Béton[s] magazine, is reproduced here by kind permission of the author and the publisher.

Fig. 1 - Immediate reinforcement using steel fibre-reinforced shotcrete in compliance with E.N performance standards.

tural elements made of these materials (which are now fully validated for steel-fibre concretes). Consequently, there are now markets for these materials and these markets are continuing to expand.

Fig. 2 - Example of steel fibres.

1 - Some points of comparisonToday, two fibre families are available on these markets: steel fibres and synthetic fibres. Close reading of both scientific and technical literature dealing with the relative performance and advantages of each family of fibres often reveals many approximations

Fig. 3 - Example of polypropylene fibres.


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Civil engineering and construction professionals no longer view fibre-reinforced concretes as ‘exotic’ materials. This follows over 30 years of technical research and development. This encouraging observation is the result of a number of elements, including the following: • conclusive feedback (particularly for steel-fibre concretes, which have been in use since the end of the 1970s); • very good technical expertise for these materials (formulation, use, physical, chemical and mechanical properties, etc); • the existence of national and international recommendations for dimensioning structures and struc-

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and errors. The purpose of this article is not to arbitrate in these matters but to supply details which are as objective as possible in order to enable fibre users to make an informed choice. To achieve this, rather than carrying out an exhaustive comparative analysis between the two categories of fibre, we have opted to focus the analysis on two major areas in which there is a clear difference between the two. These two areas are, firstly, mechanical performance and secondly, aspects relating to durability.

2 - Mechanical performance2.1 - Properties of concretes and fibres Firstly, it is worth reviewing two basic points which are vital in any consideration of fibre-reinforced concretes. Fibre-reinforced concrete is a composite material consisting of a matrix (the concrete) and a reinforcement (the fibre). In fibre-reinforced concrete, the sole role of the fibres is to take up stress generated by cracks created in the matrix. In other words, the fibres serve a purpose only if there is the potential for cracks in the material. No cracks, no fibres! With regard to the control of cracking, one of the fibres' mechanical characteristics is of prime importance: this is Young's modulus, which describes the rigidity of a fibre.

various times during the lifetime of the material. They may occur from the earliest moments (plastic shrinkage, etc) right through to a very advanced age. Consequently, cracks appear for ages of concrete corresponding to changes in characteristics of the material which are both structural (density, for example) and mechanical (compression strength, tensile strength, Young's modulus, etc.). When it is very fresh, i.e. during the first three hours, concrete has poor strength and a low Young's modulus, with compression strength of less than 3MPa, tensile strength of less than 0.3MPa and a Young's modulus of less than 5GPa (these figures are intended to indicate orders of magnitude only). If the concrete cracks during this period, the stress to be taken up by the fibres is slight - the cracks are insubstantial, too. Beyond the initial twenty-four-hour period, the mechanical properties of concrete improve considerably, to a compression strength in excess of 10MPa, tensile strength greater than 1MPa and a Young's modulus of over 15GPa (again, these figures are orders of magnitude only). During this maturing period, if the concrete is once again "pushed" into cracking, the stress to be taken up by the fibres will be much greater - as will be the size of the cracks.

When the concrete is very young, due to the small size of any cracks and the fact that the fibre is not yet properly anchored in the poorly-compacted matrix, these steel fibres do not constitute a very effective response to cracking. The matrix does not pull on the fibres alongside the cracks, so very little response is forthcoming. However, the older the concrete, the more steel fibres will be called on to compensate for cracks. They are highly effective in responding in this way. b) Synthetic fibres used in concrete are almost always polypropylene fibres. They have a fairly low Young's modulus of between 3 and 5GPa. They are available on the market in very small lengths and diameters. More recently, another type of synthetic fibre has appeared on the market: polymer fibre, also known as macro-synthetic fibre.

2.2 - Behaviour of fibres with respect to cracking

Fig. 6 - Example of macro-synthetic fibres.

a) Metallic fibres - usually steel - have a high Young's modulus (200GPa) and high tensile strength (between 800 and 2,500 MPa).

This is being promoted for structural applications. It comes in larger dimensions than polypropylene fibres.

Fig. 4 - It is in the nature of concrete to crack. Incorporating fibres into the material is one way of countering this phenomenon.

The higher the value of the Young's modulus of a fibre, the better the control of any cracks, in terms of length and width. The values of the latter decrease as the Young's modulus of the fibre increases. This principle is invariable - provided that the fibre has been properly embedded in the concrete. With regard to cracks in concrete, these may appear at 144


Fig. 5 - Steel fibres are used in over one third of industrial slabwork.


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In addition, these macro-synthetic fibres have a higher Young's modulus than polypropylene fibres, varying between approximately 5 and 10GPa. Lastly, two other types of synthetic fibre are also used in concrete, but much more rarely. These are PVA and aramid fibres, with Young's moduli of 30 and 70 GPa respectively. Today, these fibres are used in high-performance and ultra-high-performance fibre-reinforced concretes.

d) Fibre creep Creep is another aspect to be taken into consideration from the mechanical point of view. Creep refers to a material's tendency to become deformed over time, even under constant stress. For the levels of stress attained in concrete, steel fibres exhibit little or no creep. The same is not true, however, for synthetic fibres, which exhibit non-negligible degrees of creep. This may have negative consequences. For instance, a situation may arise whereby synthetic fibre-reinforced concrete corresponds to the specifications for the structure (mechanical stability, deformation, cracking, etc) at a given time but subsequently, fibre creep (between cracks) then

Fig. 7 - Creep test

"tips" the structure into an unacceptable situation, with deformation (even with proper use of the structure) and cracking which become excessive (durability issues). Figure 7, from the literature illustrates the above. This shows a comparative study between creep in pre-cracked beams made of steel fibre-reinforced concrete and macro-synthetic fibre-reinforced concrete. This is just one illustration, since the extent of creep depends on the initial size of the cracks, which has not been specified in this case.

3 - Durability of fibre-reinforcedconcretesWith regard to the durability of fibre-reinforced concrete, two levels of scale need to be borne in mind; that of the material itself and that of the structure as a whole. a) The first aspect relates to the material itself, and naturally concerns the issue of fibre corrosion. Concerning synthetic fibres, except for certain aramid fibres, there are no problems of durability of the fibre within the concrete. However, corrosion of steel fibres may of course occur. Feedback and research concur on two issues: • superficial corrosion of fibres may cause the appearance of dirt on the surface of exposed structures; • superficial corrosion of fibres does not give rise to any pathology or disturbance in the mechanical performance of the structures in which they are used.

This potential corrosion of steel fibres may be minimised in practice as follows: • optimisation of the formulation of the fibre concrete; • the use of formwork which is non-metallic or fitted with an "internal skin" such as a synthetic material; • the use of galvanised fibres. b) The second aspect relating to the durability of fibre-reinforced concrete concerns the fire resistance of structures. Steel fibres do not offer any significant advantage in the fire resistance of structures. The only point which can be made is that a structure using steel-fibre concrete performs better with respect to fire than a structure made of traditional reinforced concrete (less spalling). However, some synthetic fibres, especially polypropylene microfibres, make a highly significant positive contribution in this regard. This recorded effectiveness is due to a very simple phenomenon: in the event of a fire, polypropylene fibres disappear (having reached their fusion point), leaving behind them an extensive network of fine "channels" (capillaries) distributed throughout the structure volume. These channels act as expansion chambers for the pressurised water vapour generated by the fire (evaporation of the water present in the concrete).

Fig. 8 - Typical macro-synthetic fibres used for fire protection. TUNNELS ET ESPACE SOUTERRAIN - n°218 - Mars/Avril 2010

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c) The following comments apply to polypropylene and macro-synthetic fibres. When the concrete is very young, these fibres, particularly polypropylene microfibres, are highly responsive to potential cracks, due to their low Young's modulus. Small displacements adjacent to the fibres resulting from cracking generate sufficient amounts of stress in the fibres to prevent the cracks spreading. This efficiency is enhanced still further by the fact that certain types of polypropylene fibre are fibrillated and therefore extremely well embedded, even in a poorly-compacted, low-adhesion matrix such as very young concrete. However, the low Young's modulus of these synthetic fibres also decreases their appeal as the concrete matures. The low modulus of elasticity means that synthetic fibres have to be subject to a considerable degree of displacement, corresponding to major cracking, for commensurate seam stress for these cracks to be generated. Consequently, cracks will be much larger in older, cracked structures which use concrete with macro-synthetic fibres than in concrete with steel fibres, with a large and sometimes excessive degree of deformation in the former.

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c) With regard to the durability of fibre-reinforced concrete structures, one final significant point relates to whether the function required from any given structure is maintained over time. One example is that of a fibre-reinforced concrete cladding which is required to perform a tightness function (for instance, protection from water ingress). Because of the creep of synthetic fibres, as described above, this function may be fulfilled by a structure made of synthetic fibre-reinforced concrete for a time but not subsequently. This issue does not apply to steel fibre-reinforced concretes. Lastly, in the case of prefabricated elements which may be manoeuvred by hand and structures which may be in direct contact with users, safety issues may arise with regard to steel fibre-reinforced concretes. This phenomenon relates particularly to fibre-reinforced concretes with small-diameter fibres, i.e. less than or equal to 0.25mm. This is because it is never possible to be one hundred percent certain that no steel fibre will be apparent at the surface of the structure and be a possible cause of injury. Technical solutions exist to address this disadvantage; these should be applied systematically. The issue of fibre-related injuries does not apply to synthetic fibres.

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4 - ConclusionThe above points may be summarised as follows: • metallic fibre-reinforced concretes perform poorly in terms of cracking when young, but are highly effective with respect to cracking in mature concrete structures; • polypropylene microfibre-reinforced concretes are effective with regard to early-age cracking (plastic shrinkage);

• macro-synthetic fibre-reinforced concretes are less appropriate in technical terms than steel fibre-reinforced concretes (with issues relating to the maintenance over time of certain functions) for structures subject to a certain degree of stress; • polypropylene microfibres are recommended to improve the fire resistance properties of concrete structures; • care should be taken with structures which can be manoeuvred by hand and/or will be in contact with users when they contain steel fibres. Such fibres may cause cuts if no technical solutions are provided. In conclusion, it can be asserted that once the respective performances of the two types of fibre have been apprehended, in some cases it may be possible to combine the use of both types of reinforcement, which are not as incompatible as is sometimes claimed. t

Fig. 9 - Steel fibres are increasingly being used in arch segments, wholly or partially replacing steel reinforcements. Adding polypropylene microfibres to fibre-reinforced concrete reduces the risk of scaling. Combining steel fibre and polypropylene microfibres represents an ideal solution.

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