Évaluation du coefficient d'orientation dans les bétons renforcés de fibres métalliques

Les bétons fibrés à ultra-haute performance(BFUP) offrent des propriétés mécaniques et de durabilité exceptionnelles. Cependant les difficultés rencontrées pour prédire leur comportement en traction directe ainsi que leur coût élevé limitent leur utilisation par le secteur industriel. L'orientation, la densité, la distribution des fibres sont autant de facteurs qui peuvent influencer leur comportement. Les travaux de recherche présentés dans ce mémoire ont pour but de proposer une méthodologie pour prédire le comportement mécanique de poutres en BFUP sur la base du coefficient des fibres. Dans un premier temps un algorithme de détection et de mesure automatique de l'angle d'inclinaison des fibres a été développé sur la plateforme Matlab®. Ce programme a été utilisé pour l'analyse des spécimens produits dans les programmes expérimentaux de ce projet. Par la suite, un premier programme expérimental sur des spécimens de traction directe avec des angles d'inclinaison de fibres connus a été réalisé. Une méthode de coulée à l'aide de séparateurs a été utilisée pour la fabrication de ces spécimens. Ces essais ont permis de mettre en évidence que l'orientation des fibres pouvait réduire de 60 % la résistance en traction relevée ainsi que de 95 % la longueur de la phase écrouissante. L'orientation des fibres semble donc être le facteur prédominant dans la détermination de la loi de comportement en traction du BFUP. À partir de ces essais un système d'équations permettant de prédire le comportement en traction directe des BFUP en fonction de l'orientation des fibres a été développé. Un deuxième programme expérimental sur des poutres en flexion a permis d'étudier les effets de bords sur l'orientation des fibres. Le carottage de ces poutres a mis en évidence que la présence d'armatures longitudinales conventionnelles ne perturbe pas l'orientation des fibres sous ou dans l'axe du renforcement. Cependant, la présence de chaises perturbe de façon importante l'écoulement et donc l'orientation des fibres. Ces essais de flexion ont par la suite servi à valider les calculs pour éléments finis basés sur les lois de comportement déterminé à partir du système d'équations et de la mesure du coefficient d'orientation.

Abstract

Ultra high performance fiber reinforced concrete's (UHPFRC) offer exceptional mechanical properties and durability. However difficulties predicting the uniaxial tensile performance and the high cost limit its use in the construction industry. Fiber orientation, density and distribution can each influence its mechanical behavior. The goal of the research work presented in this Master's Thesis is to propose a methodology to predict the flexural behavior of UHPFRC beams considering only the fiber orientation factor. First, an image processing program was developed on Matlab®. The program automatically determines the fiber quantity, distribution, and orientation within a concrete section. Then an initial experimental phase of uniaxial tensile tests with different fiber orientations was performed. The fiber orientation within the tensile specimens was controlled using inclined separators during casting. The uniaxial tensile tests showed that depending on the fiber orientation, the tensile strength can range from 4,5 MPa to 12MPa and the length of hardening behavior can be reduced up to 95%. The results indicate that fiber orientation is the dominant factor affecting the UHPFRC tensile behavior. A direct tensile law for different fiber orientation factors was then developed empirically from this experimental phase. A second experimental phase on beams in flexure was performed to study the local effects of forms and steel reinforcement on the fiber orientation factor. Core samples of reinforced and unreinforced beams demonstrated that the reinforcement bar and the forms do not affect the fiber orientation. Furthermore, the bending tests were used to validate finite element models where the tensile behavior of the UHPFRC was determined using the measured fiber orientation factor and the empirical formulas developed in the first experimental phase. The finite element models reproduced the tensile behavior well. The models confirmed that using an average orientation factor is sufficient to predict the flexural capacity of UHFRC beams with 96% accuracy.