Propriétés mécaniques et mécanismes de rupture du béton renforcé de fibres : influence du type et de la teneur en fibres

Le béton est le matériau le plus utilisé. Construction Le béton présente de nombreux avantages, notamment sa grande disponibilité, sa simplicité de production, son faible coût et sa facilité d'application. Il est largement utilisé dans divers domaines tels que le bâtiment, les routes, les ponts, les tunnels et les travaux hydrauliques. Avec le développement de nombreux projets d'ingénierie, les exigences relatives aux performances du béton ont également augmenté. Par conséquent, les faiblesses du béton traditionnel, telles qu'une résistance à la traction insuffisante, une faible résistance à la fissuration et une instabilité volumique, sont devenues évidentes. C'est pourquoi l'amélioration des performances du béton constitue depuis toujours un axe de recherche majeur en génie civil.

Pour améliorer les performances du béton, on y ajoute généralement des fibres afin d'améliorer ses propriétés mécaniques et sa ténacité. Par exemple : Fibre d'acierLes fibres de silice (SF), les fibres synthétiques (comme les fibres de polypropylène), les fibres minérales (telles que les fibres de basalte - BF) et les fibres de carbone (CF) sont utilisées. Cette approche a permis d'améliorer encore les performances des bétons à hautes performances (BHP) et des bétons ultra-hautes performances (BUHP).

Les fibres peuvent, dans une certaine mesure, améliorer les propriétés mécaniques du béton. Cependant, différents types et teneurs de fibres entraînent inévitablement des variations importantes de leur impact sur ces propriétés. Actuellement, la teneur optimale en fibres, la relation quantitative entre les paramètres pertinents et les propriétés mécaniques, ainsi que les mécanismes sous-jacents du béton renforcé de fibres nécessitent encore des éclaircissements. Cette étude a porté sur les fibres de carbone (FC). fibres de basalte Nous avons étudié des éprouvettes de béton renforcées de fibres de bore (BF) et d'acier (SF) en utilisant différentes teneurs en fibres. Ces fibres ont été choisies pour leur capacité avérée à améliorer les performances du béton et leur utilisation répandue. Grâce à des expériences à variables contrôlées, nous avons analysé systématiquement l'influence du type et de la teneur en fibres sur la résistance à la compression, le module d'élasticité et le mode de rupture du béton. L'analyse de l'évolution des fissures dans le béton renforcé de fibres, combinée à l'imagerie numérique et à la microscopie électronique à balayage (MEB), a permis d'observer la propagation des fissures au cours des expériences et de tirer les conclusions suivantes :

1. Comparé au béton ordinaire (PC), l'incorporation de fibres d'acier (SF), de fibres de carbone (CF) et fibres de basalte L'ajout de fibres de basalte (BF) a considérablement amélioré les propriétés mécaniques du béton renforcé de fibres (BRF) et modifié son mode de rupture. Ces fibres ont influencé la compacité du béton et ses caractéristiques initiales de compression des pores. À mesure que la teneur en fibres augmentait, le mode de rupture est passé d'une rupture fragile à une rupture ductile. Le seuil critique de transition était de 0,5 % pour le béton de fibres d'acier (BFA) et de 1,0 % pour les bétons de fibres de carbone (BFC) et de fibres de basalte (BFC). Pour optimiser les performances mécaniques, la teneur optimale était de 2,0 % pour les fibres d'acier, de 1,0 % pour les fibres de carbone et de 0,5 % pour les fibres de basalte.

2. Bien que la teneur en fibres puisse améliorer la compacité et la capacité portante du béton, une teneur excessive peut entraîner un phénomène de saturation, provoquant l'agglomération des fibres. Ceci a un impact négatif sur les propriétés physiques, la résistance et les caractéristiques de déformation du béton. Le béton renforcé de fibres d'acier a atteint des performances optimales pour une fraction volumique de fibres de 2,0 %, tandis que les bétons renforcés de fibres de carbone et de fibres de basalte ont atteint leurs performances optimales respectivement à 1,0 % et 0,5 %. Au-delà de ces teneurs optimales, les performances diminuent.

3. L'analyse par microscopie électronique à balayage (MEB) a révélé que l'adhérence interfaciale entre les fibres et la matrice cimentaire influence significativement les propriétés mécaniques macroscopiques du béton. Une quantité appropriée de fibres forme un réseau tridimensionnel dense au sein du béton, améliorant la connectivité de la matrice et les performances globales. Cependant, une teneur en fibres excessive entraîne leur agglomération, créant des zones interfaciales fragiles et réduisant la densité et la résistance du béton. Les modifications de la microstructure sont en parfaite corrélation avec l'évolution des propriétés mécaniques macroscopiques.

4. L'ajout de fibres a considérablement modifié le mode de rupture du béton. Comparé au béton non renforcé, le béton fibré a présenté une meilleure intégrité après rupture, avec des fissures moins nombreuses et plus étroites, et une ténacité accrue. Les fibres d'acier se sont avérées les plus efficaces pour inhiber la fissuration, suivies des fibres de carbone et des fibres de basalte. L'effet de pontage des fibres a joué un rôle crucial dans la limitation de la propagation des fissures, tandis que l'effet d'interface faible a eu un impact négatif sur les propriétés mécaniques.