fr.wedoany.com Rapport : Une équipe de recherche dirigée par des ingénieurs de l'Université d'État de Pennsylvanie a proposé une méthode pour réduire le coût du béton ultra-haute performance, permettant de diminuer les dépenses jusqu'à 75 % tout en maintenant la résistance, la ductilité et la durabilité du matériau.
Le béton est le matériau de construction le plus courant dans le monde, mais il est fragile et sujet à la fissuration sous tension. Le béton ultra-haute performance (Ultra-high-performance concrete, UHPC), réputé pour sa structure dense et sa durabilité extrême, résiste à la fissuration grâce à des fibres métalliques internes. Cependant, ces fibres métalliques peuvent rendre le coût du matériau jusqu'à 30 fois plus élevé que celui du béton traditionnel. L'équipe de recherche a mesuré, par une série de tests, la résistance physique et la ductilité de différents mélanges d'UHPC, y compris des types expérimentaux renforcés par des fibres métalliques et non métalliques. Les tests ont identifié plusieurs caractéristiques clés pouvant être optimisées pour réduire le prix tout en conservant des performances exceptionnelles. Sur la base de cette évaluation, l'équipe a développé une nouvelle méthode de conception qui peut aider les producteurs de matériaux, les propriétaires d'infrastructures et les entreprises de construction à économiser de l'argent et à développer un béton plus résistant et plus écologique. Les résultats ont été publiés dans la revue Cement and Concrete Composites.
Farshad Rajabipour, co-auteur de l'étude, professeur John et Harriet Shau de génie civil et environnemental et directeur du département de génie civil et environnemental à l'Université d'État de Pennsylvanie, a déclaré que l'UHPC est devenu un matériau clé pour la construction de grandes structures durables telles que les ponts, les immeubles de grande hauteur ou les infrastructures côtières comme les barrières anti-tempête, contribuant notamment à réduire le temps de construction et de réparation dans la construction accélérée de ponts, passant de plusieurs mois à quelques jours ou semaines. Il est également affilié au Larson Transportation Institute et au Materials Research Institute. La résistance et la ductilité du matériau proviennent de milliers de minuscules fibres d'acier à l'intérieur, chacune mesurant 13 mm de long (environ un demi-pouce) et 0,2 mm de diamètre. Ces fibres se verrouillent mécaniquement dans la matrice de ciment, formant un matériau flexible sous une tension extrême.
Rajabipour a souligné que les fibres sont la principale cause de la flambée des prix, représentant seulement environ 2 % du volume total du matériau mais environ 70 % du coût total. L'UHPC est généralement vendu sous forme de mélanges exclusifs préemballés, ce qui augmente encore le coût d'utilisation. Pour optimiser les fibres, l'équipe a préparé 15 mélanges d'UHPC différents, dont 9 utilisant des fibres métalliques, avec différentes concentrations et conceptions, afin de voir si les mêmes performances pouvaient être obtenues avec moins de matériau. L'équipe a testé des fibres de différentes longueurs, largeurs et formes, y compris des conceptions avec des indentations, des torsions et l'ajout de petits crochets. Les 6 autres mélanges utilisaient des fibres non métalliques, fabriquées à partir de fils de verre fibrillés, de basalte, ou de polymères renforcés de fibres de verre ou de carbone.
Chaque échantillon a été soumis à une série de tests évaluant la fluidité à l'état liquide, la résistance à la compression, la résistance à la traction, la ductilité et la force d'adhérence. L'équipe a observé que les deux types de fibres métalliques testées — les microfibres d'acier et les fibres d'acier striées — maintenaient leurs performances même lorsque le volume total de fibres était réduit de moitié. Les fibres avec un rapport d'aspect plus élevé ont montré des propriétés de traction considérablement améliorées. Concevoir la liaison entre les fibres et la matrice de manière à ce qu'elles se retirent du béton avant de se rompre sous contrainte est crucial pour maintenir des performances solides. Bien que les fibres non métalliques commerciales aient encore des performances inférieures à celles des fibres d'acier, une meilleure conception pourrait produire des fibres aux performances similaires à celles du métal mais à moindre coût.
Ensuite, l'équipe prévoit d'étudier différentes compositions de fibres, d'explorer de nouvelles fibres non métalliques et d'optimiser les méthodes de fabrication, tout en continuant à rechercher des opportunités pour réduire les émissions de dioxyde de carbone lors de la production d'UHPC. Rajabipour a indiqué que les fibres sont non seulement le plus grand contributeur au coût, mais aussi le plus grand contributeur aux émissions, et que la recherche propose non seulement des voies pour réduire le coût des matériaux, mais aussi pour réduire l'impact environnemental. Les autres co-auteurs de ce travail incluent Abdullah Al Moman, doctorant à l'Université d'État de Pennsylvanie (actuellement ingénieur en conception de structures chez Dutchland), Deepika Sundar (actuellement chercheuse scientifique chez CalPortland), Amir Alarab (actuellement ingénieur en structures chez AECOM), ainsi que Shaohua Chu, professeur assistant de recherche en génie civil à l'Université d'État de Pennsylvanie, et Jovan Tatar, professeur associé de génie civil, architectural et environnemental à l'Université du Delaware. Cette recherche a été financée par le Département des Transports des États-Unis et le Département des Transports de Pennsylvanie.
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