Effet du nombre de crochets d'extrémité des fibres d'acier sur la performance du béton renforcé par des fibres d'acier

Résumé

L'effet du nombre de crochets d'extrémité des fibres d'acier sur la performance du béton renforcé de fibres d'acier (SFRC) et son mécanisme ont été étudiés par le biais d'un essai d'arrachement de fil unique， d'un essai de résistance à la compression， et d'un essai de résistance à la flexion et à la traction d'une poutre entaillée. Les résultats montrent que lorsque le nombre de crochets d'extrémité sur la fibre d'acier augmente, la force de liaison ultime entre la fibre d'acier et la matrice de béton augmente également. Le nombre de crochets d'extrémité a peu d'effet sur la résistance à la compression des SFRC， bien que les fibres d'acier dotées d'un seul crochet d'extrémité puissent légèrement améliorer la résistance à la compression. Avec un plus grand nombre de crochets d'extrémité， la branche descendante de la courbe de flexion- traction du CRFS devient moins raide， la courbe devient plus ample， et les échantillons peuvent supporter des contraintes de flexion- traction plus élevées. Alors que les fissures continuent de se propager， les fibres d'acier avec deux ou trois crochets d'extrémité permettent aux spécimens SFRC de maintenir une résistance résiduelle à la flexion et à la traction relativement élevée même après une fracture et une grande déformation.Le béton renforcé de fibres d'acier (SFRC) est largement utilisé pour améliorer la résistance aux fissures et la durabilité. Selon les Institut américain du béton (ACI), Les fibres d'acier améliorent considérablement la résistance à la traction du béton.

Introduction

Le béton conventionnel a une très faible résistance à la traction et une mauvaise ténacité. Par conséquent, des fissures peuvent facilement se développer pendant la phase plastique, le processus de durcissement et la phase de séchage. Même sous des charges de flexion relativement faibles, les structures en béton sont susceptibles de se fissurer en cours de service, et ces fissures peuvent se propager rapidement, entraînant une rupture fragile soudaine, le béton renforcé de fibres d'acier (SFRC) a été largement adopté. En ajoutant fibres d'acier pour le renforcement du béton, Le SFRC permet d'améliorer considérablement la résistance à la traction, la résistance aux fissures et la durabilité globale du béton. En raison de ses excellentes performances, le SFRC est désormais couramment utilisé dans les applications d'ingénierie qui nécessitent une résistance élevée aux fissures et une grande fiabilité structurelle.

Types de fibres d'acier

Basé sur la forme, fibres d'acier utilisés dans le béton peuvent être classés en

• Fibres d'acier droites
• Fibres d'acier à extrémité crochetée
• Fibres ondulées (en forme de vague)
• Fibres dentelées
• Fibres broyées ou irrégulières

Parmi ces derniers, fibre d'acier à bout crochu est considéré comme l'un des types les plus efficaces pour le renforcement du béton.

Pourquoi la fibre d'acier à bout crochu est-elle plus performante ?

Les premières applications utilisaient principalement des fibres d'acier droites. Toutefois, les résultats pratiques ont montré que leur capacité à améliorer la résistance aux fissures et la solidité était limitée.

Par rapport aux fibres droites, Fibres d'acier à bout crochu fournir :

• Ancrage plus solide avec la matrice en béton
• Force d'adhérence plus élevée
• Meilleure capacité de transfert des contraintes
• Amélioration de la résistance à la traction

En optimisant la géométrie des extrémités crochues, la performance de liaison entre les fibres d'acier et le béton peut être considérablement améliorée, ce qui permet au matériau de mieux résister à la propagation des fissures.

Facteurs affectant la force d'adhérence

La recherche montre que la performance de collage des fibres d'acier crochetées est étroitement liée à plusieurs paramètres structurels, notamment :

• Diamètre de la fibre
• Angle du crochet
• Résistance à la traction du matériau

Ces facteurs influencent le comportement à l'arrachement et le mode de rupture des fibres d'acier dans le béton.

Pour mieux comprendre le mécanisme d'ancrage, des modèles tels que le modèle de poulie équivalent ont été proposés. Dans ce modèle :

• La section incurvée du crochet assure une friction rotative
• La partie droite assure le frottement de glissement

Cela permet de prédire comment les fibres résistent à l'arrachement sous l'effet de la charge.

Lacune dans la recherche : numéro de crochet

De nombreuses études se concentrent sur la forme et la taille des fibres, l'effet du nombre de crochets sur la performance n'a pas été entièrement étudiée. En réalité, le nombre de crochets peut avoir une influence significative :

• Capacité d'ancrage
• Résistance de l'adhérence
• Résistance aux fissures
• Comportement à l'arrachement

Objectif de l'étude

Pour étudier cette question, des fibres d'acier de longueur et de diamètre identiques, mais avec des numéros de crochet différents (1 crochet, 2 crochets et 3 crochetsCette étude se concentre sur

• L'effet du nombre de crochets sur la résistance et la ténacité du béton renforcé de fibres d'acier (SFRC)
• Le comportement à l'arrachement des fibres d'acier crochetées
• Le mécanisme sous-jacent de l'ancrage des fibres

Les résultats fournissent des conseils pratiques pour la conception et l'application des programmes d'éducation et de formation. Fibre d'acier crochetée dans le béton renforcé de fibres d'acier (SFRC).

Programme expérimental

Matériaux

Le béton utilisé dans cette étude a été préparé avec du ciment Portland ordinaire (grade 42.5), répondant aux exigences standard.

Fibres d'acier à extrémité crochetée ont été utilisés comme renfort, avec :

• Longueur : 60 mm
• Diamètre : 0,9 mm
• Nombre de crochets : 1 crochet, 2 crochets et 3 crochets

Agrégat fin : sable de rivière naturel (module de finesse 2,7)
Gros agrégats : pierre concassée (5-16 mm)
Réducteur d'eau : superplastifiant polycarboxylate (réduction ≥25%)
Eau : eau du robinet standard pour le mélange du béton

Conception du mélange

Deux degrés de résistance le béton renforcé de fibres d'acier (SFRC) ont été préparés :

• C30
• C50

Dosage de la fibre d'acier :
👉 40 kg/m³ (largement utilisé dans l'ingénierie pratique)

Méthodes d'essai

Résistance lexicale et résistance résiduelle

La résistance à la flexion est l'un des indicateurs les plus importants pour l'évaluation de la résistance à la traction. fibre d'acier pour le béton renforcé de fibres d'acier (SFRC), notamment sa résistance à la fissuration et sa ténacité.

$f_L = \frac{3F_L L}{2BH_{sp}^2}$fL=2BHsp23FLL

$f_{CMOD} = \frac{3F_{CMOD} L}{2BH_{sp}^2}$fCMOD=2BHsp23FCMODL

Où ?

• $f_L$fL : résistance ultime à la flexion
• $f_{CMOD}$fCMOD : résistance résiduelle à la flexion
• $F_L$FL : charge maximale
• $F_{CMOD}$FCMOD : charge à l'ouverture de la fissure
• $L$L : longueur de la travée
• $B$B : largeur de l'échantillon
• $H_{sp}$Hsp : hauteur effective

👉 Ces indicateurs reflètent la capacité de charge après fissuration, ce qui est essentiel pour les performances du SFRC.

Résultats et discussion

Effet du nombre de crochets sur la résistance de l'adhérence

• L'augmentation du nombre de crochets améliore considérablement force d'adhérence
• Classement de la résistance à l'arrachement :

3 crochets > 2 crochets > 1 crochet

• L'ancrage maximal est atteint pour un déplacement similaire (2-3 mm), mais :
  • Nombre de crochets plus élevé = capacité de charge plus importante

Aperçu général :
Un plus grand nombre de crochets crée un ancrage mécanique plus fort, et pas seulement une friction.

Effet sur la résistance à la compression

• Pour Béton C30:
  • Impact minimal des fibres d'acier
• Pour Béton C50:
  • La résistance à la compression augmente :
    • 1 crochet : +13.4%
    • 2 crochets : +10.8%
    • 3 crochets : +9,7%

À retenir :

• Plus de crochets ≠ toujours mieux
• Trop de crochets peuvent réduire la dispersion des fibres

Effet sur la résistance à la flexion (le plus important)

• Après la fissuration :
  • Le béton ne supporte plus la charge
  • Les fibres d'acier prennent le relais
• Avec plus de crochets :
  • Contrainte de flexion plus élevée
  • Meilleur pontage des fissures
  • Réduction plus lente de la résistance

Nouveau classement des performances :

3 crochets > 2 crochets > 1 crochet

Mécanisme de comportement des fissures

• Au début du chargement :
  • Le béton supporte la charge
• Après la fissuration :
  • Transfert de charge sur les fibres d'acier
  • Les crochets ancrent les fibres dans les fissures
• Différence essentielle :
  • 1 crochet fibre → facile à arracher ou à redresser
  • 2-3 fibres de crochet → rester ancré plus longtemps

👉 Résultat :
Durabilité et sécurité structurelle accrues

Conclusion pratique

• D'autres crochets s'améliorent :
  • Résistance de l'adhérence
  • Résistance aux fissures
  • Performance en flexion
• Cependant :
  • Un trop grand nombre de crochets peut réduire la maniabilité et augmenter les coûts.

👉 Meilleur choix pour la plupart des projets : fibre d'acier à 2 crochets
👉 Projets de haute performance : Fibre d'acier à 3 crochets

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