Armature en fibre de carbone, verre ou basalte pour le béton

Une armature en fibre de carbone est une armature faite de fibres de carbone noyées dans une matrice de résine : un PRFC, polymère renforcé de fibres de carbone (CFRP en anglais). Elle existe sous deux formes : en barres ou en grilles coulées dans un béton neuf, et en lamelles ou en tissus collés sur un béton existant pour le renforcer. L'armature carbone ne rouille pas et elle est très résistante, mais elle n'a pas de palier plastique : elle reste élastique linéaire jusqu'à la rupture et demande donc un dimensionnement propre et une évaluation du produit.

Le même principe existe avec la fibre de verre (PRFV) et le basalte (PRFB). Et il ne faut pas le confondre avec les fibres courtes ajoutées au mélange, celles du béton fibré. Cet article met ces trois mondes côte à côte : les barres en PRF dans le béton neuf, le renforcement collé du béton existant et les fibres qui sortent de la toupie, à chaque fois face à l'armature traditionnelle en acier.

Qu'est-ce qu'une armature en fibre de carbone ? PRF, composites et béton fibré

PRF signifie polymère renforcé de fibres (FRP, fibre reinforced polymer, en anglais) : on parle aussi de matériau composite et, pour les barres, d'armature composite. Il se compose de fibres continues noyées dans une résine, le plus souvent époxy ou vinylester. Barres et lamelles sont généralement fabriquées par pultrusion : les mèches de fibres traversent un bain de résine puis une filière chauffée, où la résine durcit. La lettre ajoutée à PRF indique la fibre : PRFC pour le carbone, PRFV pour le verre, PRFB pour le basalte, et PRFA pour la fibre d'aramide.

En construction, le PRF se présente en barres (à surface sablée, nervurée ou enroulée pour l'adhérence), en grilles et textiles, en lamelles plates et en tissus que l'on enroule autour d'un élément. Le mot « fibre » prête toutefois à confusion. Dans le béton fibré, il s'agit de fibres courtes et libres, réparties dans tout le béton au malaxage ; vous les comparez dans l'article sur les types de fibres pour béton. Dans un PRF, au contraire, les fibres sont continues et orientées dans la résine, et forment ensemble une barre ou une lamelle placée à un endroit précis, dans ou sur le béton.

Barres en PRF : armature en fibre de carbone, de verre et de basalte

Les barres en PRF se posent comme les aciers HA, selon les plans de ferraillage, et s'assemblent en cages ou en nappes. Elles remplacent donc l'acier, pas le travail de ferraillage. La principale raison de les choisir est la corrosion : l'acier rouille dès que les chlorures des sels de déverglaçage ou de l'eau de mer atteignent les armatures (classes d'exposition XD et XS de l'EN 206), ce qui entraîne fissures, épaufrures et, à terme, la dégradation du béton armé. Le mécanisme est expliqué dans l'article sur la corrosion des armatures en acier.

Le PRF ne rouille pas et il est amagnétique ; les barres de verre et de basalte ne conduisent en outre pas le courant. On les utilise donc notamment dans les bétons fortement exposés aux chlorures, dans les zones qu'un tunnelier traversera plus tard, à proximité d'installations électriques ou magnétiques sensibles et dans les éléments où l'enrobage disponible est faible.

Armature en fibre de verre pour béton (PRFV)

L'armature en fibre de verre est la barre PRF la plus répandue. Elle ne rouille pas, ne conduit pas et pèse environ un quart d'une barre d'acier, ce qui allège la manutention. En contrepartie, sa rigidité est bien plus faible : les fiches techniques et les essais publiés donnent pour les barres PRFV pultrudées un module d'élasticité d'environ 40 à 60 GPa, contre 200 GPa pour l'acier. À section égale, un élément armé de fibre de verre fléchit donc davantage et ses fissures s'ouvrent plus.

Au Québec, où le PRFV est employé dans des ouvrages routiers, le ministère des Transports a fait expertiser en 2015 le béton et les barres en PRFV du pont de l'autoroute 20 à Val-Alain, construit en 2004. Aux Pays-Bas, la directive d'évaluation BRL 0513 de Kiwa (barres en fibre de verre utilisées comme armature dans le béton) sert de base à un certificat produit KOMO, dont les attestations ajoutent des dispositions complémentaires à l'Eurocode 2. En France et en Belgique, comptez sur une évaluation propre au produit, acceptée par le bureau d'études et, en France, par le contrôleur technique.

Ne confondez pas avec le béton renforcé de fibres de verre (composite ciment-verre ou CCV, GRC en anglais) : il s'agit alors de fibres de verre courtes, résistantes aux alcalis (verre AR), mélangées au mortier, par exemple pour des panneaux de façade minces. C'est du béton fibré, pas une armature en barres.

Armature carbone : barres et grilles en PRFC

L'armature carbone est la plus rigide et la plus résistante des variantes PRF, et aussi la plus chère. Contrairement au verre et au basalte, le carbone conduit l'électricité : le PRFC est donc exclu pour les zones qui doivent rester non conductrices. Dans le neuf, on rencontre le carbone moins souvent en barres isolées et plus souvent en grilles ou en textiles dans des éléments minces et élancés (voir le béton textile plus loin). Son usage le plus courant reste toutefois la lamelle carbone collée pour renforcer un béton existant.

Armature en basalte (barres PRFB)

L'armature en basalte se compose de barres ou de grilles de fibre de basalte continue dans une résine. Les résultats d'essais publiés pour des barres PRFB se situent autour de 1 100 à 1 350 MPa en traction et d'un module d'élasticité d'environ 45 à 50 GPa, contre 200 GPa pour l'acier ; les valeurs varient selon le fabricant. Comme pour le verre, la flèche et l'ouverture des fissures gouvernent donc souvent le dimensionnement. La tenue du basalte dans le milieu très alcalin du béton est un point de vigilance, à démontrer produit par produit. En France et en Belgique, l'armature basalte reste peu utilisée et surtout un sujet de recherche.

Une armature en basalte sous forme de barre n'a rien à voir avec des fibres de basalte dans le mélange. Une barre de basalte occupe une position fixe dans la section ; une fibre de basalte travaille de façon diffuse dans tout le béton. Plus loin, vous verrez pourquoi la macrofibre Basalt Wave n'est donc pas une armature en basalte.

Calculer avec des barres PRF : pas de palier plastique, un dimensionnement propre

Le PRF reste élastique linéaire jusqu'à la rupture. Il n'a pas de limite d'élasticité, donc pas de déformation ductile qui avertit avant la ruine, comme avec l'acier. Les concepteurs dimensionnent donc souvent la section pour que ce soit le béton comprimé qui gouverne, et non la barre tendue. Avec les barres de verre et de basalte, moins rigides, ce sont souvent la flèche et l'ouverture des fissures qui dimensionnent, plutôt que la résistance.

L'enrobage change aussi de rôle : il ne sert plus à protéger contre la corrosion, mais reste nécessaire pour l'adhérence entre barre et béton et pour la résistance au feu. En cas d'incendie ou de forte chaleur, la résine se ramollit à des températures relativement basses : c'est le point faible de toute armature PRF. Coudes et cadres sont façonnés en usine, car la résine durcie ne se cintre plus.

Le calcul suit des règles spécifiques. La nouvelle génération de l'Eurocode 2 (EN 1992-1-1:2023) contient une annexe informative R pour les armatures en PRF non précontraintes ; en Amérique du Nord, on travaille souvent avec l'ACI 440.1R ou, au Canada, la CSA S806. Une évaluation du produit reste toujours nécessaire. Une barre PRF ne remplace donc jamais une barre B500 à section égale : le bureau d'études recalcule l'armature.

Renforcement par fibres de carbone : lamelles et tissus collés sur béton existant

Le renforcement par collage, aussi appelé renforcement par matériaux composites collés, consiste à coller après coup une armature sur une structure existante. Autrefois, il s'agissait surtout de plats en acier (le procédé de la tôle collée) ; aujourd'hui, ce sont le plus souvent des lamelles carbone ou des tissus de fibres de carbone collés à la résine époxy sur la face tendue d'une poutre, d'une dalle ou d'un poteau. Le carbone est léger, ne rouille pas et se met en œuvre même dans des espaces exigus. En Europe, le renforcement par composites se développe depuis les années 1990.

On renforce un béton à la fibre de carbone pour un changement d'usage avec des charges plus élevées, une capacité en flexion ou à l'effort tranchant insuffisante, des armatures manquantes ou dégradées à compléter, une trémie créée après coup, des dommages après un choc de véhicule ou un incendie, la fatigue ou un renforcement parasismique. Le renforcement collé existe en quatre variantes :

• Lamelles : bandes plates en PRFC sur la face tendue, surtout pour augmenter la capacité en flexion.

• Tissus : tissu de carbone imprégné de résine sur place et enroulé autour des poutres ou des poteaux, pour l'effort tranchant et le confinement des poteaux.

• Armatures insérées en saignée (NSM, near surface mounted) : joncs ou bandes collés dans une rainure sciée, et donc mieux protégés.

• Lamelles carbone précontraintes : la lamelle est collée et ancrée sous tension, de sorte que le renforcement travaille immédiatement, sans déformation supplémentaire de la structure.

Le principal mode de rupture est le décollement : la lamelle se détache avant d'atteindre sa résistance en traction. Le support est donc déterminant. Les fiches techniques demandent, après préparation (sablage ou ponçage), une cohésion superficielle du béton (essai d'arrachement sur le support préparé) d'au moins 2,0 N/mm² en moyenne et 1,5 N/mm² en valeur individuelle ; le béton a en général au moins 28 jours. La colle doit être protégée d'un ensoleillement permanent et de l'humidité. Comme la résine époxy perd sa résistance à haute température, le bureau d'études vérifie aussi la situation en cas d'incendie.

En France, l'AFGC a publié des recommandations provisoires (février 2011) sur la réparation et le renforcement des structures en béton au moyen des matériaux composites, une mise à jour de l'édition de 2003 ; le guide FABEM 7 du STRRES consacre un chapitre à la réparation et au renforcement par matériaux composites, et plusieurs procédés de lamelles carbone collées disposent d'un Avis Technique du CSTB. Au niveau international, la référence est le fib Bulletin 14 « Externally bonded FRP reinforcement for RC structures » (2001). Aux Pays-Bas, la CUR-Aanbeveling 91 joue ce rôle. Les fiches techniques imposent que les lamelles soient posées par une entreprise formée ou agréée par le fournisseur du système, et qu'un bureau d'études spécialisé calcule le renforcement.

Une chose doit être dite clairement : des fibres libres ne peuvent pas renforcer une structure existante. Les fibres n'agissent que dans le béton dans lequel elles ont été malaxées. Une poutre ou une dalle qui doit porter davantage demande une étude de renforcement.

Renforcement du béton : quelles techniques pour renforcer une structure ?

Le renforcement d'une structure en béton ne commence pas par une technique, mais par un diagnostic. Le bureau d'études établit ce que la structure porte aujourd'hui et ce qu'elle devra porter, à partir d'investigations sur la position et la section des armatures, la qualité du béton et les éventuels dommages. En cas de béton dégradé par la corrosion des armatures, on traite d'abord la cause : coller sur un béton altéré n'a aucun sens. Vient ensuite le choix parmi les techniques de renforcement du tableau ci-dessous.

Avec un rechargement ou un chemisage, une nouvelle couche de béton vient s'ajouter à la structure existante. Des fibres dans cette nouvelle couche limitent le retrait et la fissuration et peuvent remplacer le treillis dans une couche non structurelle ; voir le rechargement par une couche de béton fibré. Le bureau d'études décide si cette couche participe à la résistance : cela dépend de l'adhérence au support et des éventuelles armatures de liaison ou connecteurs.

Béton textile et béton carbone : construire mince sans corrosion

Le béton carbone, ou béton à armature textile, est un béton armé de fibres de carbone au lieu d'acier, le plus souvent sous forme de grille ou de textile en fils de carbone enduits, parfois sous forme de barres. Comme le carbone ne rouille pas, l'enrobage n'a plus à protéger contre la corrosion et les éléments peuvent être bien plus minces : panneaux de façade minces, coques et couches de renforcement de quelques centimètres sur un béton existant. Selon l'InformationsZentrum Beton allemand, la résistance en traction d'une armature carbone peut être jusqu'à six fois supérieure à celle de l'acier, pour une masse volumique quatre fois plus faible.

Il y a aussi des inconvénients. La production de la fibre de carbone consomme beaucoup d'énergie, la résistance au feu devient déterminante, le recyclage est encore en développement, le comportement en traction est nettement plus fragile que celui du béton armé, et barres et grilles doivent recevoir leur forme avant le durcissement de la matrice. Le développement se fait surtout en Allemagne, notamment à la TU Dresden et à la RWTH Aachen ; une directive du Deutscher Ausschuss für Stahlbeton (DAfStb) pour les éléments en béton à armature non métallique y est parue en janvier 2024. En France et en Belgique, le béton carbone reste une application de niche.

Acier, barres PRF et béton fibré comparés

Le tableau compare l'acier pour béton armé, les trois types de PRF et les fibres libres dans le mélange. Les rigidités sont indicatives et proviennent de valeurs publiées et de fiches techniques ; pour un projet, ce sont toujours les valeurs de l'évaluation du produit retenu qui comptent.

La grande différence se lit à la ligne mise en œuvre. L'acier et les barres PRF se posent et se ligaturent à l'endroit prévu par le plan. Les fibres libres sortent de la toupie et agissent dans tout le volume : elles remplacent le treillis dans de nombreux dallages et voiries, mais pas une armature principale calculée dans une poutre ou un poteau.

Armer sans corrosion dans le béton neuf : PRF ou fibres ?

Si vous envisagez le PRF parce que l'acier rouille, posez-vous d'abord une autre question : quelle part de l'armature peut sortir de la toupie, sans risque de corrosion ? Dans beaucoup de constructions neuves, cette part est plus grande qu'on ne le pense :

• Dallages, voiries, cours, sols agricoles et sols de serres, pistes cyclables : les macrofibres synthétiques remplacent souvent le treillis soudé et ne rouillent pas, par exemple TwistR (macrofibre en polypropylène de 48 mm, 2,0 à 6,0 kg/m³) ou Wiking 4050 TR (polyoléfine, EN 14889-2 classe II). Exemple concret avec la Wiking 4050 TR : le sol de serre sans armature acier.

• Préfabrication, poutres de rive (en hybride), béton projeté et dalles structurelles : la macrofibre de basalte Basalt Wave.

• Limitation du retrait dans les mortiers et les couches minces : la fibre de basalte coupée Basalt Chopped (4 mm, 0,6 à 1,0 kg/m³).

• Éléments structurels fortement sollicités (poutres, poteaux, armature principale) : l'acier ou les barres PRF restent nécessaires. Souvent, on peut réduire le nombre de barres grâce à une armature hybride, où les fibres prennent en charge la maîtrise de la fissuration.

Pour un béton en milieu chloré (XD ou XS : sels de déverglaçage ou eau de mer), voyez comment les fibres aident à prévenir la corrosion des armatures en acier. Pour choisir entre les types de fibres, la comparaison fibres d'acier ou macrofibres synthétiques vous aidera.

Basalt Wave n'est pas une armature en basalte

Basalt Wave est constituée de filaments de basalte dans une matrice époxy, le même principe de matériau qu'une barre PRFB. Ce n'est pourtant pas une armature en basalte : c'est une macrofibre de 50 mm de long et de Ø 1,2 mm, au profil ondulé 3D, dosée dans le mélange et qui travaille de façon diffuse dans le béton, comme les autres macrofibres. Basalt Wave ne remplace pas une armature principale calculée dans une poutre ou un poteau. Dans les poutres de rive, son emploi est hybride, avec des armatures en barres, et toujours sur la base d'un calcul de béton fibré.

Pour en savoir plus sur son emploi dans les éléments, lisez l'article sur les fibres dans les éléments préfabriqués en béton. Pour un conseil sur les fibres de votre élément ou de votre dallage, vous pouvez demander un devis ou un conseil.