Les Bétons Fibrés Ultra-Performants, matériau du futur
Eugen Brühwiler est un des plus grands spécialistes mondiaux des BFUP (Bétons Fibrés Ultra-Performants). Ingénieur civil diplômé de l’ETH de Zurich, il est surtout professeur à l’EPFL où il dirige le laboratoire de Maintenance Construction et Sécurité des ouvrages. Depuis 15 ans, avec son équipe de chercheurs et doctorants, il a développé ce nouveau matériau composite et l’a rendu de plus en plus performant, notamment dans le but de l’appliquer sur les ouvrages existants en béton pour les améliorer. Il préside également le groupe de travail chargé de la rédaction du cahier technique SIA 2052 consacré au BFUP. Interview avec un visionnaire ancré dans la réalité.
A vous entendre, on a l’impression que le BFUP va remplacer ni plus ni moins que le béton. Ce n’est pas un peu exagéré?
Tout le monde croit que le béton va rester éternellement le matériau de construction dominant. C’est très confortable d’imaginer que le béton sera toujours utilisé, même dans cinquante ans, et qu’on travaillera encore avec les mêmes camions et mêmes malaxeurs. Mais, on ne reconnaît pas ce qui ne va pas avec le béton armé ordinaire.
Sa durabilité est très sérieusement affectée par la RAG (Réaction Alcali-Granulat). En Valais, par exemple, beaucoup d’ouvrages d’art sont rongés, même les plus récents. Il suffit d’examiner en passant, par exemple, les murs du contournement de Brigue pour constater une importante fissuration due à la RAG. Et tout cela à cause des granulats contenus dans le béton. L’idéal ce serait bien sûr d’éliminer ces granulats.
Un autre problème qui affecte gravement le béton, c’est la corrosion des armatures et le gel. Le béton est un matériau poreux. L’eau peut facilement pénétrer à l’intérieur par les pores capillaires du béton. Là encore, il faut donc un matériau sans excès d’eau, car l’eau libre est à l’origine de la formation de ces pores capillaires. En fait, les constituants les plus valables et performants du béton armé sont l’acier d’armature et le ciment. Les autres constituants sont à éviter.
Cela peut paraître ambitieux et provocateur de dire cela en 2014. Mais l’industrie de la construction en béton armé va enfin devoir faire face aux faiblesses fondamentales de cette méthode de construction et cela va être impératif. Je suis conscient que cela peut surprendre et mécontenter toute cette industrie.
Le BFUP ne souffre donc pas des inconvénients du béton…
En effet, il répond parfaitement aux faiblesses du béton ordinaire. Le BFUP ne contient pas de granulats. Quant à l’eau, elle est entièrement consommée pour l’hydratation du ciment, contenu en grande quantité variant de 700 à 1000 kg/m3 de BFUP. Sa composition est ainsi faite que tous les espaces à l’intérieur du matériau sont occupés par des fines particules. C’est un matériau très compact, très dense et imperméable à l’eau. Grâce à une grande quantité de fines fibres en acier, il ne se fissure pas à l’état de service.
Par rapport au béton, la résistance mécanique du BFUP est très élevée, ce qui permet de réduire son épaisseur et de travailler en couches minces. Le volume d’un élément en BFUP diminue par un facteur 3 à 4. Malgré un dosage élevé en ciment, la quantité de ciment utilisée pour un élément porteur n’est pas plus élevée que celle utilisée pour un élément en béton remplissant la même fonction de portance.
Pour qualifier la performance des structures, la vraie valeur dont il faut tenir compte, c’est le rapport entre la charge utile et le poids propre. Et là, le béton armé n’est pas très performant. Par exemple, au Learning Center de l’EPFL, les dalles de béton font 60 cm, ce qui représente un poids propre de 15kN/m2 qui est presque quatre fois plus élevé que la charge utile qu’elles portent.
La question du BFUP s’est déjà posée, il y a 10 ans, pour le Learning Center, car le BFUP se situe entre le béton armé et la construction métallique. Mais à l’époque nous n’étions pas prêts pour construire de manière économe une coque beaucoup plus mince. Et ce qui emporte les décisions, c’est le coût et le rapport économique.
Et la situation a changé aujourd’hui?
On peut le dire. A l’EPFL, ces dernières années, nous avons beaucoup développé le comportement en traction du BFUP. Nous avons beaucoup travaillé pour améliorer la ductilité, la capacité d’un matériau à se déformer plastiquement sans se rompre. Et ce n’est pas fini. Nous voulons aller plus loin pour augmenter encore sa résistance à la traction.
Nous travaillons aussi beaucoup sur la combinaison entre BFUP et barres d’armatures. C’est ce BFUP armé que nous avons notamment utilisé sur le viaduc de Chillon. Il superpose les comportements des deux matériaux et se révèle très complémentaire.
On en revient quand même toujours au point essentiel, le nerf de la guerre. Le BFUP est-il rentable?
En Suisse, l’ingénierie est reconnue pour être économe et modeste. Nous cherchons des solutions durables et robustes. Et, contrairement à ce que beaucoup imaginent encore, c’est le cas du BFUP. La meilleure preuve c’est encore le viaduc de Chillon dont le renforcement s’avère finalement bon marché par rapport aux exigences remplies. Avec le système d’armatures et de BFUP choisis, les travaux de BFUP reviennent à 230 fr/m2 de surface de roulement du viaduc.
La performance de cette technique présente des atouts indéniables, mais c’est finalement aussi pour des raisons purement et uniquement économiques qu’elle a été retenue. Les maîtres d’ouvrage, les propriétaires, recherchent toujours la solution économiquement la plus avantageuse, ce qui est un bon principe, une saine compétition. Et Chillon en est la preuve ultime: même si le matériau BFUP est cher par rapport au béton (bien qu’environ trois fois meilleur marché que l’acier), il faut finalement faire la comparaison au niveau du système de construction appliqué. Par rapport au béton, le BFUP offre un gain important en terme de masses et de volumes à manipuler, de durabilité, de légèreté et d’économie globale de matière.
Si la variante conventionnelle en béton armé avait été choisie, cela aurait nécessité un renforcement de tout le viaduc, y compris le caisson de pont et les piles. Le coût aurait probablement avoisiné celui d'une nouvelle construction!
Ce viaduc de Chillon semble marquer un tournant dans l’utilisation et l’avènement du BFUP.
L’utilisation de BFUP sur le viaduc de Chillon, long de 2,1 km, est une première mondiale tant par la surface à recouvrir que les volumes à fabriquer et à mettre en place en si peu de temps. Après… pour réaliser une telle première, il faut aussi avoir la chance de travailler avec les bonnes personnes qui ont la volonté de réussir et qui travaillent avec un esprit constructif, positif et avec passion. Il faut les gens qui tous tirent à la même corde. A Chillon, la collaboration a été remarquable.
Cette première mondiale vaut à la Suisse et l’EPFL une reconnaissance mondiale.
J’ai pu donner une conférence plénière à ce sujet au Symposium IABMAS (International Association for Bridge Maintenance and Safety) à Shanghai en juillet dernier et je peux vous assurer que cela a été effectivement une très grande attraction de la réunion. Plusieurs pays font face à d’importants problèmes de durabilité dans leurs ouvrages de génie civil et s’intéressent de près aux développements du BFUP. C’est notamment le cas du Canada, mais aussi de la Chine et du Japon ou encore en Europe. Au Japon justement, ils ont coulé du BFUP sur un pont de 120 mètres en septembre dernier en appliquant directement notre méthode. L’EPFL a ainsi pu se positionner comme un des leaders mondiaux dans l’étude et le développement du BFUP.
Quel est le futur immédiat pour le BFUP?
J’espère que Chillon est un déclencheur pour quantité d’autres grands projets de renforcement et d’amélioration d’ouvrages en béton. Au total, il y a actuellement une douzaine de projets en Suisse romande, mais aussi en Suisse alémanique, dont je m’occupe de plus ou moins près. On peut citer par exemple le viaduc de Moudon (VD), dont la dalle longue de 200 m a également été renforcée cet été avec du BFUP armé.
Sur quels nouveaux développement mettez-vous l’accent aujourd’hui?
Les défis à relever dans le domaine des ouvrages existants sont multiples. A Neuchâtel, la surface de marche d’une passerelle au-dessus des CFF et de l’autoroute sera étanchée au moyen d’une couche de BFUP sur laquelle l’utilisateur pourra marcher directement. Sa particularité, une pente de 13 % à réaliser avec ce matériau auto-plaçant, représente un défi en soi qui a pu être relevé par une adaptation du mélange du BFUP et par des essais préliminaires en collaboration avec les entreprises.
Un autre projet actuellement étudié concerne un viaduc routier d’une longueur de 440 m. La particularité de ce viaduc est qu’il est extrêmement fréquenté les jours ouvrables par les automobilistes. L’idée est donc de couper le trafic pendant quelques week-ends uniquement, au cours desquels toute la pose du BFUP sur la dalle de roulement devrait être réalisée grâce à l’emploi d’un BFUP à prise rapide.
Nous étudions également le renforcement de dalles vulnérables au poinçonnement, donc lorsqu’une dalle pleine en béton armé est appuyée sur des colonnes. Nos essais démontrent qu’avec une couche de BFUP nous pouvons augmenter la résistance de 30 à 40%.
Contrairement à beaucoup de scientifiques aujourd’hui, vous n’avez pas créé de joint venture privé-EPFL pour financer et rentabiliser vos recherches. Est-ce délibéré?
Les partenariats privé-hautes écoles sont très en vogue actuellement. Mais c’est à l’opposé de ma philosophie. Je crois à la mission originelle des EPF. En tant que chercheurs et professeurs, nous sommes principalement là pour développer des technologies pour l’industrie et pour former des ingénieurs suisses qui puissent en tirer bénéfice. Dans ce but, la Confédération investit plus d’un milliard dans les EPF chaque année. C’est donc notre devoir de livrer aux ingénieurs et entreprises suisses de nouvelles technologies pour apporter des solutions plus efficaces, notamment au plan socio-économique. C’est un service au public. Dans notre cas, le retour sur investissement bénéficie à des industriels comme les cimentiers et des maîtres et propriétaires d’ouvrage comme les administrations cantonales, l’OFROU ou les CFF.
J’ai toujours été opposé au principe des royalties dans le domaine de l’ingénierie civile. Je considère que cela freine même l’innovation et ses applications. Et je ne vois pas pourquoi les collectivités publiques et ses administrations devraient payer une seconde fois pour des technologies qu’elles ont contribué à financer. C’est contradictoire. Le contribuable nous paie et nous lui le rendons à notre manière.
Propos recueillis par Jean-A. Luque
