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Universit de Tunis El Manar

Ecole nationale dingnieurs de TunisDpartement Gnie civil

Projet de fin danne

Le bton fibr

Ralis par:Yaich Mohamed AymenNajar SouheilClasse: 1AGC11AGC2Encadr par:Mme: Ben Hassine WiemAnne universitaire 2013/2014

Table des matiresChapitre I: Quest-ce que le bton11.1. Histoire [1]21.1.1. Les dbuts du bton:21.1.2. Un long silence:21.1.3. Le rveil du bton:21.1.4. Un essor considrable31.1.5. Des hauts et des bas31.2. Classification [2]31.2.1. Les btons courants31.2.2. Les btons lourds31.2.3. Les btons de granulats lgers31.2.4. Les btons cellulaires41.2.5. Bton aux nouvelles performances41.2.5.1. Les Btons Hautes Performances BHP41.2.5.2. Les btons auto-plaant BAP41.2.5.3. Les Btons Fibrs Ultra hautes Performances BFUP41.2.5.4. Les btons fibrs51.3. Essais sur bton [3] [4]61.3.1. Consistance61.3.1.1. Affaissement au cne d'Abram.61.3.2. Teneur en air71.3.2.1. Mthode du manomtre:71.3.2.2. Mthode de la colonne deau:81.3.3. Confection dprouvettes81.3.3.1. Conservation des prouvettes :81.3.4. Rsistance en compression91.3.5. Autres essais91.3.6. Suivi maturomtrique91.3.6.1. Lobjectif:91.3.6.2. De nombreux avantages91.3.6.3. Principe101.3.7. Les essais de lapproche performantielle101.3.7.1. porosit leau101.3.7.2. Permabilit au gaz111.3.7.3. Coefficient de diffusion apparent des ions chlorure122. Chapitre II- Bton Fibr132.1.1. Gnralits142.1.1.1. Les caractristiques et les proprits des fibres152.1.2. Le rle des fibres162.1.3. Les avantages des fibres162.2. Les types de fibres162.2.1. Les fibres mtalliques162.2.1.1. Proprits162.2.1.2. Atouts des fibres mtalliques dans les btons structurels172.2.1.3. Spcificit du comportement des btons fibrs avec des fibres mtalliques182.2.2. Les fibres polypropylne182.2.2.1. Proprietes182.2.2.2. Atouts des fibres polypropylne pour la tenue au feu des btons182.2.3. Les fibres de verre192.2.3.1. Proprietes192.2.3.2. Atouts des fibres de verre comme armatures de parois minces192.3. Les domaines dapplication des btons fibrs192.4. Les techniques de mise en uvre21

Liste des figuresFigure 1: test daffaissement6Figure 2: les tapes du test Vb7Figure 3: confection dprouvettes8Figure 4: Conservation dprouvettes8Figure 5: Essai de compression axial9Figure 6: Principe de Maturomtrie10Figure 7: Porosit leau11Figure 8: Permabilit au gaz11Figure 9: Coefficient de diffusion apparent des ions chlorure12Figure 10: Les types du BF14

Liste des tableaux

Table 1: les diffrents familles de fibres6Table 2: Classement de consistance du bton7Table 3: Caracteristique et proprietes de chaque famille de fibres15Table 4: Materiau en fibre metalique17Table 5: Domaine d application20

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Chapitre I: Le bton: histoire, classification et essais

Histoire [1]Lebtonsous sa forme actuelle est le fruit de dcennies d'tudes et d'exprimentations. En effet, les Romains et les Egyptiens utilisaient des matriaux semblables pour les constructions. D'ailleurs, l'architecture romaine doit beaucoup lopus caementicium (du latin caementum = moellon, pierre brute). Cet anctre du bton contenait demortieret de pierres de toutes sortes. Par sa solidit et sa rapidit de mise en uvre et associ d'autres matriaux tels que la brique, il a permis les prouesses architecturales que l'on connat aux romains.En raison du progrs technologique dans le domaine des mtaux, le bton a peu fait parler de lui pendant plusieurs sicles. Les outils mtalliques perfectionns ont rendu le travail du bois plus facile. Ce dernier matriau alli la pierre sest donc substitu au bton pendant plusieurs sicles particulirement en Europe.Au XIXmesicle le bton a connu les plus grandes avances : John Smeaton a dcouvert en 1756 que leschauxeffectuant les meilleures prises sont obtenues partir de calcaire et d'argile et pas seulement de calcaire comme on le pensait jusqu'alors. A partir de 1812, Louis Vicat commena caractriser les proprits des diffrentscimentsen fonction de leur proportion calcaire / argile. A partir de l, tout alla trs vite. De nombreux scientifiques s'intressrent ce nouveau matriau, ainsi en 1824, John Aspdin proposa la formule du ciment Portland. La production industrielle du ciment fut rendue possible moins de 30 ans plus tard notamment grce Demarle, Lopold et Augustin Pavin de Lafarge, Piquety et Vicat.Les premires constructions en bton ne tardrent alors pas arriver. L'glise St Jean de Montmartre Paris est l'une des premires constructions en bton. L'architecte Anatole de Baudot a eu l'audace de construire entre 1894 et 1904 l'un des premiers btiments sacrs en bton arm. Il fut d'ailleurs svrement critiqu.A partir de ce moment-l, on commena s'intresser aux proprits des diffrents btons. On innova dans le but de faciliter sa production et son utilisation mais aussi pour lui confrer de nouvelles caractristiques. Ceci a permis de voir apparatre au dbut des annes 1980 les premiers btons hautes performances. En effet, que ce soit grce l'ajout deplastifiants, de fibres ou de grains de plus en plus fins, le bton tait devenu plus solide, plus fiable.

Son utilisation dans des travaux de grande ampleur permit ce matriau d'tre mieux apprci. Par exemple, le pont de l'Ile de R, achev en 1988, est l'une des premires constructions utiliser largement les BHP. Ces progrs furent largement dus certains industriels qui investirent dans les recherches comme les entreprises Bouygues ou Lafarge.La plupart des architectes s'accordent dire que le bton offre aujourd'hui beaucoup de libert dans la conception et la construction des btiments. Il est facile mettre en place, on peut lui donner la forme qu'on veut et grce lui on peut s'affranchir de certains murs porteurs. Des scientifiques continuent de faire des travaux de recherche sur le bton. Ils s'intressent aujourd'hui aux aspects nanomtriques du matriau et esprent en dvelopper de nouvelles "varits" aux proprits encore plus intressantes d'ici quelques annes.Cependant, d'autres architectes pensent que le bton a t utilis de manire trop massive dans la deuxime moiti du XXme sicle donnant lieu des paysages urbains parfois trs monotones.Des progrs marqueront srement le futur proche du bton, repoussant encore les limites de l'architecture. Cependant, il faut tre vigilant car son utilisation peut engendrer des btiments aux volumes et aux courbes magnifiques, mais il peut aussi tre l'origine de blocs gristres et tristes. Sa rputation est entre les mains des architectes de demain ...Classification [2]Les btons courants Ils sont les plus utiliss, aussi bien dans le btiment quen travaux publics. Ils prsentent une masse volumique de 2500 kg/m3environ. Ils peuvent tre arms ou non, et lorsquils sont trs sollicits en flexion, prcontraints.

Les btons lourdsIls reprsentent les btons dont les masses volumiques peuvent atteindre 6000 kg/m3 ils servent, entre autres, pour la protection contre les rayons radioactifs.

Les btons de granulats lgersIls reprsentent les btons dont la rsistance peut, nanmoins, tre leve, ils sont employs dans le btiment.

Les btons cellulairesCe sont les btons qui peuvent rpondre aux problmes disolation dans le btiment.

Bton aux nouvelles performancesLes Btons Hautes Performances BHPLes Btons Hautes Performances (BHP) ont dabord t utiliss pour leur haute rsistance. Cette caractristique facilement mesurable a fait des progrs spectaculaires partir des annes quatre-vingt. Elle est passe de 30/35 MPa plus de 100 MPa pour les btons trs hautes performances, voire plus 150 200 MPa pour des btons fibrs ultra hautes performances, BFUP.Les BHP ont rapidement dmontr quils permettaient doffrir un potentiel de progrs extraordinaire pour la construction de btiments et de structures de gnie civil. Ils sont dsormais valoriss par dautres performances que la simple rsistance mcanique, telles que la rhologie ltat frais, la durabilit long terme et lesthtisme des structures. Ce concept de valorisation des performances du bton autre que la rsistance mcanique est la base du dveloppement de tous les btons modernes (BAP, BFUP)

Les btons auto-plaant BAPLes btons auto-plaant (BAP) sont des btons trs fluides, qui se mettent en place sans vibration. Lors du coulage dans un coffrage, le serrage dun BAP est assur sous le simple effet de la gravit. Grce leur formulation, ils offrent des caractristiques exceptionnelles dcoulement et de remplissage des coffrages tout en rsistant parfaitement la sgrgation. Homognes et stables, ils prsentent des rsistances et une durabilit analogues celles des btons traditionnels dont ils se diffrencient par leurs proprits ltat frais. La fluidit du BAP permet sa mise en place aise par pompage.Les BAP sont formuls de manire obtenir le compromis optimal entre fluidit et rsistance la sgrgation et au ressuage. Ils offrent une plus grande qualit esthtique des parements.

Les Btons Fibrs Ultra hautes Performances BFUPLes BTONS FIBRES ULTRA HAUTES PERFORMANCES(BFUP), derniers ns de cette gnration de btons, sont des matriaux matrice cimentaire, renforcs par des fibres. Leurs formulations font appel des adjuvants super plastifiants et des compositions granulaires spcifiques ainsi qu des fibres (fibres mtalliques, polymres ou minrales).

La prsence de fibres, les performances en traction et leur comportement ductile permettent de saffranchir dans certains cas des armatures passives. Ces btons offrent des performances exceptionnelles: une trs grande ouvrabilit ; des rsistances caractristiques la compression 28 jours trs leves comprises entre 130 et250 MPa, ainsi qu la traction (valeur comprise entre 5 et 12 MPa) de hautes rsistances court terme (24 heures) des rsistances mcaniques au jeune ge trs leves une compacit trs importante une durabilit exceptionnelle (ce qui permet de les utiliser dans des environnements trs agressifs) une ductilit (dformabilit sous charge sans rupture fragile) importante une tnacit (rsistance la microfissuration) leve un retrait et un fluage trs faible une duret de surface trs importante une grande rsistance labrasion et aux chocs une faible permabilit des aspects de parements particulirement esthtiques et une texture de parement trs fine une optimisation des frais de maintenance et dentretien des ouvrages de nouvelles perspectives constructives.

Les btons fibrsUn bton fibr est un bton dans lequel sont incorpores des fibres. la diffrence des armatures traditionnelles, les fibres sont rparties dans lamasse du bton, elles permettent de constituer un matriau qui prsente un comportement plus homogne. Les fibres, selon leur nature ont un comportement contrainte-dformation trs diffrent. Elles peuvent, sous certaines conditions et pour certaines applications ou procds, remplacer les armatures traditionnelles passives. Les btons fibrs font lobjet de mthodes spcifiques de dimensionnement pour des applications structurelles (dalles, dallages industriels, voussoirs, pieux, etc.). Des mthodes doptimisation de leur formulation ont t spcialement dveloppes.

On distingue trois grandes familles de fibres:

Les fibres mtalliquesLes fibres organiquesLes fibres minrales

AcierPolypropylneVerre

Polyamide

Fonte (amorphe)AcryliqueBasalte

Mlange polypropylne/polythylneMica

InoxKevlar

AramideWollastonite

Carbone

Table 1: les diffrents familles de fibresEssais sur bton [3] [4]ConsistanceAffaissement au cne d'Abram.Cet essai, consiste mesurer la hauteur daffaissement dun volume tronconique du bton frais. Lessai au cne dAbram est simple raliser et ncessite un cne et une tige (voir figure1). Le moule tronconique sans fond est de 30cm de haut, de 20cm de diamtre en sa partie infrieure et de 10cm de diamtre en sa partie suprieure.

Figure 1: test daffaissementLessai daffaissement au cne caractrise bien la consistance d'un bton ce qui permet de les classer approximativement comme lindique le tableau suivant.

Table 2: Classement de consistance du btonTest Vb:

Figure 2: les tapes du test Vb

Malheureusement, cet essai ne convient pas pour tester les btons qui seraient encore plus fermes, plus secs qu'un bton donnant un affaissement presque nul. Dans ce cas-l, il convient de dterminer la consistance du bton frais par une autre mthode, qui s'appelle l'essai Vb, schmatis sur la figure

Teneur en airMthode du manomtre:On galise un volume dair connu une pression connue dans une enceinte hermtique avec le volume dair inconnu de lchantillon de bton. Le cadran du manomtre est talonn en % dair correspondant la pression rsultante.Mthode de la colonne deau:On introduit de leau sur une hauteur prdfinie au-dessus dun chantillon de bton serr de volume connu se trouvant dans une enceinte hermtique et on applique sur leau une pression dair prdtermine. On mesure alors la diminution du volume dair contenu dans le bton en observant la baisse du niveau deau.

Confection dprouvettes

Figure 3: confection dprouvettes

Conservation des prouvettes :

Figure 4: Conservation dprouvettes

Rsistance en compressionEssai de compression Lessai de compression est lessai le plus connu des essais mcaniques. Il seffectue sur des prouvettes cylindriques de diamtre 16cm et de hauteur 32cm. La rsistance la rupture par compression est mesure par compression axiale des prouvettes (voir figure5).La rsistance la compression correspond la contrainte maximale calcule par la formule suivante:

Figure 5: Essai de compression axial

Autres essais Masse volumique sur bton frais (NF EN 12350-6) Masse volumique sur bton durci (NF EN 12390-7) Rendement volumique = MV thorique/MV relle Carottes prlvement et essais en compression (NF EN 12 504-1) Dtermination de lindice de rebondissement (NF EN 12 504-2) Dtermination de la vitesse de propagation du son (NF EN 12 504-4)Suivi maturomtriqueLobjectif: Connatre la rsistance (mrissement) du bton dans louvrage pour raliser le plus rapidement possible et en toute scurit des oprations de construction (dcoffrage) quand le recours aux prouvettes dinformation nest pasjug suffisamment efficient (reprsentativit du mode de conservation, chauffage ou tuvage des lments, ) Elle transforme, en temps rel et sous rserve dun talonnage pralable du bton, lhistoire de temprature du bton in situ en rsistance.De nombreux avantages Simplicit des mesures de temprature et reprsentativit des estimations de rsistance. Information quasi-instantane (disponible en continu). Prdiction du dlai dobtention de la rsistance requise Optimisation des systmes de chauffage du bton

PrincipeLvaluation de la rsistance au jeune ge du bton par maturomtrie repose sur : La connaissance de lhistoire de temprature vcue par le bton Le concept dge quivalent La connaissance de lvolution de la rsistance en compression en fonction de lge quivalent la temprature de rfrence (20C en gnral), appele Courbe de rfrence du bton la connaissance de lnergie dactivation apparente du bton

Figure 6: Principe de Maturomtrie

Les essais de lapproche performantielle porosit leau

Figure 7: Porosit leau

Permabilit au gaz

Figure 8: Permabilit au gazCoefficient de diffusion apparent des ions chlorure

Figure 9: Coefficient de diffusion apparent des ions chlorure

Chapitre II- Bton Fibr

GnralitsUn bton fibr est un bton dans lequel sont incorpores des fibres. la diffrence des armatures traditionnelles, les fibres sont rparties dans la masse du bton, elles permettent de constituer un matriau qui prsente un comportement plus homogne.Les fibres, selon leur nature ont un comportementcontrainte-dformation trs diffrent. Elles peuvent, sous certaines conditions et pour certaines applications ou procds, remplacer les armatures traditionnelles passives. Les btons fibrs font lobjet de mthodes spcifiques de dimensionnement pour des applications structurelles (dalles, dallages industriels, voussoirs, pieux, etc.). Des mthodes doptimisation de leur formulation ont t spcialement dveloppes.Les fibres prsentent des caractristiques, tant gomtriques que mcaniques, diffrentes selon leur nature. Chacune a une influence particulire sur les lois de comportement mcanique du bton, ce qui se traduit par des applications adaptes et spcifiques.De faon gnrale, ces btons prsentent: Une meilleure rsistance latraction Uneamliorationdes rsistances mcaniques (jeune ge, chocs, cisaillement, usure, abrasion...) Une bonne matrise de la fissuration Une amlioration en matire de plasticit, de moulage et d'aspect de surfaceLa figure prsente quelques types de btons fibrs.

Figure 10: Les types du BFOn distingue trois grandes familles de fibres. Les fibres mtalliques : acier inox fonte (amorphe) Les fibres organiques : Polypropylne polyamide acrylique. mlange polypropylne/polythylne ; kevlar ;aramide ; carbone Les fibres minrales : Verre wollastonite basalte mica

Les caractristiques et les proprits des fibres

Chaque fibre prsente des caractristiques et des proprits qui lui sont propres : dimensions (diamtre, longueur, etc.), formes (lisses, crantes, ondules, biondules, crochet, munies de cnes aux extrmits, etc.), rsistances mcaniques (rsistance la traction). Les dosages courants en fibres sont de lordre de 0,5 2 % en volume soit de 5 150 kg par m3 de bton.Chaque famille de fibres prsente des caractristiques et des proprits spcifiques.

Table 3: Caracteristique et proprietes de chaque famille de fibresPour faciliter leur utilisation, les fibres doivent : tre faciles incorporer dans le bton et ne pas perturber le malaxage (leur dispersion dans le bton doit tre rapide) se rpartir de manire homogne lors du malaxage au sein du bton (pas dagglomration de fibres) et lors du btonnagePour amliorer les performances mcaniques des btons (ductilit, rsistance en flexion, rsistance aux chocs, etc.), elles doivent : tre dformables sans tre fragiles tre relativement longues et fines et prsenter une grande surface spcifique offrir une bonne capacit de dformation possder un module dlasticit plus lev que celui de la matrice cimentaire prsenter une bonne adhrence avec la pte de ciment

Le rle des fibresLes fibres ont gnralement pour rle de renforcer ou remplacer laction des armatures traditionnelles en sopposant la propagation des microfissures.Elles peuvent galement dans certaines applications remplacer les armatures passives. Selon les fibres utilises (forme et nature) et les ouvrages auxquels elles sont incorpores.Les avantages des fibresGrce leurs proprits mcaniques, les fibres, permettent de mieux mobiliser la rsistance intrinsque du bton, de raliser des pices minces de grandes dimensions et doffrir au concepteur une plus grande libert architecturale. Elles confrent aux btons de nombreux atouts : la matrise de la fissuration une facilit et rapidit de mise en oeuvre un renforcement multidirectionnel et homogne un remplacement partiel ou total des armaturepassives

Les types de fibres Les fibres mtalliquesProprits Le bton de fibres est un matriau spficique form par le mlange de fibres mtalliquesavec lesautres constituants du bton.Le bton de fibre mtalliques est unbton arm lchelle locale. Comme les armatures traditionnelles de bton arm, les fibres ont pour objectif de matriser la fissuration. A la diffrence du bton arm o les armatures sont places dans le coffrage avant le btonnage, les fibres mtalliques sont mlanges avec les autres constituants du bton pour former un matriau spficique.

Table 4: Materiau en fibre metalique

Les fibres mtalliques sont utilises pour amliorer le comportement mcanique dun bton de structure.En effet, elles contribuent la rduction de la largeur des fissures dans la matrice bton (limitation de louverture des fissures et rpartition de la microfissuration).Elles se substituent partiellement aux armatures traditionnelles. Dans certains cas, pour des btons subissant de faibles sollicitations, elles peuvent mme remplacer compltement les armatures.Elles sont, en particulier, utilises pour rduire les risques de fissuration, espacer les joints de retrait, amliorer la rsistance en traction et au choc. Elles confrent au bton une certaine ductilit et une plus grande rsistance la rupture.

Atouts des fibres mtalliques dans les btons structurels

Les fibres mtalliques sont utilises pour amliorer le comportement mcanique dun bton de structure.En effet, elles contribuent la rduction de la largeur des fissures dans la matrice bton (limitation de louverture des fissures et rpartition de la microfissuration).Elles se substituent partiellement aux armatures traditionnelles. Dans certains cas, pour des btons subissant de faibles sollicitations, elles peuvent mme remplacer compltement les armatures.Elles sont, en particulier, utilises pour rduire les risques de fissuration, espacer les joints de retrait, amliorer la rsistance en traction et au choc. Elles confrent au bton une certaine ductilit et une plus grande rsistance la rupture.

Spcificit du comportement des btons fibrs avec des fibres mtalliques

Si lon applique un effet de traction au bton fibr, il se comporte avant rupture selon trois phases : les fibres et le bton agissent ensemble dans une phase lastique. des microfissures se produisent, leffort de traction est repris par les fibres qui limitent la propagation de la fissuration. les fissures se dveloppent, les fibres perdent leur adhrence avec la matrice.Toute fibre dacier qui traverse une fissure cre en quelque sorte un pont entre les deux bords de la fissure. Ce pont va permettre le transfert dune partie de la contrainte ayant entran louverture de la fissure. Cest ainsi quune fibre soppose llargissement de la fissure, jouant vritablement le rle dune couture et augmente la rsistance du bton aprs fissuration.Les fibres polypropylneProprietes Ces fibres obtenues par extrusion du polypropylne, se prsentent en faisceaux ou sous forme de filament individuel. Lorsquelles sont utilises sous forme de faisceaux, elles se sparent lors du malaxage. Elles se rpartissent de faon multidirectionnelle dans le bton.Les fibres polypropylne permettent en particulier de mieux contrler le retrait plastique du bton frais mais namliorent pas son comportement post-fissuration(contrairement aux fibres mtalliques).Elles amliorent la maniabilit et la cohsion du bton (en particulier dans le cas de bton projet). Elles sont particulirement souples et insensibles chimiquement mais peu rsistantes au feu (temprature de fusion comprise entre 140 170 C).Atouts des fibres polypropylne pour la tenue au feu des btons Le bton est un matriau poreux qui renferme de leau dont une partie correspond de leau excdentaire ncessaire louvrabilit ltat frais. En cas dlvation importante de la temprature, leau, reste prisonnire, se transforme en vapeur.Dans le cas des btons particulirement compacts, llvation de la temprature est susceptible de crer des contraintes internes pouvant entraner un caillage du bton en surface.Lincorporation dans le bton de fibres polypropylne (1 3 kg/m3) permet damliorer la tenue au feu des btons dont la compacit est particulirement leve. Les observations montrent que les fibres fondent lorsque les tempratures atteignent 140 170 C. Elles crent ainsi en fondant un rseau tridimensionnel constitu dune multitude de petits capillaires connects (rseaux de drains) susceptibles de permettre la vapeur deau de schapper vitant ainsi les surpressions. Ce phnomne constitue un moyen efficace pour limiter lcaillage de surface dun bton soumis une lvation.Les fibres de verreProprietes Les fibres de verre sont, grce leurs qualits mcaniques et leur rigidit, des renforts trs efficaces, mais elles sont sensibles aux alcalis librs par lhydratation du ciment (protection ou imprgnation ncessaire).En prfabrication, les domaines dapplication sont trs vastes. Les fibres de verre permettent la ralisation dlments de faible paisseur (lments architectoniques, lments de bardage, panneaux de faade, etc.), de mobilier urbain et de produits dassainissement. Panneaux de faade minces de 10 15 mm dpaisseur ou panneaux sandwich isolant incorpor. lments de bardage et lments dcoratifs. lments divers : coffret, coffrages, habillages. Produits dassainissements : tuyaux, caniveaux.Atouts des fibres de verre comme armatures de parois minces En prfabrication, les domaines dapplication sont trs vastes. Les fibres de verre permettent la ralisation dlments de faible paisseur (lments architectoniques, lments de bardage, panneaux architectoniques, lments de bardage, panneaux de faade, etc.), de mobilier urbain et de produits dassainissement. Panneaux de faade minces de 10 15 mm dpaisseur ou panneaux sandwich isolant incorpor. lments de bardage et lments dcoratifs. lments divers : coffret, coffrages, habillages. Produits dassainissements : tuyaux, caniveaux.Les domaines dapplication des btons fibrsLes btons fibrs peuvent tre utiliss pour une grande varit dapplications en btiment et en gnie civil : bton coul en place (dalles, planchers, fondations, voiles, pieux, etc.) ; bton prfabriqu (poutres, voussoirs, tuyaux dassainissement, etc.) ; bton projet (voie mouille/voie sche, construction et rparation de tunnels, confortement de parois, etc.) ; mortiers (prts lemploi) de rparation et de scellement.Le choix du type de fibres est en fonction du domaine:

Table 5: Domaine d application

Les techniques de mise en uvre

Les btons fibrs peuvent tre mis en uvre sous diffrentes formes: Bton coul en place : la pompe laide dune benne munie dun manchon Bton prfabriqu Bton projet