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Research and Statistical Analysis on the Impact Resistance of Supplementary Cementitious Material with Different Glass Fiber Content

Cette étude examine la résistance à l'impact dynamique d'un mortier de ciment renforcé de fibres de verre contenant des matériaux cimentaires supplémentaires sous des variations de rapports eau-liant et de teneurs en fibres à l'aide d'essais de barre de compression de Hopkinson divisée, révélant qu'un volume de fibres de 1,5 % et un rapport eau-liant de 0,5 optimisent l'absorption d'énergie et la ténacité, tandis que le comportement de rupture du matériau est modélisé efficacement par une distribution de Weibull à deux paramètres.

Auteurs originaux : Wenlong Huo, Xiaonian Chen, Zhengxiong Bai, Xiuyu Wu

Publié 2026-07-02

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : Wenlong Huo, Xiaonian Chen, Zhengxiong Bai, Xiuyu Wu

Article original sous licence CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Ceci est une explication générée par l'IA de l'article ci-dessous. Elle n'a pas été rédigée ni approuvée par les auteurs. Pour une précision technique, consultez l'article original. Lire la clause de non-responsabilité complète

La vue d'ensemble : Construire un ciment « blindé »

Imaginez que vous construisez un mur. Habituellement, les murs sont excellents pour supporter des livres lourds (charges statiques), mais si quelqu'un leur lance un rocher ou s'il y a une explosion à proximité, le mur pourrait se briser instantanément.

Cette étude porte sur la fabrication d'un type spécial de mortier de ciment (le « liant » et le remplissage dans la construction) qui est plus robuste et plus apte à survivre à des impacts soudains et violents. Les chercheurs ont voulu voir si l'ajout de fibres de verre (de minuscules et solides filaments de verre) et de certains « super-ingrédients » spéciaux (micro-silice et un agent d'expansion) pouvait transformer un ciment ordinaire en un matériau capable d'absorber les chocs comme une éponge plutôt que de se briser comme un biscuit sec.

Les ingrédients : Qu'est-ce qu'il y avait dans le mélange ?

Les chercheurs ont créé 216 petits « gâteaux de test » cylindriques de ciment. Ils ont ajusté la recette de deux manières :

Le rapport d'eau (W/B) : Considérez cela comme l'humidité dans une pâte à gâteau. Ils ont testé trois niveaux : un mélange « sec » (0,3), un mélange « moyen » (0,4) et un mélange « humide » (0,5).
La fibre de verre (GF) : C'est l'arme secrète. Ils ont ajouté des fibres de verre en quatre quantités :
- 0 % : Pas de fibres (le groupe témoin).
- 0,5 %, 1,0 % et 1,5 % : Des quantités croissantes de minuscules brins de verre, comme si l'on ajoutait de plus en plus d'armatures d'acier à un pont en béton, mais à une échelle microscopique.

Le test : Le défi du « canon à air »

Pour voir la robustesse de ces mélanges, ils ne se sont pas contentés de les presser ; ils les ont frappés. Ils ont utilisé une machine appelée Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB).

L'analogie : Imaginez un canon à air à haute vitesse projetant un projectile contre votre gâteau de test. Les chercheurs ont ajusté la pression de l'air (0,2, 0,3 et 0,4 MPa) pour simuler différents niveaux d'impact, allant d'un coup de poing dur à un choc violent.
L'objectif : Ils voulaient voir à quelle vitesse le matériau pouvait se déformer, quelle quantité d'énergie il pouvait absorber, et s'il se fissurerait proprement ou s'il se transformerait en poussière.

Ce qu'ils ont découvert : Les secrets du « super-ciment »

1. L'effet de « vitesse » (Taux de déformation)
Quand le matériau est frappé lentement, il se comporte d'une certaine manière. Quand il est frappé vite (comme lors d'une explosion), il se comporte différemment.

La découverte : Plus l'impact est rapide, plus le matériau devient fort, mais il se brise aussi en morceaux plus petits et plus fins. C'est comme un morceau de taffy qui s'étire si vous le tirez lentement, mais qui casse si vous donnez un coup sec. Le matériau a montré un « effet de taux de déformation », ce qui signifie qu'il devient plus difficile de le briser plus l'impact est rapide, mais que les dommages sont plus sévères.

2. Le mélange « humide » a gagné
Étonnamment, le mélange avec le rapport d'eau le plus élevé (0,5) a été le plus performant pour absorber l'énergie.

L'analogie : Pensez à une éponge sèche par rapport à une éponge humide. Le mélange plus sec était trop rigide et fragile. Le mélange plus humide avait plus de « souplesse », lui permettant de mieux absorber l'énergie de l'onde de choc sans se briser immédiatement. Il agissait comme un amortisseur dans une voiture.

3. La magie de la fibre de verre
L'ajout de fibres de verre a complètement changé la donne.

La découverte : Lorsqu'ils ont ajouté 1,5 % de fibres de verre, le matériau est devenu incroyablement robuste.
L'analogie : Imaginez une autoroute. Sans fibres, une fissure est comme un nid-de-poule qui se propage instantanément sur toute la route. Avec des fibres, les fissures sont comme des nids-de-poule qui rencontrent un « ralentisseur » (les fibres). Les fibres maintiennent le matériau ensemble, forçant la fissure à prendre un chemin plus long et plus difficile pour se propager. Cela a empêché le matériau de se transformer en poussière et lui a conféré une grande « ténacité ultime » (la capacité de s'étirer et de se plier avant de rompre).

4. Les quatre étapes de la rupture
Lorsqu'ils ont frappé les échantillons, la courbe contrainte-déformation (un graphique montrant comment le matériau a réagi) présentait quatre chapitres distincts :

Phase élastique : Le matériau s'étire comme un élastique et veut reprendre sa forme initiale.
Expansion des fissures : De minuscules fissures invisibles commencent à se former.
Déformation plastique : Le matériau commence à se déformer de manière permanente (comme le pliage d'un trombone). Les fibres ont aidé cette étape à durer plus longtemps, absorbant plus d'énergie.
Rupture : Le matériau finit par céder.

La « boule de cristal » statistique

Les chercheurs n'ont pas seulement observé les résultats ; ils ont utilisé un outil mathématique appelé la loi de distribution de Weibull.

L'analogie : Considérez cela comme une « boule de cristal de prédiction de défaillance ». Comme deux morceaux de ciment ne sont jamais exactement identiques (certains ont de minuscules bulles d'air, d'autres sont légèrement plus denses), la résistance varie. Le test de Weibull a aidé à prédire la probabilité qu'un morceau se brise à une certaine force.
Le résultat : Les mathématiques ont parfaitement fonctionné. Ils ont découvert que la relation entre la pression d'air utilisée pour frapper l'échantillon et la résistance du matériau suivait une ligne courbe et fluide (un polynôme quadratique). Cela signifie qu'ils peuvent désormais prédire exactement quelle sera la résistance d'un mélange simplement en connaissant la recette et la pression d'impact.

L'essentiel

Cette étude prouve qu'en ajoutant la bonne quantité de fibres de verre (spécifiquement 1,5 %) et en ajustant la teneur en eau, on peut créer un mortier de ciment qui agit comme une armure de haute technologie. Au lieu de se briser lors d'un impact soudain, il absorbe l'énergie, retarde la fissuration et reste bien mieux assemblé. C'est une avancée majeure pour les bâtiments qui doivent survivre aux tremblements de terre, aux explosions ou à d'autres impacts extrêmes.

Résumé Technique : Résistance aux Impacts des Matériaux Cimentaires Supplémentaires avec Différentes Teneurs en Fibres de Verre

Énoncé du Problème
Le mortier est un matériau critique pour le collage, le remplissage et la réparation dans la construction ; cependant, il est sujet au retrait fissuraire, ce qui compromet sa résistance à la compression et sa durabilité. Bien que les matériaux cimentaires supplémentaires (SCM), tels que la micro-silice (MS) et les agents d'expansion (EA), soient connus pour améliorer les propriétés mécaniques statiques et inhiber le retrait, il existe une relative rareté de recherches concernant leurs performances sous des charges d'impact dynamiques. Les études existantes sur le mortier renforcé de fibres reposent souvent sur une teneur élevée en ciment ou sur des additifs anticorrosion qui peuvent être défavorables pour l'environnement ou induire des dommages initiaux. Par conséquent, il est nécessaire d'étudier les propriétés mécaniques dynamiques du mortier amélioré par des SCM et des fibres de verre (GF) afin de mieux comprendre leur comportement sous des charges extrêmes telles que les explosions, les impacts et les séismes.

Méthodologie
L'étude a utilisé un dispositif de barre de compression de Hopkinson (SHPB) pour mener des tests d'impact dynamique sur 216 spécimens cylindriques (ø75 mm × 37,5 mm). Les spécimens étaient composés de ciment Portland ordinaire (PC), de micro-silice (10 % en poids de PC), d'un agent d'expansion (8 % en poids de PC), de sable de rivière et de fibres de verre.

Variables : L'étude a fait varier les rapports Eau/Liant (E/L) (0,3, 0,4, 0,5) et le contenu volumique en fibres de verre (GF) (0 %, 0,5 %, 1,0 %, 1,5 %).
Conditions de test : Des tests d'impact dynamique ont été réalisés à trois pressions de canon à air ( $P_g$ ) : 0,2 MPa, 0,3 MPa et 0,4 MPa, générant différentes vitesses de déformation.
Analyse : Les chercheurs ont analysé les modes de rupture, les courbes contrainte-déformation et les paramètres mécaniques dynamiques (contrainte de pointe, déformation ultime, ténacité ultime). De plus, les données expérimentales ont été ajustées à une distribution de Weibull à deux paramètres pour évaluer la fiabilité statistique de la résistance aux impacts et pour dériver des équations liant la probabilité de défaillance à la pression d'impact.

Résultats Clés

Effet de la vitesse de déformation et modes de rupture : Les spécimens ont présenté un effet clair de la vitesse de déformation. À mesure que la vitesse de déformation augmentait, le degré de rupture des spécimens s'intensifiait, passant d'une rupture par traction de fendage axial à de faibles vitesses de déformation à une rupture par écrasement granulaire à des vitesses élevées. Les courbes de contrainte-déformation dynamiques étaient caractérisées par quatre étapes distinctes : élastique, expansion des fissures, déformation plastique et rupture. Notamment, l'étape de déformation plastique se renforçait avec l'augmentation des vitesses de déformation.
Influence du rapport E/L : Les spécimens avec un rapport E/L de 0,5 ont démontré une résistance aux impacts et des capacités d'absorption d'énergie supérieures à ceux ayant des rapports plus faibles (0,3 et 0,4). La porosité plus élevée associée au rapport 0,5 a facilité une meilleure réduction de la vitesse d'impulsion et l'absorption d'énergie. La relation entre la ténacité ultime et la vitesse de déformation s'est avérée hautement corrélée et augmentait avec le rapport E/L.
Influence de la teneur en fibres de verre : L'augmentation de la teneur en GF a généralement amélioré la résistance à la compression dynamique. Plus précisément, les spécimens avec une teneur de 1,5 % de GF ont montré la résistance à la compression dynamique et la ténacité ultime les plus élevées. Les fibres ont modifié le chemin de propagation des contraintes, réduit la concentration de contraintes et inhibé la formation de fissures. À une teneur de 1,5 %, les fibres étaient réparties uniformément, créant un effet synergique qui a considérablement renforcé la résistance aux dommages par impact.
Analyse statistique (Distribution de Weibull) : Les données de résistance aux impacts pour tous les groupes de spécimens ont été bien décrites par la distribution de Weibull à deux paramètres, avec des coefficients de régression linéaire élevés ( $R^2$ ). L'étude a confirmé que le degré de corrélation linéaire s'améliorait avec une teneur plus élevée en GF.
Modélisation prédictive : La relation entre la résistance à la compression dynamique et la pression du canon à air ( $P_g$ ) sous différentes probabilités de défaillance suit une fonction de courbe polynomiale quadratique.

Signification et Revendications
Les auteurs affirment que ces résultats apportent une signification directrice pour l'amélioration de la résistance aux impacts des matériaux de mortier utilisés dans le remplissage et le renforcement des bâtiments. L'étude démontre que la combinaison de SCM (MS et EA) avec un volume optimal de fibres de verre (spécifiquement 1,5 %) et un rapport E/L de 0,5 peut efficacement améliorer les propriétés mécaniques dynamiques du mortier. L'application réussie de la distribution de Weibull à deux paramètres permet une description statistique fiable de la résistance aux impacts du matériau, permettant de prédire la résistance à la défaillance sous des pressions d'impact spécifiques. La recherche met en évidence une voie pour développer des mortiers performants et respectueux de l'environnement, capables de supporter des charges dynamiques extrêmes sans dépendre d'un excès de ciment ou d'additifs nocifs.