Barres d'armature à haute résistance : méthodes de production et propriétés essentielles

Au cours des dernières décennies, la construction en béton armé a généralement utilisé des barres d'armature avec une limite d'élasticité de 415 MPa (415 N/mm²) pour la plupart des poutres, poutres maîtresses et colonnes, et plus rarement des barres de 500 MPa pour les colonnes ne faisant pas partie d'un cadre résistant aux moments spéciaux. Aujourd'hui, les barres d'armature à haute résistance remplacent progressivement les barres de 415 MPa pour la construction d'immeubles de grande hauteur et de structures en béton, notamment dans les zones à haut risque sismique, afin de résister aux forces sismiques. Une barre d'armature à haute résistance est généralement définie comme ayant une limite d'élasticité (YS) de 500 MPa ou plus. Au Japon, des barres avec une limite d'élasticité allant jusqu'à 690 MPa sont actuellement utilisées dans les éléments de bâtiment conçus pour résister aux forces sismiques.

Avantages et besoins

De nombreuses études ont évalué l'utilisation de barres d'armature à plus haute résistance pour les poutres, poutres maîtresses et colonnes supportant des charges permanentes et variables. Ces études indiquent un besoin croissant de barres à haute résistance dans les applications sismiques et non sismiques. Les avantages potentiels incluent des économies de coûts, une réduction du temps de construction et une diminution de l'encombrement des armatures.

Normes internationales

Aux États-Unis, les producteurs d'acier développent des barres avec des limites d'élasticité atteignant 830 MPa, aux propriétés mécaniques et chimiques variables. Cependant, aucune de ces barres à haute résistance ne parvient à égaler les propriétés mécaniques de référence des barres de grade 415 MPa. Chaque variante diffère du comportement de référence de manière spécifique. On s'inquiète notamment que les barres à haute résistance moins ductiles puissent se fracturer au niveau des cintrages et nécessitent des diamètres de cintrage plus importants.

Au Japon, un projet quinquennal sous le nom de code « New RC » s'est achevé en 1993. L'une de ses missions était d'établir une norme pour les barres d'armature à haute résistance destinées aux bâtiments en zones sismiques. Le tableau 1 compare cette norme avec d'autres standards internationaux.

Tableau 1 : Comparaison de quelques normes pour barres d'armature à haute résistance
N°	Pays	Norme	Limite d'élasticité (MPa)	Remarques
1	Japon	Projet New RC 1993	980	Inclut aussi le grade 1275 MPa, uniquement pour armatures transversales
2	USA	ASTM A1035-14	830	Haute limite d'élasticité par contrôle de la microstructure
3	Inde	IS 1786 – 2008	650	Acier microallié avec CE max 0,53
4	Russie	GOST 10884-94	1200	Haute limite d'élasticité avec addition de silicium jusqu'à 2,3 %
5	Corée	KS D3504-11	700	CE autorisée jusqu'à 0,63
6	Ukraine	DSTU 3760-06	1000
7	Royaume-Uni	BS 6744-01 + A2:09	650	Barres en acier inoxydable
8	Chine	GB 1499.2-07	500	CE max 0,55

Note : Équivalent carbone CE = C + Mn/6 + (Cu + Ni)/15 + (Cr + Mo + V)/15

Méthodes de production

Trois méthodes principales sont utilisées pour produire des barres d'armature à haute résistance :

1. Écrouissage à froid
2. Addition d'éléments d'alliage
3. Trempe et revenu pendant le laminage

Les barres produites par trempe et revenu présentent généralement un rapport résistance à la traction / limite d'élasticité relativement bas et des déformations à la rupture relativement élevées. Celles produites par micro-alliage ont un rapport résistance/limite plus élevé et des déformations à la rupture également élevées.

Écrouissage à froid

L'écrouissage à froid est une méthode éprouvée. La déformation de l'acier est réalisée par laminage, tréfilage ou torsion à froid. Cette méthode permet de produire des barres à haute résistance à partir d'aciers faiblement carbonés et manganésés, soudables. Les barres subissent un écrouissage par déformation après laminage à chaud. La limite d'élasticité augmente avec l'intensité de la déformation. Le processus, réalisé sous la température de recristallisation, génère des dislocations dans la structure cristalline, augmentant la résistance mais réduisant la ductilité et le rapport résistance/limite. Il n'est donc généralement pas approprié pour des barres destinées à résister aux effets sismiques.

Addition d'éléments d'alliage (micro-alliage)

La limite d'élasticité est augmentée en modifiant la composition chimique par ajout d'éléments d'alliage (titane, niobium, vanadium), tout en maintenant de faibles teneurs en carbone et manganèse pour préserver la soudabilité. Les barres sont utilisées dans l'état laminé, après refroidissement lent à l'air.

Le micro-alliage forme des carbures inter-métalliques qui produisent un affinement de grain et un durcissement par précipitation. L'affinement de grain résulte du blocage des joints de grain pendant le traitement thermomécanique (laminage), produisant une taille de grain très fine. La relation de Hall-Petch décrit l'augmentation de la résistance avec la diminution de la taille de grain. La précipitation de carbures et nitrures bloque les dislocations, augmentant davantage la limite d'élasticité.

Le vanadium est l'élément le plus couramment utilisé. Le micro-alliage vanadium-azote permet d'augmenter jusqu'à 70 % la fraction de vanadium formant des précipités (contre 35,5 % pour le vanadium seul), tout en piégeant l'azote soluble et en éliminant les effets néfastes du vieillissement par déformation. L'utilisation de vanadium réduit la quantité de carbone nécessaire pour atteindre des résistances élevées, favorisant la soudabilité.

Trempe et revenu

La trempe consiste en un refroidissement rapide de l'acier porté à la phase austénitique. Le processus combine trempe immédiate après laminage et revenu par la chaleur résiduelle du cœur sur le lit de refroidissement. Cela produit une structure composite : martensite revenue en périphérie, zone de transition perlite/bainite, et cœur ferrite-perlite à grain fin. Ces barres sont appelées « barres trempées et auto-revenues (QST) ». Elles conservent leur plateau d'élasticité, peuvent être soudables si leur chimie le permet, et présentent un rapport résistance/limite faible (≈ 1,15 pour le grade 690 MPa).

Procédé MMFX (Microstructure Manipulation)

Couvert par la norme ASTM A1035, ce procédé breveté manipule la microstructure pour obtenir les propriétés souhaitées. Les barres n'ont pas de point d'élasticité bien défini, présentent un rapport résistance/limite élevé mais des allongements à la rupture relativement faibles.

Autres aspects de production

Les barres à haute résistance sont normalement produites en barres droites. L'enroulement des petits diamètres se développe, mais piège la chaleur, ralentissant le refroidissement. Les barres enrouées nécessitent des teneurs en micro-alliages plus élevées pour compenser l'arrondi de la courbe contrainte-déformation après redressement.

Les marques d'identification sont apposées pendant le laminage, et les propriétés mécaniques testées après. Si les propriétés ne sont pas atteintes, les barres ne correspondent pas aux spécifications de leur marque.

Problèmes de fabrication

La fabrication pose deux types de problèmes : la gestion de multiples grades (planification, réception, stockage) et l'adaptation des procédés aux propriétés des barres à haute résistance. Le cisaillement et le cintrage demandent des efforts plus importants, avec un retour élastique accru. Cela entraîne : usure prématurée des équipements, risques de sécurité pour les opérateurs (rupture de barre ou d'outil), et difficultés à respecter les tolérances de fabrication. Des précautions supplémentaires sont nécessaires, impactant l'efficacité.

Propriétés matérielles

La résistance et la ductilité sont définies par : limite d'élasticité minimale et maximale, longueur du plateau d'élasticité (déformation à la fin du plateau), résistance à la traction, allongement uniforme et total, rapport résistance/limite (ou son inverse, le rapport d'élasticité), et résultats des essais de cintrage et cintrage-recintrage.

Limite d'élasticité

Pour les barres à haute résistance qui n'ont pas de point d'élasticité net, la limite d'élasticité est déterminée par la méthode du décalage de 0,2 % ou la méthode « extension sous charge » (EUL) avec une déformation de 0,0035. Cette dernière donne des contraintes minimales de 550 MPa et 620 MPa pour les grades 690 et 830 MPa respectivement.

Résistance à la traction

Définie comme la contrainte maximale sur la courbe contrainte-déformation, calculée en divisant la charge maximale par la section nominale de la barre.

Allongement

L'allongement total est mesuré sur une longueur de jauge de 200 mm (méthode 1 : mesure après rupture et rapprochement des bouts ; méthode 2 : extensomètre, incluant l'allongement élastique). L'allongement uniforme est la déformation à la résistance maximale, mesurée par extensomètre. Il est plus représentatif de l'allongement utilisable en zone de charnière plastique pour la conception sismique. L'allongement utilisable est pris à 75 % ou moins de l'allongement uniforme.

Ductilité : essais de cintrage et cintrage-recintrage

L'essai de cintrage (norme ASTM) consiste à cintrer la barre à 180° (90° pour Ø ≥ 43 mm) autour d'un axe de diamètre spécifié. L'éprouvette passe si aucune fissure n'apparaît à l'extérieur du cintrage. Cet essai visuel ne mesure pas la réserve de résistance et ductilité.

L'essai de cintrage-recintrage soumet la barre cintree à un redressement. Pour les barres 415 MPa, l'écrouissage augmente la résistance au cintrage et la rupture se produit loin du cintrage (ductile). Pour les barres à haute résistance à ductilité limitée, des fissures peuvent apparaître au cintrage, le rendant plus fragile. La rupture fragile = échec ; rupture ductile = succès.

L'essai de cintrage-recintrage avec vieillissement (huile à 100 °C, 1 h) simule l'embrittlement par vieillissement par déformation (libération d'azote). Aucune fissure ne doit apparaître après recintrage.

Les essais de cintrage dans le béton (barre ancrée tirée jusqu'à rupture) permettent d'étudier l'interaction béton-acier. Les modes de rupture incluent : fracture hors béton, rupture au cintrage, ou éclatement du béton. Ces essais sont coûteux mais essentiels pour valider les barres à haute résistance.

Vieillissement par déformation

Le vieillissement par déformation est l'évolution temporelle des propriétés mécaniques après déformation plastique : augmentation de la résistance à la traction, diminution de la ductilité, et modification de la température de transition fragile-ductile. Il est attribué à la redistribution de l'azote dans la matrice. La plupart des effets surviennent dans les mois suivant la déformation. Les cintrages sont donc sensibles à l'embrittlement.

Les micro-alliages au titane et vanadium réduisent ces effets en formant des nitrures qui piègent l'azote libre.