Brevet FR2009094A1 — publié le 19700130

Longtemps avant la découverte de ce que on appelle béton la boue et l'argile étaient armées avec de la paille pour donner à ces matériaux une résistance plus grande & BR plâtre, Le béton9 un matériau obtenu en mélan geant du sable, du cimentS du gravier (ou pierre concassée). et de l'eau en différentes proportions9 à la prise9 est connu pour avoir une haute résistance à la compression0 Le rapport de la résistance à ltextension à celle la compression est de l'ordre de un à dix. La faible résistance à ltextension du béton rend ce dernier ina- déquat pour être employé dans la construction des éléments de structures sujets à des moments fléchissants (poutrelles9 pilliers, dalles, voiles minces, etc.), sans l'addition à des endroits dé- terminés d'éléments d'acier capables de compenser la faibles- se du béton à l'extension0 la faible résistance du béton à l'ex- tension est due à la présence de vides ayant des dimensions variant du microscopique au macroscopique, Ces vides9 généralement considérés comme imperfections, se forment dans la masse solidifiée, par l'air entraîné dans cette masse durant le processus de mélange aussi bien qut par l'hydratation du ciments Sous l'application d'extension au béton, ces vides tendent & augmenter en dimension, en longueur et en largeur, en développant des fissura- tions à leurs bords perpendiculaires à la direction de la force d'extension appliquée, Une fois que ces fissurations se dévelop- pent, la cohésion dans la section est réduite par la réduction de la section effective et, suivant un processus en chaîne, la cassure en extension en résultez Vers la fin du dix neuvième siècle, les métaux9 particulièrement le fer et l'acier, ont rendu possible la constitution du béton armé qui est employé dans une grarde partie des constructions présentes.L'armature en acier du béton aboutit a un matériau ayant des résistances à l'extension et au moment fléchissant9 adéquates à plusieurs emplois structuraux0 Une telle armature comprend la pose calculéeS et l'ancrage des tiges d'acier et des mailles, autour desquelles la matière de béton est coulée et solidifiée0 Plus récemment 9 le béton armé avec de l'acier a été "précontraint" afin de développer les propriétés désirables en épuisant une compression préappliquée9 par lgextension se développant dans un élément soumis à un moment fléchissant0 Même dans le cas de lsaddition de l'a- cier au béton pour former un élément en béton armé9 ni les propriétés du béton9 ni celles de ltacier ne sont aucunement améliorées.L'acier et le béton assurent chacun une fonction séparée, et les propriétés de l'élément dépendent de la performance de chacun des composants séparément0 Les propriétés caractéristiques de l'agrégat à armatures et béton résultent des propriétés mécaniques individuelles de l'armature et du béton0 La performance de l'un ntaJffecte pas celle de l'autre. Il a été observé qu'un espacement petit des éléments d'armature tend à arrêter les fissurations, avec le résultat que l'élément commence à montrer des propriétés caractéristiques plus élevées que la simple somme des propriétés de ses composant 50 Si des tiges d'armature doun matériau9 ayant une résistance à l'extension plus élevée que celle du béton, sont présentes dans la masse, l'extension des fissurations est arrêtée, préservant ainsi l'aire dé la section du béton pour résistera l'eY^- tension, ainsi que la résistance à l'extension des tiges mêmes Ce phénomène explique la hausse dans la résistance à l'extension du béton armé. Pour que l'amélioration, due à l'arrêt des fissurations9 soit obtenue9 des petits espacements entre les tiges d'armature sont nécessaires. Avec des espacements proches des éléments d'armature9 l'aire de section de chaque armature peut entre relativement petit e9 puisque l'aire totale du matériau dear- mature est sensiblement la même pour un petit ou un grand nombre des tiges d'armature0 I1 devient apparent que le matériau pour armature, doit être substantiellement sans corrosion puisque toute corrosion réduit d'une manière appréciable aire effective de la section des tiges ou fils dearmatureO Des petites longueurs de fils d'acier ou de fibre de-verre, uniformément dispersées9 produisent-un maté- riau de béton armé9 ayant une résistance & la fissuration par lQex- tension qui est9 à des limites, une fonction inverse de l'espace- ment des filso Toutefois les fils métalliques et les fibres de verre sont attaqués par la nature alcaline et la présence de lVhu- midité dans le béton, diminuant ainsi- l'aire des sections de telles fibres à petits diamètres uniformément dispersées de manière quo aucune contribution à leextension ne puisse être réalisée dans les applications pratiques l'adhérence entre les fibres individuelles et le béton est d'une résistance à l'effort tranchant tellement faible que la résistance à ltext-ension théoriquement grande de telles fibres n'est plus disponible dans le produit fini.Les distributions uniformes des fibres dans le béton sont difficiles à obtenir en pratique, Les fibres individuelles de tels matériaux comme le verre tendent à s'agglomérer ou à se rassembler-en groupes parallèles dans lesquels les fibres intérieures ngont pas d'a-dhérence avec le béton0 Ces fibres ne sont pas capables de contribuer à la résistance du produit outre tutelles produisent la réduction de-l'aire effective de la section de l'élément en béton0 Des mesures au laboratoire ont indiqué. -qu'une résistance à l'extension de tordre de 1400000 g/cm peut titre obtenue pour des fibres de verre individuelles ;mais latta- que alcaline du béton réduit leur contribution à virtuellement zéro. Les fibres de verre sont tellement sensibles aux imperfec- tions que le moindre contact de ces fibres avec des corps ayant des ares aigres réduit leur résistance à l'extension 9 une valeur bien au-dessous de celle mentionnée plus haut, les particules aigues de sable et aggrégabRdans le béton causent la rupture par suite des imperfections des fibres de verre pour des efforts d9 extension trop faibles pour qu'on ait une contribution significative des fibres à la qualité du produit0 les fibres en matière plastique montrent un rallongement excessif et ne peuvent temps cher la cassure & à l'extension du béton0 Des recherches antérieures relatives aux fibres uniformément dispersées9 ont donné des résultats décevants dus aux raisons mentionnées plus haut, Ltinvention a pour objet un élément en béton armé ou matière à armatures incorporées caractérisé parce que learmature est constituée par la distribution au hasard dans le matériau structural de liasses de filaments constituées chacune par des fibres de verre, en disposition généralement parallèles réunies par une imprégnation de résine se durcissant à la chaleur0 La description se rapporte & des exemples de réalisation représentés aux dessins dans lesquels I la figure 1 montre une forme schématique de l'appareil pour la fabricatioff de la liasse de fibres selon la présente invention. la figure 2 montre un élément de tige selon la présente invention Conformément à leinventionD le béton est muni de petites longueurs uniformément dispersées de tiges 19 illustrées en figure 2, constituées chacune de plusieurs filaments de fibres de verre liés ensemble par une résine se durcissant à la chaleur 3o La résine unit les fibres individuelles de manière que chaque fibre puisse contribuer sa résistance & la tige9 protège les fibres contre l'attaque alcaline quand elle est appui quée conformément & mes préceptes9 produit une adhérence avec le béton qui est à la fois mécanique et chimique0 le béton formé avec de telles tiges présente une résistance à lBextension à peu près égale à sa résistance à la compression9 ce qui revient à dire que le matériau résultant possède des résistances à l'extension et à la compression qui se comparent d'une manière bien favorable avec celles du béton conventionnellement armé0 Il possède aussi la propriété de supporter une variation de température de l'ordre de 1700C sans montrer des fissurations dans les membres à extrémités fixes, lesquelles fissurations seraient dues à la dilatation et au retraits Cette qualité le rend utile pour la construction de chaussées continues d'autoroutes et d'aéroports sans joint s de dilatation et à celle des autres structures mégalithique 50 Selon le procédé de leinventions on dé roule d'une bobine un fil de filaments fins de fibres de verre9 de préférence dsune manière continue en les gardant étroitement grou- pées on imprègne le fil qui se déplace continuellement avec une résine qui se durcit à la chaleur9 qui est ensuite séchée et durcie en continu. Après un tel procédé de séchage ou de der- cissement, les tiges armature fibreuse sont9 soit coupées en petites longueurs9 soit enroulées. L'enroulement peut se produire dans un conteneur circulaire ou cylindrique9 par exemple dans des conteneurs d'expéditions ou sur une bobine qu'on coupe en petites longueurs directement avant leur introduction dans le mélange du béton0 La fonction de la résine qui se durcit à la chaleur est triple0 Premièrement9 l'adhérence des fibres dans une tige empoche la progression de la casse d'un filament aux autres filaments dans la tige 9 deuxièmement9 la résine empoche l'attaque alcaline du verre 9 troisièmement9 la surface résineuse de la tige donne une bonne adhérence et assure une haute résistance à l'effort tranchant entre la tige et le béton0 Les résines se durcissant à la chaleur employées sont des matières plastiques qui sont irréversiblement converties d'un état liquide à un état solide9 en vertu des liens entre leurs molécule s0 Généralement9 les matières plastiques se durcissant à la chaleurs~ne se ramollissent pas sous l'application de la chaleur0 I1 y a plusieurs résines qui conviennent comme les phénoliques, les urées les silicones les polyesters les polyuréthanes, les époxys et les mélanines0 Quoique plus comateux, l'emploi des époxys est préférable par suite de leur haute résistance mécanique et chimique quand elles sont séchées0 Les résines époxys sont séchées par réaction avec un agent durcisseur qui produit le croisement des liens des molécules d'époxy pour former un solide rigide. La réaction est exothérmique, avec le résultat que de grands volumes de résines voient leur température haussée lorsqutelles sèchent deoù résulte un rétrécissement quand le solide séché retourne à la température ambiante.Le taux de réaction et la quantité de chaleur exothermique libérée peuvent être variés par la sélection de l'a- gent durcisseur approprié permettant ainsi le contrôle du rétrécissement. Les propriétés de la résine séchée peuvent être déterminées pour une application particulière9 par le choix de l'agent durcisseur, et le choix des charges9 des émolliantss des diluants, des solvants, etcO Les systèmes de résines doépoxy montrent une excellente résistance aux solvants et aux attaques corrosives0 Une force dvadhérence extraordinaire peut se développer en vertu de la nature chimique de l'adhérence entre les époxys et les autres matériaux, Ainsi, ils fournissent la base pour des couches de couverture fortes et durables, Dans le but doimprégner une liasse de fibres de verre pour lier entre eux les filaments individuels et fournir une couche autour de la liasse9 on peut utiliser une grande variété de systèmes de durcisseurs de résines0 Une résine conventionnelle sans chargeS de viscosité laminante et un durcisseur amine sont convenables, Un durcisseur amine adducté prolonge le temps de travail du mélange de résine, On a constaté que les systèmes de résines polyester sont adéquats 9 mais ne sont pas aussi satisfaisants que les résines d'époxyD quoique moins coûteux En utilisant ces résines polyester conventionnelles de viscosité lami nante, le séchage ou durcissement est effectué par un c-atalyseur traditionnel et un accélérateur0 La fibre de verre convenant à la production des tiges, selon la présente invention, est obtenue en forme de liasse comprenant des filaments continus groupés pour former la liasse. Les filaments de verre sont enduits avec une couche protectrice dont l'objet est de protéger leurs surfaces sensibles aux imperfections,etdendre le verre compatible avec ltépoxy pour une plus grande adhérence0 La liasse contient par exemple 12 torons, de 204 fibres individuelles chacur , chaque fibre ayant un diamètre de Os0094 millimètres0 La liasse est imprégnée et pourvue dune gaine protectrice, en la faisant passer dans un bain de résine d'époxy mélangée avec l'agent durcisseur.Le bain de résine peut être réfrigéré afin de prolonger le temps de travail de la résine. La liasse ainsi mouillée passe dans un séchoir de longueur convenable et à une température apte à produire le séchage ou durcisssement de la résine. Une fois durcie D la tige qui en résulte a un diamètre de l'ordre de 1,6 millimètre et est suffisamment souple pour être enroulée pour l'expédition et ltemmagazinagee L'imprégnation peut être produite en faisant passer la liasse successivement dans des bains de résine et d'agent durcisseur indépendants, de manière que le mélange se produise dans la liasse mouillée pour amotee? le séchage ou Le d-. cissement. Dans ce cas, la résine est chauffée pour réduire sa viscosité, obtenant ainsi une pénétration plus facile entre les filaments, et par conséquent une meilleure imprégnation0 De même, la liasse imprégnée de résine peut être arrosée avec l'agent durez cisseur. Une pénétration et une imprégnation améliorées peuvent être obtenues en faisant passer la liasse sur une série de rouleaux ou poulies alternativement au-dessus et au-dessous de la surface du liquide dans le bain de résine, afin d'aider le liquide à pénétrer dans tous les espaces entre les filaments0 Ltexcédent- de résine est retourné au bain en faisant passer la liasse mouillée à travers un trou d'ouverture. I1 est conforme à l'invention d'augmenter le nombre de filaments fins des fibres de verre, de manière à rendre le produit fini d'un diamètre de section plus grand, si nécessaire. Dans ce cas, le trajet des filaments, dans leurs bains respectifs, et à travers le séchoir9 serait plus lent pour permettre une pénétration adéquate du mélange de résine dans, et à traversera liasse plus épaisse. La tige séchée est coupée en petites longueurs en vue de son mélange avec le béton à armer0 On a constaté que la longueur terminale de 12 millimètres sur chaque tige n'offre aucune petit e portion de la capacité armature de la tige. I1 découle que des longueurs de tiges inférieures à 25 millimètres ne sont pas de grande valeur, Des tiges d'une longueur dépassant cent trente millimètres offrent des difficultés dansleur mélange dans le béton mouillé résultant. dB une distribu- tion irrégulière0 Des longueurs de trente à quatre vingt milli-mètres sont préférables.Les considérations dimmensionnelles cidessus peuvent être exprimées en limites du rapport de la lon gueur au diamètre, variant de 10 g 1 1 & 100 : 19 avec la condition que la longueur minimum excède toujours 25 millimètres quand la tige est destinée à armer le béton0 Pour que les tiges aient une adhérence et un ancrage effectifs dans la masse du béton, et dans le but d'emp8cher la ségrégation du sable et du gravier qui sont des composants du béton9 ltespacement de ces tiges ne devrait pas être inférieur à trois millimètres0 Si les tiges doivent pourvoir une armature effective, l'aire de la section du verre dans une tige ne doit pas être inférieure à 09045 millimètres carrés, soit l'aire de la section de trois petites liasses ayant 204 filaments chacune, le diamètre de chaque filament étant de 0,0094 millimètre0 Six à douze de ces petites liasses est un nombre préféré, Les tiges de longueurs préférées peuvent être distribuées d'une manière régulière et au hasard à travers le mélange du béton en employant un mélangeur traditionnel0 Quoi- qu'une grande variation dans la proportion du verre au béton puisse être utile, un équilibre entre l'économie et la résistance amène à une préférence, qui consiste à avoir le poids approximatif du verre contenu dans les tiges9 1 %0 de celui du béton0 A cause de la similitude dans les densités9 cette préférence peut être aussi exprimée comme un volume du verre dgal d l % du volume du béton, Quoiqu'une adhérence appréciable puisse se développer entre le béton et la résine époxy couvrant les tiges9 cette adhérence est inférieure à la résistance à ltextension des tiges, et cela limite la contribution de ces aernièresau produit armé.L'adhérence peut être considérablement améliorée en dotant la surface des tiges de discontlnuités9 créant ainsi un ancrage mécanique avec le béton dur, Les discontinuités de la surface peuJ vent être réalisées par la déformation de la liasse imprégnée de résine avant le séchage aile durcissement, mais cette déformation détruit la position parallèle des fibres dans une tige0 Le pliage des fibres diminue leur résistance ultime à ltextension, et augmente le rallongement de la tige quand la fibre pliée se redresse, Le rallongement réduit la capacité de la tige de contribuer à la résistance du produit à l'extension0 De plus, toutes les fibres ne sont pas pliées au même angle, permettant ainsi une distribution irrégulière des efforts parmi les fibres, ce qiiemène à la casse progressive de ces fibres0 Enfin9 la déformation à la surface des lias-ses non séchées ou séchées partiellement est difficile à réaliser dans la pratique, car le séchage ou durcissement subséquent tend à ramollir la surface produisant ainsi un écoulement, juste avant le séchage complet, Souvent le résultant est une indésirable tige à surface lisses ayant une résistance réduite due à l'historique de déformation0 Si des particules solides adhèrent à la surface de la tige, celles-ci présentent très peu d'améliora tion quant à l'adhérence, puisque l'adhérence de ces particules à ltépoxy n'est pas plus grande que l'adhérence du béton à la surface lisse de l'époxyO De plus, les particules solides adhérentes présentent des points de haute concentration d'efforts, qui mè- nent à la casse des tiges sujettes à l'extension. L'invention prévoit un moyen d'ancrage mécanique qui ne souffre d'aucune des difficultés ci-dessusO Tel qu'il est illustré à la figure 2, la tige imprégnée et séchée est pourvue de globules saillants ou petites gouttes de résine 4O Puisqu'elles sont de préférence formées par la même résine d'époxy employée dans l'imprégnation, elles deviennent intégralement unies à la résine d'imprégnation Leur adhérence est limitée seulement à la haute résistance à l'effort tranchant de l'époxy même, Puisque leur forme est dictée par les caractéristiques quant à l'ex- tension de surface de la résine à ltétat liquide9 leur forme sta- malgame doucement avec la tige cylindrique, etiLeésulte que des points de concentration d'efforts ne se développent Eas et par conséquent n'affaiblissent pae la tige0 Leespacement de ces saillies plusieurs au centimètreS au hasard autour de 1 axe de la tige donne une augmentation substantielle de l'ancrage des ti ges dans le béton, provoquant ainsi une augmentati.on substantielle de la résistance à l'extension du béton ainsi armé0 Suivant l'inventions on forme de telles gouttes de résine espacées et saillantes, en imprégnant d'abord la liasse tel que décrit plus haut et durcissant la résine au séchoir pour former une tige0 Une addition de résine est ensuite appliquée sur la tige séchée au moyen doune roue applicatrice ayant des petites poches contenant de la résine sur son pourtour, lesquelles poches de résine étant espacées conformément à l'es- pacement désiré des gouttes0 La résine dans ces poches mouille la surface de la tige et prend la forme de gouttes par gravité quand la tige dépasse la roue, Les poches de résine sont remplies par un bain de mélange de résine-durcisseur à la partie inférieure du pourtour de la roue.La distribution au hasard autour de l'axe de la tige se produit d'une façon -naturelle9 puisque la tige tend à osciller quand elle est tirée par la bobine d'enroulement à la fin des étapes de fabrication0 La tige portant les gouttes de résine additionnelles passe à travers un autre séchoir pour sécher ou durcir les gouttes0 Naturellement, la tige pourrait être passée à nouveau à travers le même séchoir9 employépour sécher la résine d'imprégnation0 Quoique la présente invention ait été ex- pliquée dans le contexte d'armature pour béton, il est évident que l'armature peut être utilisée dans des matériaux autres que le béton, par exemple, les composés de moulage en matière plastique, les mousses de matières plastiques rigides, le paître, et autres matériaux similaires0 Elle a des applications dans l'emploi de l'argile locale ou de la boue pour les constructions dans les pays en voie de développement, REVEND I C À T IONS 10) Elément en béton armé ou matière à armatures incorporéés9caractérisé par ce que l'armature est constituée par la distribution au hasard dans le matériau structural de liasses de filaments constituées chacune par des fibres de verre, en disposition généralement parallèles, réunies par une imprégnation de résine se durcissant à la chaleur0 20) Elément suivant la revendication 1 caractérisé par ce que les fibres ont une aire de section de verre supérieure à 0,045 millimètre carré et un rapport de longueur au diamètre variant approximativement de 10 : 1 à 100 : lo 30) Slément d'armature pour l'élément dela revendication lg destiné à une distribution au hasard dans un matériau de construction solidifiables comprenant une liasse de fi- laments en fibre de verre, généralement parallèles9 unis dans une tige par imprégnation d'une résine se durcissant à la chaleur9 la dite tige ayant une aire de section de verre supérieure à 0S045 millimètre carré, et une longueur approximative plus grande que 25 millimètres, et plus petite que 130 milDlmbtres. 40) Elément armature suivant la revendication 2 ou la tige est pourvue deune couche de résine se durcissant à la chaleur, la dite couche ayant des portions transverses saillantes, distribuées au hasard autour de l'axe de la tige9 lesquelles portions saillantes ont la forme de petites gouttes de résine séchées0 50) Elément de matériau armé suivant la revendication lRconstitué en béton contenant des petites tiges dispersées au hasard9 et doune manière substantiellement uniforme, lesquelles tiges ayant une aire de section supérieure à 0 045 millimètre carré, et une longueur plus grande que 25 millimètres et Elus petite que 130 millimètres9 formées par un groupe de fibres de verre substantiellement parallèles9 unies et protégées par imprégnation avec une résine se durcissant à la chaleur0 60) Elément suivant la revendication 4 caractérisé par ce que la résine se durcissant à la chaleur est une époxy. 70) Structure de construction sans Joints réaliséeJavec le matériau armé suivant la revendication So 8 ) Procédé pour la production doéléments d'armature pour distribution au hasard dans un matériau structural caractérisé parce qu'on imprègne et applique une couche de protection sur une liasse de fibres de verre généralement parai lèles, avec une résine se durcissant à la chaleurDde sorte que par durcissement de la résine sur la surface dé la liasse impr4- gnée il se forme à des intervalles espaces le long de la liasse de petites gouttes de résine additionnellepaprès quoi on découpe le produit résultant en tiges de longueurs relativement petites