Brevet FR2028683A1 — publié le 19701016

La présente invention est relative aux matériaux composites du type contenant un liant durcissable et des éléments d'armature répartis à peu près uniformément dans ce liant Le liant peut,par exemple être du béton,un produit bitumineux, une matiere plastique ou tout autre matériau convenable En ce qui concerne le béton de ciment,iWest apparu à l'ex périence,que les fibres d'armature non métalliques,de haute résistance, et de module d'élasticité élevé,réalisées par exemple à partir de verre filé,de très faible section (quelques microns)exigeaient,en raison de leur énorme surface spécifique et des phénomènes d'adsorption,une augmentation prohibitive de la quantité d'eau de gâchage du béton auquel lesdites fibres de verre étaient incorporées lors du malaxage.La dégradation des caractéristiques mécaniques du béton résultant de ltaugmentation obligatoire du rapport eau/ciment, corollaire de l'incorporation des fibres de verre retenant l'eau par adsorption et effet de mèche,était à peine compensée par les armatures constituées par ces fibres, pourtant remarquables par la haute valeur de leur résistance et de leur adhérence au béton Par ailleurs,on a également utilisé comme fibres d'armature des fils métalliques de section quasi circulaire qui n'ont pas donné satisfaction,pour des raisons qui seront explicitées dans la suite de la description et en particulier dans l'étudie du ralle exact de ces fibres métalliques et de leur influence sur les propriétés du liant auquel elles sont incorporées L'invention a donc principalement pour objet un matériau com posite,comprenant un liant durcissable et des éléments métalliques d'armature répartis de façon isotropique dans ce liant,caractérisé en ce que lesdits éléments métalliques sont des lamelles ou rubans d'acier,ayant une épaisseur de O,lmm,environ,une longueur comprise entre 20 et 30mm,environ,et une largeur inférieure à tmm,envlron. Elle a également pour objets un ouvrage réalisé dans ce matériau et un procédé de fabrication d'un tel ouvrage ou du matériau qui le constitue D'autres caractéristiques apparattront au cours de la description qui va suivre, faite en se référant au dessin annexé,donné uniquement à titre d'exemple, et dont les Fig.l et 2 représentent respectivement un élément d'armature selon l'invention et un fil d'armature classique Etant donné le caractère théorique et fondamental de l'ex posé qui va suivre on considerera dans un premier temps I'applica- tion de l'inventlon au cas d'ouvrages en béton tels que des traverses de chemin de fer Le Demandeur a tout d'abord été frappé par le fait suivant:: Un bloc de traverse mixte analogue à celui décrit dans le brevet Nos84 615 du 9 Juillet 1951,auquel on avait incorporé des fibres d'acier,de section à peu près rectangulaire de 25mm de longueur, 0,6mm de largeur, et 0,22mm d'épaisseur,au taux de 1,5 kg par bloc de volume voisin de 35 litres,soit 43 g par litre,uniformément réparties de manière isotrope et aléatoire , par introduction et mélange aux agrégats secs dans le malaxeur, présentait sous essai à la presse imposé par les spécifications SNCF,une résis premiere tance à la fissuration au moins égale à celle de blocs réalisés avec le mEme béton, mais avec armatures traditionnelles,grilles et spires d'acier laminé de 8 et 5 mm de diamètre, représentant un poids d'acier deux fois et demi supérieur à celui des fibres Par contre, des éprouvettes parallélépipédiques moulées,d'une part avec ledit béton non armé, qui est un béton vibré et com primé,de haute qualité.de de rapport eau/eiment inférieurs à 0,38 et comportant environ 50% d'agrégats de 10 à 35mm et,dtautre part,avec le béton de même composition mais avec incorporation des fibres métalliques ci-dessus ne présentaient pas" ores de l'essai "Sinirupt' de traction par flexion, d'amélioration notable L'incorporation d'un poids relativement faible de fibres métalliques ainsi définies nta donc pas pour résultat d'augmenter de fa çon notable la résistance d'un bon béton à la traction simple.Par contre, elle s'est révélée au moins aussi efficace qu'un poids au moins double d'armatures traditionnelles,considérées pourtant comme judicieusement disposées pour résister aux contraintes exerces dans le béton au cours de cet essai normalisé dé résistance de tra verse,correspondant d'ailleurs à peu-près aux conditions de travail en voie des blocs de traverses mixtes reposant sur le ballast, et soumis aux charges du trafiC, transmises par le rail Il faut recourir à la théorie générale de l'élasticité pour expliquer ce fait expérimental et en déduire les caractéristiques optimales à exiger des fibres métalliques isotropes à incorporer au béton, pour obtenir leur maximum de-rendement.Dans une poutre longue, travaillant à la flexion entre deux appuis dont l'espace ment est très grand par rapport à l'épaisseur de la poutre, les lignes isostatiques sont à peu près rectilignes et parallèles à l'axe principal de la poutre, dans la zone centrale,éloignde des appuis, où les moments de flexion sont maxima.Il est évident dans ce cas que des fibres métalliques, réparties de façon aléatoire dans le béton,seront moins efficaces mEme à poids égal,que les armatures traditionnelles tendues ou non , du béton > constituées de barres à peu près parallèles à l'axe principal de la poutre,suivant les isostatiques de compression ou de traction . , Les résultats très favorables, obtenus avec des fibres métalliques lors des essais portant sur les traverses précitées, sont donc dûs, non pas à une augmentation notable de la résistance du béton à la traction, mais - une modification profonde des caractéristiques du béton ainsi armé de façon isotropique.Dans le cas particulier des blocs de traverses, dont les dimensions: longueur, épaisseur et largeur, sont du même ordre - conditions fort éloignées de celles de la poutre longue repoeint sur deux appuis et trs- vaillant pratiquement à la flexion simple - les lignes isostatiques sont complexes, non parallèles au parement inférieur des blocs, tandis que, du fait même de la présence des fibres métalliques, les courbes intrinsèques de rupture, enveloppes des cercles de Mohr, sont considérblement élargies. De même, le renforcement du béton par le réseau isotropique des fibres d'acier dur cont le module d'élasticité propre est au moins dix fois plus grand que celui du béton seul, a pour effet de réduire le coefficient de Poisson.Soumis au même système de forces extérieures que le bloc de béton armé de façon traditionnel1tle bloc renforcé par les fibres métalliques isotropiques sera donc soumis à des efforts de traction réduits, ce qui explique son comportement analogue à ce qui se psserait si sa résistance à la traction pu ie était sensiblement accrue1 En d'autres termes, un bloc de béton armé de fibres uniformément réparties, de façon isotropique, soumis à une force extérieure en un point quelconque, subit des déformations réduites, par suite de l'étreinte ou auto-frettage, suivant les trois dimensions, du béton qui entoure les zones les lus sollicitées. Cette conception du rôle des armatures isotropiques du béton, développée par le Demandeur, est confirmée par les résultats d' expériences pratiques. I1 a été en effet précise ci-dessus que contrairement à ce que l'on affirmait jusqu'alars,la résistance à la traction du béton de haute qualité armé des fibres de 0,6 x0,2 x 25mm notait pas sensiblement supérieure à celle du béton de m8- me composition ,non armé, mesurée par flexion d'une éprouvette parallélépipédique,du type ttsimrupt dont la longueur est grande par rapport à ses dimensions transversales.Au contraire,si i'on mesure l'équivalent conventionnel de la résistance à la traction du béton suivant la méthode dite "brésilienne", par compression d'un cylindre de béton entre deux génératrices diamétralement opposées, on constate que la résistance du cylindre de béton armé de ces fibres métalliques isotropiques est largement supérieure à celle du cylindre de même béton,non armé.Ce résultat est dA à la très importante réduction du coefficient de Poisson qutentratne la présence dans le béton des fibres métalliques .On sait en effet que la rupture du cylindre d'essai Brésilien,suivant le plan diamétral, dans lequel on exerce la compression simple,résultessuivant la thé- orie générale de l'élasticité,des contraintes de traction orthogonales à la direction des forces de compression appliquées lors de ltessai,engendrées par la déformation élastique dite de Poisson. Cette amélioration considérable des performances de pièces en béton -dans lesquelles les réseaux de lignes isostatiques sont complexes, résultant de l'introduction dans le béton, de fibres métalliques, réparties de manière aléatoire et isotropique, n'est cependant obtenue d' une façon économique, c'est-à-dire avec le pourcentage minimal en poids de fibres métalliques nécessairement coûteuses, par rapport au poids du béton, que sous certaines conditions. Les fibres métalliques ne se répartissant évidemment que dans le mortier remplissant les interstices entre les gros agrégats, c'est finalement la concentration en fibres dans ie mortier qui déterminera le rendement des dites fibres, en tant qu'armatures. I1 importe donc d'associer l'emploi d'armatures isotropes à base de fibres d'acier avec des bétons composés suivant une granulométrie comportant le maximum d'agrégats aussi gros que possible, et le minimum d'éléments fins. Les pierrailles, dont le module d'élasticité est top ours supérieur à celui du mortier jouent ainsi dans une certaine mesure, le rôle d'armatures isotropes. Mais, pour que le béton ainsi constitué reste "ouvrable", c'est-à-dire puisse être mis en place et atteigne la compacité maximale, avec les moyens modernes de vibration, éventuellement coniplétés par la compression du béton pendant la vibration, il importe que la densité et la rigidité du roseau de fibres réparties dans le mortier ne dépassent pas des valeurs susceptibles d' entraver la mise en place des agrégats, sous le plus faible volume possible. Des expériences pratiques faites avec du béton comportant environ 45 % en poids d'agrégats gros (compris entre 20 et 35 mm) et 350 kg de ciment par m avec E/C # 0,38 20 % de gravillons de 5 à 10 mm , 35 % de sable/, ont montré que si le poids de fibres de v,6 x 0,22 x 25 mm dépassait 60 kg/m3 de béton, la mise en place s' avérait très difficile. Il est alors nécessaire d'augmenter la puissance de la vibration et sa durée, ainsi que la proportion d'éléments fins et d'eau dans le béton, ce qui n'est pas sans inconvénient du point de vue technique et économique. Le Demandeur a ainsi été amené à concevoir des fibres de section plus grande afin d'en réduire le nombre par unité de volume de béton mais présentant en même temps une épaisseur très faible, pour que les fibres soient aussi souples et flexibles que Dossible et susceptibles d'épouser -sans effort anormal- les contours des agrégats. Les fibres correspondant à cette définition sont des rubans d'acier laminé. Enfin, le rendement des fibres et leur aptitude à modifier avantageusement les caractéristicues~du mélange isotrope bétonfibres, c'est-à-dire le module d'élasticité et le coefficient de Poisson, avec pour corollaire la courbe intrinsèque de rupture en chaque point, suppose que l'adhérence des fibres au mortier soit aussi élevée que possible. À cet égard, 'adhérence, et par conséquent le rendement des fibres de O,o x 0,22 x 25 mm en acier laminé lisse, se sont avérés notoirement insuffisants si l'on en juge par le cas extrême suivant, révélé par l'expérience au cours des essais: lors des essais de flexion, ces fibres ont glissé dans le béton, mais ne se sont pas rompues, de part et d'autre des ruptures du béton dues à la traction simple.Le glissement de telles fibres dans le béton crée donc une discontinuité dans le comportement élastique au béton fibreux, lorsque les sollicitations augmentent et ce matériau cesse d'être homog;ne, ce qui accélère sa ruine. I1 est donc désirable, pour remplir les conditions techniques et économiques qui viennent d'etre exposées, de pouvoir disposer industriellement de fibres plus appropriées, et spécialement conçues pour cet emploi. Une telle fibre est représentée à la Fig. 1. Soit e l'épais- seur, 1 la largeur et L la longueur totale du ruban d'acier qui la constitue. Isolons un tronçon de longueur À de ce ruban, en supposant qu'il est placé suivant une ligne isostatique et par conséquent soumis à une contrainte maximale suivant son axe parallèle à la dimension principale L. Soit A la limite élastique de l'acier constituant I'armature,a le eoefficient d'adhérence apparent total de ce ruban d'acier au mortier qui l'étreint. Le rendent maximal de la fibre considérée est obtenu, si 1X eX A = > x 2(l+e) x a (1) avec # aussi petit que possible, par rapport à L. Suivant la conception de l'invention tendant à limiter le nombre de fibres dans le mortier, par unité de volume de ce dernier, pour ne pas nuire à l'obtention d'une compacité très élevée du béton, vibré suivant les moyens traditionnels, 1 sera très grand par rapport à e et l'on pourra négliger e dans l'expression de uxiènie du périmètre du ruban ou/ terme de l'équation qui s'écrit ainsi:: l x ex A = 2 # x l x a Elle est indépendante de~l, qui figure dans chaque terme, d'où e = 2 # a (2) La fibre suivant l'invention, est définie par cette relation, À devant être aussi petit que possible par rapport à L afin que la plus grande fraction de la longueur L du ruban soit effectivement utilisable. On va donner maintenant un exemple numérique en considérant un ruban d'acier laminé à froid, pour lequel L = 25 mm l'acier a = 1 Lg/mn2 (ce coefficient d'adhérence de/laminé, au béton de haute compacité peut varier en pratique et suivant l'état de surface de l'acier de a =0,3 à a = 1 kg/mm2} A = 5 mm (cette valeur représente la longueur d'adhérence nécessaire, pour une fibre qui se trouve dans une région tendue et qui est orientée suivant une ligne isostat-ique de traction. En d'autres termes seuls les 15 mm de la partie centrale de la fibre sont alors efficacesà la- rupture Y. A = 100 kg/mm2. On a alors e = 2 x 5 x 1 = 0,1 mm Si, au lieu d'un ruban d'acier laminé, suivant l'invention, on tente d'utiliser des brins de fils d'acier tréfilé, de section circulaire, l'équation (1) devient, en utilisant les notations de la Fig. 2 4 x A = > d2 (3) x A = '\ ou d = 4 # x a A L'application numérique, dans les mêmes hypothèses, donne :: d = 4 x 5 x 1 100 = 0,2 mm Du seul point de vue de l'adhérence, un fil tréfilé, de -surface spécialement traitée, de 0,2 mm de diamètre, est donc équivalent à un ruban laminé de 0,1 mm d'épaisseur, mais de largeur quelconque limitée seulement par l'impératif d'utiliser un nombre suffisant de fibres pour réaliser la répartition "statistique", quelles que soient la localisation et l'orientation des isostatiques dans la pièce de béton considérée. L1expérience acquise par le Demandeur montre que ce résultat est obtenu aisément avec une largeur de ruban 1 = 2 mm, qui, pour un poids d'armature de 50 kg/m3 de béton, correspond à environ 1.3uu. UùO fibres par m3 de béton.On peut indiquer à ce sujet que le poids d'armature par litre de liant peut être compris entre 20 et 6Q g, ces valeurs n' étant données qu'à titre indicati2. Si l'on compare maintenant les 2 types de fibres pris pour exemple, du point de vue de leur résistance maximale F à la compression ou à la traction suivant leur axe longitudinal, on a - pour la fibre tréfilée de section cylindrique Fc = #d x A = # x 0,2 x 100 = 3,1 kg 4 4 - et pour la fibre en forme de ruban ou de lamelle, suivant l'invention F r = 1 x e x A = 20 kg. Pour obtenir la même adhérence et la même résistance totale des fibres, supposées de même longueur, il faut donc utiliser près de 7 fois plus de fibres tréfilées cylindriques que de rubans suivant l'invention, par unité de volume du béton. L'avan tage des rubans d'acier, laminés à froid, par rapport aux fils tréfilés, est donc considérable, tant du point de vue du coût de production que du point de vue de la mise en oeuvre du béton fibreux. I1 convient également de considérer la rigidité des fibres, du point de vue de leur aptitude à se placer entre les agrégats du béton. Cette rigidité est proportionnelle à la puissance 3 de l'épaisseur. C'est-à-dire que le ruban de 0,1 mm d'épaisseur, suivant l'invention, exige, pour épouser la courbure des agrégats qui l'enserrent, une force huit fois plus faible que celle exigée par le fil tréfilé de 0,2 mm de diamètre. les fibres en forme de ruban mince laminé, suivant l'invention permettent donc d'atteindre une densité et une efficacité environ huit fois plus grande que les fibres tréfilées, avec les mêmes moyens et dans les mêmes conditions d'ouvrabilité, de compactation et de moulage du béton fibreux, d'où la possibilité d'atteindre des performances bien plus élevées, suivant l'invention, pour des pièces très fortement sollicitées. Enfin, il convient de revenir sur le coefficient d'adhérence a considéré dans les calculs qui précèdent. Ce coefficient joue un rôle primordial, et si, dans l'exemple précédent, on prenait a = 0,3 kg/inn2 au lieu de 1 kg/mm2, sans changer la section des fibres, la longueur d'adhérence deviendrait #' = # x 1 = 17 mm 0,3 C'est dire qu'une fibre de 25 mm de longueur aurait toutes les chances d'être inefficace, dans les zones très sollicitées proches de la rupture, le glissement des fibres entraînant d'ailleurs une discontinuité dans le comportement élastique du béton fibreux, précipitant sa ruine. Le seul remède serait d'augmenter la longueur L des fibres, ce qui a pour effet non seulement de diminuer le rendement des fibres mais aussi de rendre le malaxage du béton fibreux difficile, sinon impossible avec les moyens traditionnels.La présence de fibres longues dans le béton modifie en effet profondément sa rhéologie, et des essais faits parle demandeuravec des fibres de plus de 5 cm de longueur ont endommagé les palettes du malaxeur classique à axe vertical utilisé, raison pour laquelle la longueur des fibres suivant l'invention a été limitée dans le cas du béton aux environs de la plus grande dimension moyenne des agrégats. Des recherches ont donc été faites afin d'obtenir industriellement des fibres métalliques présentant un coefficient d'adhérence sur le béton aussi élevé que possible. La solution la plus simple consistait à déformer les fibres mécaniquement, soit en les laminant suivant un profil variable, soit en les déformant par gauffrage, ondulations, ou crochets aux extrémités. Malheu- reusement, il s'est avéré que les fibres ainsi traitées s'aggloméraient en pelotes, comme des épingles, et qu'il était très difficile de les disperser uniformément cns les agrégats, au cours du prémalaxage à sec. Par contre,d'excellents résultats sont obtenus par traitement physique ou chimique de la surface des rubans,afin de lui conférer une rug osité,Cette ruz usité est obtenue,par un sablage ,un grenaillage ou une déformation de l'acier mince laminé constituant les rubans,et/ou par une attaque à l'acide,suivie d'une passivation, par un dépit cristallin ou par tout autre traitement chimique équivalent I1 résulte de toutes ces considérations que les lamelles ou rubans d'acier utilisables dans le matériau composite suivant Il invention doivent avoir une épaisseur de l'ordre de 0,1 mm,une longueur comprise entre 20 et 30 mm environ,et une largeur inférieure à 5mm environ,ces dimensions pouvant être approchées à environ 10% ou 20%,compte tenu,notamment,des tolérances de fabrication. Ainsi qu'on l'a déjà megtionné,pour fabriquer un bloc de traverse,ou tout autre objet en béton,on mélange les rubans d'acier aux agrégats et ciment devant entrer dans la composition du béton, lors d'une opération de prémalaxage à sec > puis on ajoute 1 'eau,et on réalise un deuxième temps de malaxage de façon à obtenir une répartition à peu près uniforme et isotropique des agrégats et des éléments d'armature dans le liant.Cette répartition ne peut être obtenue de façon aussi satisfaisante si l'on incorpore les fibres au béton mouillé, lors d'une unique opération de malaxage. L'exposé qui précède a été fait dans l'hypothèse où les armaturnes suivant l'invention,sont mélangées et réparties de façon iso trope et aléatoire dans du béton de-ciment classique.Il est clair que les mimes armatures peuvent entre utilisées pour améliorer les performances d'autres matériaux pouvant être considérés comme homogènes dans leur masse,sous réserve que leur module d'élasticité soit nettement inférieur à celui de l'acier OC t es notamment le cas pour le béton utilisant un autre liant que le ci- ~~~~~~~~~ ment, par exemple les produits dits "noirs" utilisés dans la construction des routes, ou les résines synthétiques dont l'em- ploi tend à s'étendre à la faveur de la réduction progressive de leur prix. D'une façon générale, l'invention n'est pas limitée aux modes de mise en oeuvre décrits, qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemples, les mêmes armatures pouvant également être mises à profit pour améliorer certaines des caractéristiques des matières plastiques, élastomères et autres matériaux. REVENDICATIONS 1-Matériau composite contenant un liant durcissable et des éléments métalliques d'armature répartis de façon isotropique dans le liant, caractérisé en ce que lesdits éléments d'armature sont des lamelles d'acier, ayant une épaisseur de 0,1 mm environ,une longueur comprise entre 20 et 30 mm environ,et une largeur infé rieure à 5 mm environ 2-Matériau composite suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les lamelles d'acier sont constituées par des rubans d'acier laminé à froid, spécialement traités pour en augmenter l'a adhérence 3-Matériau composite suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les lamelles d'acier sont rendues rugueuses par sablage, grenaillage ou déformation. 4-Matériau composite suivant l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que les lamelles - d'armature du ma tériau sont traitées chimiquement de façon à augmenter l'adhérence entre l'acier et le liant 5-Matériau composite suivant l'une des revendications 1 à 4, dans lequel le liant est un mortier ou béton de ciment contenant des agrégats, caractérisé en ce que les lamelles d'acier ont une longueur qui est au plus égale à la plus grande dimension de ces agrégats 6-Matériau composite suivant l'une des revendications I à 5, caractérisé en ce qu'il contient de 20 à 60 g et de préférence à peu près 50 g de lamelles ou rubans d'armature par litre de matériau 7-Ouvrage caractérisé en ce qu'il est réalisé en un matériau suivant les revendications 1 à 6 8-Procédé de fabrication d'un matériau suivant la revendi cation 5, caractérisé en ce qu'on mélange les lamelles ou rubans d'armature aux composants secs du béton, lors d'une opération de prémalaxage à sec, mais on ajoute l'eau de gâchage en effectuant un deuxième temps de malaxage, de façon à obtenir une répartition à peu près uniforme et isotropique des agrégats et des éléments d'armature dans le liant