Brevet FR2174750A1 — publié le 19731019

La présente invention concerne un matériau à deux phases béton-aeier et plus particulièrement un matériau comprenant des élements d'armature en fil d'acier de faible longueur incorporés dans du béton. Actuellement, les matériaux ou éléments destinés à la construction sont souvent renforcés par l'introdution de parties métalliques, notamment des barres, tiges ou fibres en acier. Par la structure hétérogène qui en résulte, de tels matériaux ou éléments possèdent, dans la plupart des cas, des propriétés mécaniques sensiblement améliorées. Leur résistance aux sollieitations statiques et dynamiques peut se trouver multiplide par un aoeffi- cient très supérieur à l'unité. Ces diverses méthodes de renforcement sont de deux types. D'une part le béton armé comprend par exemple des fers dtarmature reliés en structuresrelativement sommaires, par combinaison de barres longitudinales et transversales. D'autre part, divers inventeurs ont suggéré, de longue date (on peut citer par exemple les brevets français Nos 587.169 - 589.292 - 600.259- 837.150 et 1.577.9G7 ), l'introduction au hasard de très nombreux morceaux de fils d'acier de fin diamètre et de courte longueur, en vue d'armer les matériaux classiques de construction dans la masse. La première de ces deux méthodes, employée jusqu'ici dans la quasi-totalité des bétons arma, présente l'inconvénient d'une insuffisance inévitable de l'armature et, par conséquent, de la résistance en certaines zones: des fissures se produisent notamment en surface, comme aux points soumis à la plus forte tension en dehors des structures d'armature. Il en découle un gaspillage de moyens parfois considérable,les armatures devant être multipliées dans une zone entière pour pallier seulement une éventuelle insuffisance d'un seul point de la construction. En outre, il ntest pas rare que, pour limiter le risque de fissures, on doive introduire d'importants coefficients de sécurité ayant pour conséquence des dimensions de profils accrues et des masses supplémentaires considérables de béton. L'insuccès des techniques dtintroduction au hasard de très nombreux morceaux de fils d'acier de fin diamètre et de courte longueur dans le béton, tient à leur principe même. Ces techniques faisant, par définition, appel au hasard pour absorber des sollicitations statiques et dynamiques déterminées, elles se heurtent au même inconvénient que le béton armé classique quelles prétenint améliorer. Certaines zones, quoique très peu sollicitées sont à priori exactement renforcées, au même titre que les zones les plus eritiques. En d'autres termes, une densité d'armature très élevée est uniformément requise, dloù un gaspillage de fils d'acier. Le but de l'invention est ltobtention d'un matériau armé à deux phases, mieux adapté à supporter les efforts maximaux grave à une meilleure distribution des fils d'acier dans la masse du béton, en fonction directe des sollicitations à prévoir. A cet effet, l'invention a pour objet des perfectionnements aux matériaux à deux phases béton-acier du type formé par des éléments d'armature en fil d'acier ou similaire de faible longueur incorporés dans le béton, caractérisés en ce qu'ils consistent à disposer d'autant plus de tronçons de fils par unité de volume du béton qu'on se rapproche davantage d'un point de résistance critique et à orienter ces tronçons de préférence selon les directions suivant lesquelles s'exercent les contraintes internes maximales. Avantageusement, la densité des tronçons de fils décroît suivant les directions faisant des angles croissants avec la direction d'effort maximal et d'autant plus rapidement que ces angles sont plus grands. Les zones et les axes de sollicitations extrêmes sont susceptibles de recevoir une densité de tronçons de fils métalliques allant jusqu'à vingt fois la densité dans les zones et axes peu ou pas sollicités. Les résultats d'essais montrent qu'on obtient une amélioration des résistances à la traction, à l'usure et à la fissuration superficielle du même ordre que celle obtenue avec des fils métalliques répartis régulièrement au hasard dans le béton mais avec une partie en volume seulement de fils pour cent parties de béton au lieu de deux à trois. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description détaillée qui va suivre d'essais effectués sur des échantillons de matériaux conformes à l'invention ainsi que d'une installation permettant l'obtention de ces matériaux, description donnée uniquement à titre d'exemple et en regard des dessins annexés sur lesquels Fig.l représente schématiquement une installation pour incorporer des fils métalliques dans une couche de béton,conformé- ment à l'invention; Fig.2 représente une vue de dessus de la partie inférieure de l'installation de la figure 1; Fig.3 représente une vue en coupe suivant l'axe III-III du dispositif de la figure 2;; Fig.4 représente une vue partielle schématique d'une variante de l'installation de la figure 1 , et Fig.5 représente une vue en coupe partielle d'un cylindre en béton armé multicouche réalisé conformément à l'invention. Le matériau conforme à l'invention consiste en un béton dans lequel chaque élément de volume, de l'ordre du em3 ou de quelques cm3 , est armé par une densité d'autant plus forte de fils fins d'acier que cet élément de volume est davantage sollicité par les forces externes. De plus, cette concentration de fils d'acier en fonction des contraintes est complétée par une orientation de ces fils également selon l'orientation de ces contraintes. De façon pratique,l'invention consiste à disposer d'autant plus de tronçons de fils qu'on se rapproche davantage d'un point de résistance critique et les placer de préférence selon des directions suivant lesquelles s'exercent les contraintes internes maximales. Avantageusement,la densité des tronçons d3 fils dé- croit suivant les directions faisant des angles croissants avec la direction de contrainte maximale et d'autant plus rapidement que ces angles sont plus grands. A la limite, les zones et les axes de sollicitations extrêmes pourront recevoir une densité de tronçons de fils métalliques allant jusqu'à 20 fois la densité trouvée dans les zones et axes peu ou pas sollicités. On a cité plus haut quelques brevets français antérieurs illustrant la technique de renforcement du béton au moyen de fils métalliques dispersés au hasard suivant une concentration constante dans la masse du béton. Suivant cette technique, on utilise habituellement une partie en volume de fils d'acier pour 100 parties de béton. Par contre, conformément à l'invention, les zones de concentration maximale de fils d'acier dans la masse du béton peuvent contenir par exemple 4 parties de fils d'acier pour 100 parties de béton, alors que le rapport reste voisin d' 2k dans les zones de faibles sollicitations. On rappellera à ce propos qu'l % en volume signifie 10 dm) d'acier, soit 75 kg environ, par m3 de béton. Or, un calcul élémentaire montre qu'un m3 peut être entièrement quadrillé en cubes de 4 mm de côté par un réseau de 190.000 mètres, soit 75 kg de fils de 0,25 mm de diamètre. Ainsi , dans les cas évoqués ci-dessus d'une densité variant d'un demi pourcent à 4 parties pourcent de béton, les zones de plus grande sollicitation auront un espacement moyen des fibres métalliques de l'ordre de 2,5 mm,tandis que ce paramètre atteindra 5 mm dans les zones peu sollicitées. -Des essais réalisés avec des tronçons de fils fins ronds en acier écroui de 0,50 miii de diamètre et de 50 mm de longueur, ont été étendusavec succès jusqu'à un diamètre de 0,25 mm et une longueur de 25 mm. Le rapport indiqué, de l'ordre 1 à 100 entre le diamètre et la longueur des fibres métalliques,n'est pas bien entendu limitatif. Les résultats des essais font apparaître une augmentation de la résistance à la traction de 100% au moins, par rapport au 2 béton non armé, soit 56 kg/cm2 contre 28. A titre de comparaison, on obtient cette amélioration avee une partie en volume seulement de fibres métalliques au lieu de 2 à 3 dans les matériaux à deux phases connus comportant des fibres réparties au hasard suivant une densité constante dans la masse du béton. Les gains de résistance à l'usure et également à la fissuration superficielle sont également du même ordre que ceux que l'on obtient avec le matériau à deux phases connu jusqu'à maintenant. Il apparat d'autre part qu'avec des densités moyennes de fibres métalliques de 0,2 à 0,3 partie en volume pour 100 parties de béton ,des améliorations des résistances à la traction, à l'u- sure et à la fissuration de l'ordre de 20 à 40 sont encore possibles par rapport au béton non armé. Ces possibilités ont été mises en évidence par des essais sur des poutres, des dalles, et des cylindres plats, les oondi- tions d'expérimentation étaient basées, dans tous les cas, sur les travaux scientifiques complexes de SHAH et RANGAN (A.C.I. Journal, Février 1971). A titre d'exemple, une dalle de 10 cm d'épaisseur, armée de fibres métalliques selon une densité de 35 kg/cm3 en profondeur et de 250 kg/cm3 en surface, a fourni des résultats équivalent à une dalle homogène de 12 cm utilisant en moyenne 2 à 3 fois plus de fibres, réparties au hasard selon une densité constante. Les mêmes résultats avec une dalle de béton traditionnelle ont exigé 18 cm d'épaisseur,une armature en treillis de 20 x 20 cm de 8 mm de diamètre et une chape au corindon. Les matériaux et éléments de construction renforcés réalisés conformément à la présente invention ont de multiples usages dans tous les secteurs d'emploi de béton armé. Plus particulièrement, l'économie de fibres métalliques de l'ordre de 50 à 80%, liée à une économie de béton, prédestine l'invention pour toutes les constructions ou le poids , l'encombrement, le prix des matériaux traditionnels constituent un obstacle infranchissable. On peut citer par exemple les profils minces, les tubes et voûtes, les dalles. On va décrire maintenant en référence aux figures 1 à 4 un moyen pour l'obtention d'un matériau conforme à l'invention. La figure 1 représente une installation pour étaler une ou plusieurs couches de fibres métalliques sur ou dans une couche de béton telle qu'elle sort d'une bétonnlère. Cette installation comprend une cheminée verticale 1 par exemple de 0,4 x 0,8 m de section et 3 mètres de hauteur dans laquelle sont disposés trois tamis 2 identiques par exemple à mailles carrées formées par un grillage ondulé. Les tamis 2 sont inclinés à environ 45" et fixés alternativement sur deux parois opposées de la cheminée 1, l'un à la partie supérieure, un autre à la partie médiane et le dernier à la partie inférieure. L'extrémité d'un convoyeur à courroie 3 surplombe l'orifice supérieur de la cheminée 1 au-dessus de la partie supérieure du premier tamis 2 . Ce convoyeur 3 est destiné à amener les. fibres métalliques en vrac 4 plus ou moins enchevêtrées. A la partie inférieure de la cheminée 1 est prévu une trappe 5 en regard de l'extrémité inférieure du dernier tamis 2. Un transporteur vertical 6 est monté contre la cheminée et comprend une courroie 7 sur laquelle sont fixés des augets 8 destinés à récupérer les petits paquets de fibres encore amalgamées et qui n'ont pas pu passer dans les tamis 2,pour les recycler en les déposant sur une plaque inclinée 9 fixée à la partie supérieure de la cheminée l. Un dispositif par-exemple à raclette (non représenté) est prévu pour déverser le contenu des augets 8 sur la plaque 9. En dessous de la cheminée est disposé un plan incliné vibrant 10 pourvu de rainures longitudinales. Le plan 10 est soumis à des vibrations dirigées verticalement et appliquées par un vibreur à haute fréquence classique non représenté et est incliné d'un angle fonction de la fréquence de vibration et des fibres (diamètre, longueur, coefficient de frottement). Le plan 10 est divisé en trois zones (figure 2) , Une pre mière (11) située sous la cheminée 1 comprend des rainures 12 à section en V dont les branches font sensiblement un angle de 600 (fig.3). Une seconde zone 13 située en aval de la première comprend des rainures B4 à section en V dont les branches font sensiblement un angle de 300 de sorte que le nombre des rainures 14 est double de celui des rainures 12, des surfaces de raccordement appropriées étant prévues entre les deux groupes de rainures. Une troisième zone 15 située en aval de la seconde est plane et correspond au plan des fonds des rainures 12 et 14. L'extrémité inférieure lOa du plan incliné 10 est disposée à proximité immédiate et au-dessus d'un tapis transporteur horizontal 16 se déplaçant suivant les flèches. A une eertaine distance en aval dlan incliné 10 est installée une bétonnière symbolisée en 17 qui déverse sur le tapis 16 recouvert de fibres 18 une couche de béton l9. Le fonctionnement de l'installation de la figure 1 est très simple Au fur et à mesure que les tas de fibres 4 sont déversés sur le tamis 2 supérieur, ils se désagrègent plus ou moins en se déplaçant par gravité sur le tamis supérieur. Au cours de se déplacement un certain nombre de fibres passent dans le tamis qui les orientent verticalement. Les tas de fibres s'amenuisent au fur et à mesure qu'ils passent d'un tamis au suivant et, s?il y a encore des fibres enchevêtrées à la partie inférieure du tamis 2 du bas de la cheminée, le transporteur latéral 6 les recycle. Sur le plan incliné vibrant 10 tombe de manière continue une pluie de fibres relativement bien réparties dans l'espace. Le rôle du plan incliné 10 et de ses rainures 12 et 14 est d'aligner les fibres parallèlement à elles-mêmes. Finalement les fibres 18 déposées sur le tapis 16 sont distribuées régulièrement suivant des lignes parallèles à l'axe de déplacement du tapis 16. Ensuite on dépose une couche de béton 19 sur le lit de fibres 18 . On laisse les fibres pénétrer légèrement dans le béton qu'on laisse alors durcir. On obtient ainsi un matériau à deux phases conforme à l'invention et dont les fibres ont une densité constante et une même orientation. Il est facile de jouer sur l'espacement des alignements de fibres 18 en remplaçant le plan incliné 10 par un autre pourvu de rainures plus serrées ou au contraire plus évasées. De même on peut régler la vitesse du tapis 16 pour avoir une plus ou moins grande densité de fibres 18 Le long d'un même alignement Suivant une variante illustrée par la figure 4 la couche de béton 19' est déversée par la bétonnière 17' sur le tapis 16 en amont du plan incliné 10 de sorte que les fibres 18 sont déversées sur la face supérieure de la couche 19' et, par gravité et suivant la viscosité du béton s'enfoncent plus ou moins dans la couche sous-jacente. On peut d'ailleurs combiner les deux installations pour obtenir directement un matériau formé par deux couches de béton superposées entre lesquelles est insérée une couche de fibres orientées. Le matériau obtenu avec l'installation des figures 1 à 4 peut être utilité tel quel et conformé suivant l'application envisagée ou tre utilisé enicombinaison avec d'autres matériaux obtenus suivant le même processus mais possédant d'autres caractéristiques. La figure 5 représente une coupe partielle d'un tube multicouches que l'on peut réaliser en mettant en oeuvre l'invention. Ce tube comprend trois couches 20, 21-et 22 superposées réalisées chacune par exemple avec l'installation décrite ci-dessus. L.es deux couches extrtmes 20 et 22 sont identiques et comportent une couche de fibres 23 perpendiculaires aux rayons du tube et dont la densité est assez élevée . Par contre la couche de béton intermédiaire 21 comporte une couche de fibres 24 également perpendiculaires aux rayons du tube mais dont la densité est très sensiblement moindre puisque c'est la zone centrale du tube qui est la moins sollicitée par les contraintes. Pour réaliser un tel tube, on enroule par exemple une première couche (22) en provenance de l'installation des figures 1 à 4 sur un mandrin rotatif horizontal . Afin d'obtenir une couche de béton comme la couche 22 représentée sur la figure 5 et dans laquelle les fibres sont insérées dans la partie centrale, on peut combiner les installations des figures 1 et 4 afin de réaliser un sandwich qui en coupe présente le même aspect que celui de ladite couche 22. Après un tour complet de ce mandrin,on dépose sur la première couche une seconde couche de béton armé possédant les caractéristiques de la couche 21. Après un nouveau tour complet, on dépose une nouvelle couche (20) identique à la première puis on laisse prendre le béton.Finalement on obtient un tube de béton d'une certaine épaisseur possédant 3 couches internes de fibres orientées suivant les directions des contraintes internes maximales et présentant des densités de fibres fonction de l'intensité desdites contraintes dans les zones considérées. Il est donc possible de réaliser des dalles,-chapes,voiles minces, voûtes, tubes etc....dtépaisseur quelsoFque possèdant une ou plusieurs couches de fibres orientées dans le même sens, ou dans des sens différentes (par orientation correspondante des diverses couches de béton armé ) en fonction des directions des contraintes internes. Bien entendu,la-prdsente invention n'est pas limitée aux exemples décrits ci-dessus , mais en eouvre au contraire toutes les variantes, notamment celles concernant la nature du matériau constitutif des fils ou fibres métalliques, les traitements éventuels effectués sur ces fils ou fibres préalablement à leur incorporation au béton, ainsi que les formes et dimensions de ces fils. De même on peut apporter à l'installation représentée sur les figures 1 à 4 bien des aménagements sans sortir pour autant du cadre de l t invention. On peut par exemple modifier le nombre et l'agencement des différentes zones du plan incliné vibrant. Dans unS même zone les rainures peuvent ntetre pas toutes identiques suivant la répartition désirée dans les alignements de fibres à la sortie du plan incliné. -REVENDICATIONS 1. Perfectionnements aux matériaux à deux phases béton-acier du type formé par des éléments d'armature en fil d'acier ou similaire de faible longueur incorporés dans le béton, caractérisés en ce qu'ils consistent à disposer d'autant plus de tronçons de fils par unité de volume du béton qu'on se rapproche davantage d'un point de résistance critique et à orienter ces tronçons de préférence selon les directions suivant lesquelles s'exercent les forces de traction maximales. 2. Matériau à deux phases béton-acier suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la densité des tronçons de fils décroît suivant les directions faisant des angles croissants avec la direction d'effort maximal et d'autant plus rapidement que ces angles sont plus grands. 3. Matériau à deux phases béton-acier suivant la revendication 1 ou 2,caractérisé en ce que les zones et les axes de sollicitations extrêmes sont susceptibles de recevoir une densité de tronçon de fils métalliques allant jusqu'à vingt fofs la densité dans les zones et axes peu ou pas sollicités. 4. Matériau à deux phases béton-acier suivant l'une des revendications 1 à 3,caractérisé en ce que les zones de concentrations-maximales contiennent environ en volume quatre parties de fils d'acier pour cent parties de béton et les zones de faible sollicitation contiennent environ un demi pour cent de fils, ces derniers ayant un diamètre de l'ordre de 0,25 mm, une longueur d'environ 25 mm et 11 espacement moyen entre fils étant de l'ordre de 2,5 mm dans les zones fortement sollicitées et de 5 mm dans les zones peu sollicitées. 5. Eléments de construction tels que poutres, dalles, profils minces, tubes, voûtes, réalisés avec le matériau suivant l'une des revendications 1 à 4. 6. Installation pour la fabrication d'éléments de construction suivant la revendication 5 caractérisée en ce quelle comprend une cheminée verticale pourvue de chicanes inclinées constituées par des tamis, un moyen pour alimenter la cheminée en fibres métalliques en vrac, disposé à la partie supérieure de la cheminée, un plan incliné vibrant disposé en dessous de la cheminée et pourvu de moyens d'orientations des fibres, un tapis transporteur disposé en dessous du plan incliné vibrant et des moyens pour déverser au moins une couche de béton sur le tapis transporteur. 7. Installation suivant la revendication 6 caractérisée en ce que les moyens prévus sur le plan incliné vibrant pour orienter les fibres sont constitués par des rainures parallèles s'étendant suivant la pente dudit plan. 8. Installation suivant la revendication 7 caractérisée en ce que le plan incliné vibrant comprend plusieurs zones de rainu de res/caractéristiques différentes. 9. Installation suivant la revendication 6 caractérisée en ce que la couche de béton est déversée sur le tapis en amont du plan incliné vibrant. lO.Installation suivant la revendication 6 caractérisée en ce que la couche de béton est déversée sur le tapis en aval du plan incliné vibrant. 11. Installation suivant la revendication 6 caractérirsée en ce qu une première couche de béton est déversée sur le tapis en amont du plan incliné vibrant et en ce qu une seconde couche dé béton est déversée sur le tapis en aval dudit plan. 12. Installation suivant la revendication 6 caractérisée en ce qu elle comporte en outre un dispositif pour récupérer à la partie inférieure de la cheminée les agglomérats de fibres qui ne-sont pas passés dans les tamis afin de les recycler.