Brevet FR2287692A1 — publié le 19760507

L'invention se rapporte aux appareils servant à mesurer les propriété mécaniques des matériaux. Elle a pour objet une machine qui permet d'appliquer à une éprouvette, pour étudier son fluage ou sa fatigue, des contraintes vibrantes de compression ou de traction. L'invention s'applique particulièrement, mais non exclusivement, à l'essai et à ltétude des matériaux bitumineux. Une contrainte vibrante n'a pas le mme effet qu'unie contrainte statique sur le fluage des matériaux bitumineux. Pour effectuer sur une éprouvette un essai simulant le fluage provoqué par le passage des véhicules sur les chaussées, il est nécessaire de soumettre l'éprouvette à des compressions répétées de courte durée. (cf. notamment G. Chomton et J.P. Valayer "Etude de ltorniérage en laboratoire : de fluage dynamique", Revue générale des Routes et des Aérodromes, Octobre 1970; G. Âussedat et C. Azibert "Le Mécanisme de L'orniérage des couches de base", dans la même revue, Mai 1974). Pour simuler la fatigue du matériau, il faut appliquer à l'éprouvette des contraintes alternées de compression et de traction. On connait des machines universelles pour l'essai des matériaux. Ces machines sont conçues pour qu'on puisse à volonté soumettre lléprouvette aux contraintes mécaniques les plus variées, statiques ou dynamiques. Elles sont basées sur des procédés d'asservissement hydraulique et électronique. Ces machines aux possibilités très variées sont forcément d'une grande complexité, ce qui entrasse diverses conséquences. Une machine universelle est lourde et encombrante; le coût de sa fabrication est très élevé et son entretien exige l'intervention assez fréquente d'un spécialiste. Le réglage et la conduite d'une telle machine ne peuvent autre confiés qutà un opérateur hautement qualifté. Tant théoriques que pratiques, les progrès réalisés dans le domaine des travaux publics ont ait apparattre l'utilité des essais de fatigue et de fluage des matériaux bitumineux. Seuls les inconvénients lies à la complexité des machines actuelles empêchent ces essais d'entrer dans la pratique courante. Le besoin stest donc fait jour d'une machine destinée spécialement à ce type d'essais. Il fallait que la fabrication de la machine fAt simple et d'un coàt modique, beaucoup plus faible, voire dix fois moindre, que celui des actuelles machines universelles. Il fallait que la machine fAt relativement légère et-peu encombrante. Il fallait qu'elle fAt très fiable. Il fallait enfin qu'on pAt la mettre entre toutes les mains. Tels sont les buts de l'invention. La machine qui est l'objet de l'invention permet d'appliquer une contrainte de compression ou de traction qui varie périodiquement selon une loi voulue, à une éprouvette cylindrique qui comporte deux faces planes parallèles. Cette machine est caractérisée par le fait qu'elle comprend - un baAti comportant un socle et au moins deux colonnes verticales rigides montées sur celui-ci, - des moyens pour immobiliser par rapport aux colonnes une des faces planes, en position horizontale, de ltéprouvette, - un vibreur fixé à l'autre face plane de ltéprouvette par des moyens appropriés, ce vibreur étant libre de se déplacer verticalement, guidé par les colonnes, et délivrant une force verticale dont l'inten sité varie périodiquement avec une fréquence et une amplitude connues, - et un dispositif hydraulique ou pneumatique qui comporte un vérin prenant appui sur le bati et qui permet d'appliquer à l'ensemble de ltéprouvette et du vibreur une force verticale constante d'intensité connue, ce dispositif hydraulique coopérant avec le vibreur pour soumettre l'éprouvette à la contrainte périodique voulue. On comprendra mieux la description de l'invention en se rapportant aux dessins annexés qui représentent des exemples de réalisation de l'invention. Il va de soi que ces exemples ne sont pas limitatifs. Les figures 1 à 3 représentent schématiquement, dans son ensemble, un exemple de réalisation de la machine. Les figures 4 à 7 concernent deux exemples de vibreurs mécaniques pouvant équiper la machine. La figure 8 est un schéma montrant un exemple de centrale hydraulique permettant d'actionner le vérin de la machine. Les figures 9 et 10 concernent une cellule pressurisée qui permet d'appliquer une pression latérale sur la paroi cylindrique de ltéprouvette. On se réfèrera d'abord aux figures 1 à 3. Le bati comporte au moins deux colonnes verticales rigides la, lb, 1c, fixées verticalement sur un socle 2. Le bti comporte de préférence trois ou quatre colonnes. De préférence, les colonnes reposent sur des amortisseurs 11a, 11b, 11c. L'axe de l'éprouvette 3 est maintenu en position verticale. Un plateau rigide 4a, 4b, est applique et, de préférence, collé sur chaque face plane de l'éprouvette. Le plateau supérieur 4a est lie aux colonnes par des moyens appropriés, comportant un support rigide 5 fixé aux colonnes par des colliers 6a, 6b, 6c. Le plateau inférieur 4b est lié au vibreur.Selon une caractéristique préférée de l'invention, les plateaux sont liés respectivement au support fixe et au vibreur pour l'intermédiaire d'un cardan, ou, mieux encore, d'une rotule 7a, 7b. Ce montage particulier réduit au minimum les effets indésirables qui pourraient résulter d'un défaut de parallélisme des faces de l'éprouvette. Le vibreur 10 est solidaire d'un ensemble de guides 12a, 12b, 12c, qui coulissent librement le long des colonnes du bâti. Les guides sont de préférence des douilles à billes. On peut employer tout vibreur magnétique, mécanique, hydraulique ou pneumatique capable de délivrer une force verticale dont l'intensité varie périodiquement avec la fréquence et l'amplitude voulues. Pour étudier les éprouvettes de béton bitumineux; on utilise habituellement des fréquences comprises de 5 à 20 hefflz et des amplitudes de 100 à 500 décanewtons. Le diamètre de l'éprouvette étant de 10 cm environ, l'amplitude des variations de compression ou de traction est ainsi de 2 à 5 bars environ. Dans une forme de réalisatinn préférée de la machine1 on emploie un vibreur mécanique qui est actionné par un moteur électrique synchrone. Par exemple, ce vibreur peut dtre constitué essentiellement par un bottier dans lequel deux balourds identiques tournent à la même vitesse et en sens opposés autour de deux axes horizontaux qui sont pa rallèles ou confondus, ces deux balourds passant simultanement à leur point le plus bas. Le moteur est logé soit à l'extérieur, soit à l'in térieur du bottier. Dans l'exemple représenté par les figures 1 à 3, la machine comporte un vibreur mécanique 10 actionné par un moteur électrique extérieur15.La transmission peut être assurée par un arbre flexible ou, comme représenté sur les figures 1 à 3, par-une courroie cran tée i4. De préférence, pour que les déplacements du vibreur n'affectent pas la tension de la courroie, le moteur exterieur est attelé au vibreur par des moyens mécaniques tels que la distance entre les deux poulies reste constante.Par exemple, selon les figures 1 à 3, le moteur est monté sur un support 18 qui est relié au vibreur par une articulation 19a; celle-ci permet au support de pivoter autour de l'axe de la poulie du vibreur; le poids du moteur et de son support repose sur le socle de la machine par l'intermédiaire d'un piètement 20 qui peut osciller, grâce à deux articulations 19b, 19c, en s'écartant peu de la verticale. Une centrale hydraulique 16, fixée au socle de la machine, de préférence par l'intermédiaire d'amortisseurs, commande un vérin hydraulique 17 dont le corps est solidaire des colonnes du bâti. La centrale hydraulique actionne le vérin de façon à appliquer à l'ensemble constitué par le vibreur et par l'prou vette une force statique verticale. La force délivrée doit & re indépendante de la position, en hauteur, de son point d'application, car l'éprouvette est susceptible de se former au cours de l'essai. La force statique fournie par le vérin stajoute à la force périodique fournie par le vibreur. Pour étudier le fluage on ajuste la force du vérin de façon que la résultante des forces appli quées à l'éprouvette soit une force de compression périodique. En effet, il importe, dans les essais de fluage, que ltéprouvette ne soit à aucun instant soumise à une traction. Pour faire un essai de fatigue on règle la force du vérin de manière à compenser le poids du vibreur. On peut mesurer la déformation de l'éprouvette en employant des moyens usuels appropriés. Par exemple, on peut utiliser un comparateur potentiométrique pour suivre la variation de la hauteur de l'éprouvette au cours de l'essai. On se réfère ensuite aux figures 4 et 5 qui représentent schématiquement un vibreur mécanique susceptible d'équiper la machine. L'appareil est vu en élévation, selon la coupe AA' sur la figure 4 et selon la coupe BB' sur la figure 5. Deux arbres, 21a, 21b, horizontaux et axés dans le meme plan vertical, dont les paliers prennent appui sur un bottier 22, tournent à la meme vitesse, en sens oppose. Ils sont entrasses par un réducteur à vis sans fin, 23a, 23b, qui est couplé à un moteur. Par exemple, la vis sans fin peut & re couplée à un moteur extérieur (non représenté) par une poulie 24 et une courroie crantée (non représentée). Deux masselottes 25a, 25b, sont bloquées respectivement sur les arbres 21a, 21b, au milieu de ceux-ci, dans des positions angulaires symétriques par rapport au plan vertical passant par les axes. Les deux masselottes passent simultanément au point haut et au point bas de leur trajectoire, et leur mouvement engendre la force verticale alternative que l'on applique à l'éprouvette. Ce mouvement engendre aussi un couple alternatif qui est sans effet, puisque le vibreur est maintenu latéralement par les colonnes du bati de la machine. Les figures 6 et 7 représentent schématiquement un autre exemple de vibreur mécanique. Contrairement au système précédent, celui-ci n'engendre pas de couple alternatif, mais seulement une force verticale alternative. Sur la figure 6 l'appareil est vu en élévation selon la coupe AA'; sur la figure 7, il est vu de dessus selon la coupe BB'. Deux arbres parallèles, 21a et 21b, sont axés dans le meme plan horizontal et prennent appui sur le bottier 22. Ils sont couplés par deux roues dentées identiques 26a, 26b, qui s'engrènent l'une dans l'autre.Deux masselottes identiques, 25al, 25b1, sont bloquées dans la meme position angulaire sur l'arbre 21a. Deux autres masselottes identiques, 25b1, 25b2, sont bloquées sur l'arbre 21b dans la position angulaire symétrique à la précédente par rapport au plan vertical équidistant des deux axes. Le long de chaque arbre, les masselottes sont réparties symétriquement par rapport au plan médiateur. L'un des axes est entraîné par un réducteur à vis sans fin, 23. Par exemple, la vis sans fin peut wetre couplée à un moteur extérieur (non représenté) par une poulie 24 et une courroie crantée (non représentée). La figure 8 est le schéma d'une centrale hydraulique au moyen de laquelle on peut actionner le vérin de la machine. Une pompe 41 à faible débit refoule sous forte pression,vers un régulateur de pression piloté et réglable 42, un courant d'huile prélevé dans le réservoir 43. Une conduite 44 assure le retour de l'huile du régulateur au réservoir. La pompe, le régulateur, et un accumulateur hydropneu matique 46 coopèrent pour maintenir à la pression voulue huile contenue dans le conduit 45 et dans le cylindre du vérin 17. Cette pression est contrôlée par le manomètre 48 Une dérivation 49 peut & re utilisée pour appliquer latéralement une certaine pression sur la paroi cylindrique de l'éprouvette. Dans certains essais, effectués notamment sur des matériaux bitumineux, il est utile d'appliquer latéralement une pression déterminée sur la paroi cylindrique de l'éprouvette. Une dérivation 49 du conduit d'huile peut servir à mettre sous pression une enceinte entourant l'éprouvette. Les figures 9 et 10 concernent une cellule pressurisée qui a été conçue à cette fin La figure 9 est un schéma de la cellule elle-meme, vue en coupe. La figure 10 montre schématiquement comment peut etre assuré le contrôle et la régulation de la pression dans la cellule. Selon la figure 9, une jupe tubulaire 31, en matière élastique, est appliquée sur la surface cylindrique de l'éprouvette 3. Une enceinte 32 ayant la forme d'une couronne cylindrique est délimitée par la jupe tubulaire 31, une enveloppe extérieure cylindrique 33 et deux couronnes circulaires 34a et 34b solidaires de celle-ci. Le bord supérieur de la jupe élastique 31 est coincé entre la couronne 34a et une couronne amovible 35, le bord inférieur entre la couronne 34b et une couronne amovible 36. L'enceinte 32 est emplie d'huile et mise sous pression par le conduit 37. Elle peut être pourvue de moyens de chauffage ou de refroidissement (non représentés) permettant de maintenir l'éprouvette à une température choisie. La pression dans 1 enceinte entourant l'éprouvette peut & re ajustée avec précision au moyen d'un montage tel que représenté par la figure 10. L'huile fournie par la centrale hydraulique, arrive par le conduit 49, par exemple sous une pression de 15 à 100 bars. La pression dans l'enceinte est d'abord réglée grossièrement, dans le domaine de O à 10 bars, par un régulateur 51. Le réglage fin de la pression est obtenu au moyen d'un régulateur de précision 52, et contré par le manomètre 53. De préférence, une soupape de sécurité 54, tarée par exemple à 11 bars, est intercalée entre les deux régulateurs. Du régulateur et, le cas échéant, de la soupape, l'huile retourne au réservoir de la centrale hydraulique par le conduit 50. EXEMPLE. On a construit une machine telle que représentée par les figures 1 à 3 pour essayer des éprouvettes d'enrobés bitumineux ayant 10 cm. de diamètre. Cette machine était équipée du vibreur mécanique représenté schématiquement par les figures 4 et 5 et d'une centrale hydraulique selon la figure 8. Le vibreur comprenait deux masselottes ayant une masse de 4 Kg chacune, dont le rayon de giration était de 5 cm environ. Le réducteur à vis sans fin avait un rapport de 1 à 5 et était entratné par un moteur synchrone. La fréquence du vibreur était donc de 10 heflz, et l'amplitude des vibrations de 150 decanewtons environ. Le poids du vibreur avec ses deux masselottes était de 108 decanewtons. On applique sous le vibreur, au moyen du vérin hydraulique, une force constante de 258 decanewtons pour effectuer un essai de fluage, ou de 108 decanewtons pour effectuer un essai de fatigue. Cette machine permet d'appliquer à une éprouvette une contrainte vibratoire bien définie et parfaitement reproductible. La machine s'est révélée très fiable. REVENDICATIONS i. Machine pour appliquer une contrainte de compression ou de traction, qui varie périodiquement selon une loi voulue, à une éprouvette cylindrique comportant deux faces planes parallèles, cette machine étant caractérisée par le fait qu'elle comprend - un bâti comportant un socle et au moins deux colonnes verticales rigides montées sur celui-ci, - des moyens pour immobiliser par rapport aux colonnes une des faces planes, en position horizontale, de l'éprouvette, - un vibreur fixé à l'autre face plane de ltéprouvette par des moyens appropriés, ce vibreur étant libre de se déplacer verticalement, guidé par les colonnes, et délivrant une force verticale dont l'intensité varie périodiquement avec une fréquence et une ampli tude connues, - et un dispositif hydraulique ou pneumatique qui comporte un vérin prenant appui sur le bati et qui permet d'appliquer à l'ensemble de l'éprouvette et du vibreur une force verticale constante dtin- tensité connue, ce dispositif hydraulique coopérant avec le vibreur pour soumettre l'éprouvette à la contrainte périodique voulue. 2. Machine selon la revendication 1, et dans laquelle les moyens pour maintenir l'éprouvette sont constitués par deux plateaux que l'on colle sur les faces planes de ladite éprouvette, et qui sont liés, l'un au vibreur, l'autre à un support rigide fixé au bats, par l'in termédiaire d'une rotule ou d'un cardan. 3. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 et dans laquelle le vibreur est un vibreur mécanique actionné par un moteur électrique synchrone. 4. Machine selon la revendication 3, dans laquelle le vibreur est cons titué essentiellement par un bottier dans lequel deux balourds iden tiques tournent à la meme vitesse et en sens opposés autour de deux axes horizontaux qui sont parallèles ou confondues, ces deux balourds passant simultanément à leur point le plus, haut ou à leur point le plus bas. 5. Machine, selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4 et dans laquelle le vibreur est actionné par un moteur électrique extérieur auquel il est couplé par un arbre flexible. 6. Machine selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4 et dans laquelle le vibreur est actionné par un moteur électrique extérieur auquel il est couplé par poulies et courroie crantée. 7. Machine selon la revendication 6 et dans laquelle le moteur est monté sur un support qui est relié au vibreur de manière à pouvoir pivoter autour de l'axe de la poulie de celui-ci, et qui repose sur le socle de la machine par l'intermédiaire d'un piètement qui peut osciller en stécartant peu de la verticale. 8. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans la quelle le vibreur est un vibreur mécanique qui est actionné par un moteur électrique synchrone et qui comprend - un boiter, - deux arbres horizontaux, axés dans le meme plan vertical, dont les paliers prennent appui sur le bottier, - un réducteur à vis sans fin qui fait tourner les deux arbres à la meme vitesse et en sens opposés, - et deux masselottes, chacune étant bloquée au milieu d'un des arbres et leurs positions angulaires étant symétriques par rapport au plan vertical passant par les axes. 9. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle le vibreur est un vibreur mécanique qui est entratné par un moteur électrique synchrone et qui comprend - un bottier, - deux arbres parallèles axés dans le meme plan horizontal, dont les paliers prennent appui sur le bottier, et qui sont couplés par deux roues dentées identiques s'engrenant l'une dans l'autre, - un réducteur à vis sans fin entratnant l'un des deux arbres, - et deux paires de masselottes identiques, chacune étant bloquée sur un des arbres, et les positions angulaires des deux paires de mas selottes étant symétriques par rapport au plan vertical équidistant des deux arbres. 10. Machine selon l'une quelconque des xsendications 1 à 9 et dans laquelle une centrale hydraulique,comprenant un réservoir d'huile, une pompe, un régulateur de pression réglable et piloté et un accumulateur hydro pneuma,tique , commande le vérin et maintint l'huile à la pression voulue dans le cylindre de celui-ci.