Brevet FR2401114A1 — publié le 19790323

La présente invention, à laquelle ont collaboré Messieurs Jean-Claude BAUWENS et Miche KENNEL, concerne des perfectionnements apportés aux fibres, notamment aux fibres de verre, destinées principalement à armer des éléments de construction tels que,par exemple,des dalles de plâtre, de ciment, etc... Elle concerne également le procédé de préparation desdites fibres et desdits éléments de construction, ainsi que leurs applications. Il est déjà connu, depuis fort longtemps, de renforcer les matériaux de construction tels que plâtres, ciments, bétons de ciment, bétons bitumineux, bétons résineux, etc... à l'aide de fibres naturelles ou artificielles, organiques ou inorganiques. Parmi les fibres naturelles, qui peuvent être d'origine animale, végétale ou minérale, il convient de citer tout particulièrement les fibres d'amiante, qui n'ont jusqu'à présent pratiquement pas trouvé leur équivalent, car elles présentent une excellente résistance au feu et, de plues, ne sont pas détériorées, à la longue, par les ciments qu'elles arment.Néanmoins, on se préoccupe depuis quelque temps déjà des effets cancérigènes de l'amiante, à tel point que dans l'avenir l'usage de ce matériau pourrait fort bien faire l'objet d'une réglementation restrictive Les fibres organiques de polymères, elles, ont une faible résistance au feu, mais, surtout, leur adhérence aux ciments n'est pas bonne, si bien qu'il convient de leur donner préalablement soit un relief particulier, soit un revêtement superficiel apte à augmenter l'adhérence Les fibres métalliques telles que les fibres d'acier sont soumises à une corrosion intensive lorsqu'elles arment les matériaux de construction. Les fibres de verre, de leur côté, présentent de bonnes caractéristiques mécaniques ; cependant, elles sont rapidement attaquées par les matières alcalines des ciments et l'amélioration initiale des propriétés mécaniques due à l'incorporation de fibres est détériorée dans le temps. On a donc pensé à traiter les fibres de verre destinées à armer les matériaux de construction, soit par modifications chimiques, par incorporation de borosilicates ou de composés du zirconium, soit par revêtement superficiel, à l'aide de résines époxydiques. De telles modifications sont malheureusement d'un coût très élevé. Les avantages et les inconvénients de tous ces types de ren forcement à l'aide de fibres de diverses natures sont résumés dans l'article "Les Bétons Armés de Fibres", paru dans "LE MONITEUR" du 3 Janvier 1976, pages 55 à 58. L'invention vise à proposer des fibres perfectionnées se distinguant avantageusement des fibres connues utilisées pour armer des matériaux de construction. La Demanderesse, on effet, a conçu des perfactionnements permettant d'éviter la plupart des inconvénients rencontrés lors de l'utilisation de fibres décrites ci-dessus. A cet effet, la présente invention a pour objet des fibres destinées notamment à armer des matériaux de construction, lesdites fibres étant caractérisées on ce qu'elles sont enrobées de bitume Par fibres, on entened,dans la présente description et dans les revendications qui suivront, les fibres de polymères, les fibres métalliquos,les fibres de verre ou autres;cependant,comme on le verra dans la suite,l'enrobage par le bitume convient particu- lièrement bien aux fibres de verre.Celles-ci sont généralement constituées de brins de 8 à 10 microns de diamètre environ et peuvent se présenter sous diverses formes bien connues de l'Homme de l'Art (roving coupé de 5 cm de longueur environ, "mat de reving", mat continu) Par bitume, on désigne les produits que l'om pe@t rencontrer dans les pétroles bruts, où ils constituent les résidus de distillation que l'on peut éventuellement oxyder par soufflage t on peut rencontrer également les bitumes dans des roches-magasing, telles que les sables ou les schistes bitumineux.Par ailleurs, on peut les obtenir à partir des coupes lourdes des pétroles bruts, c'est-à-dire des fractions dont le point d'ébullition, sous la pression normale, est supérieur à 550 C. Les bitumes sont caractérisés par un certain nombre de propriétés bien connues de l'Homme de l'Art : point de ramollissement, pénétration, point de fragilité, point d'inflammabilité, densité, etc... Les qualités de bitume sont en général repérées par leur pénétration. Ainsi, un bitume dit "80/100" est un bitume dont la pénétration est com- prise entre 80 et 100 dixièmes de millimètre, dans les conditions spécifiées du test standard. Par matériau de construction, on désigne les plâtres, ciments, bétons de toutes sortes, etc... servant à la construction, principalement d'immeubles, ou à l'élaboration de revêtements variés, et susceptibles d'être armés par des fibres afin d'augmenter leurs caractéristiques physiques telles que résistance au choc, à la fracture, à la traction, etc... Selon la présente invention, dans le but d'éviter, de façon économique, la corrosion des fibres renforçantes des matériaux de construction, celles-ci sont enrobées d'une pellicule de bitume, de qualité variable La pellicule doit être aussi continue que possible, de façon à éviter des points de corrosion potentiels de la fibre enrobée. Son épaisseur est variable : plus elle est grande, meilleure est la protection contre les agents alcalins susceptibles d'attaquer les fibres, mais on n'a pas intérêt à augmenter très sensiblement cette épaisseur, car des phénomènes de fluage peuvent alors apparaître et le bitume peut éventuellement migrer à l'intérieur des matériaux de construction, si la température est élevée. Le bitume offre un grand nombre d'avantages - il adhère bien, en particulier aux fibres de verre, alors que, dans le cas d'enrobage par résines époxydiques, il est souvent nécessaire d'employer des agents couplants tels que les silanes, - il s'accommode très bien des déformations subies par le matériau de construction armé, - il est peu cher. Dans. le cas des fibres de verre, les quantités pondérales de bitume, par rapport au poids des fibres,peuvent varier entre 1 et 100%, généralement 5 à 5 X et de préférence 20 à 40s; ces limites ne sont toutefois pas impératives, et l'enrobage devra être plus ou moins épais selon l'application ultérieure du matériau de construction. En fait, comme on le verra dans les exemple; les proportions de bitume et de fibres peuvent varier très largement. Plusieurs procédés d'obtention de fibres enrobées peuvent être utilisés - on peut immerger les fibres dans le bitume à l'état fondu, donc à chaud. Dans ce cas, on peut atteindre jusqu'à 100 en poids de bitume par rapport aux fibres, voire plus - on peut également immerger les fibres dans des solutions de bitume dans des hydrocarbures solvants, tels que par exemple le benzène. L'épaisseur de l'enrobage peut alors être diminuée, en réglant la concentration du bitume dans le solvant, et l'on peut atteindre des proportions bituee/fibre variables, inférieures à 100 %. Un troisième procédé consiste à immerger les fibres dans une émulsion de bitume dans l'eau. Comme dans le cas précédent, l'épaisseur du film de bitume obtenu est réglée par la dilution, ici aqueuse, de l'émulsion Après immersion des fibres et enrobage, il est alors nécessaire de soumettre les fibres enrobées à un séchage pour éliminer toute-humidité résiduelle etFacces- soirement, homogénéiser le film de bitume à la surface des fibres. Ce séchage peut étire effectué par exemple entre 100 et 1500C. Une émulsion de bitume peut aussi être pulvérise sur les fibres. Les fibres enrobées ainsi obtenues servent donc à armer les matériaux de construction. L'enrobage par le bitume évite la corrosion, mais également l'abrasion des fibres, car il supprime un contact possible fibre-matrice lors de déformations mécaniques. On peut ainsi réaliser des plaques de plâtre ou de ciment qui peuvent subir des déformations mécaniques inhabituelles. Par exemple, de telles plaques peuvent entre clouées sans fissuration. Par ailleurs, l'amélioration des propriétés mécaniques par incor poration de fibres enrobées de bitume permet de réduire ltépaisseur desdites plaques, pour une résistance mécanique équivalente. La proportion des fibres dans les matériaux de construction représente environ 1 à environ 10 % du poids du composite. Pour des fibres de verre,on utilisa usuellement 4 ffi en poids de ces fibres. Dans les essais qui seront décrits ci-après, les teneurs des matériaux 4e constructionen fibres sont comprises entre 2,5 et 8 % en poids, environ. Les exemples qui suivent sont donnés à titre non limitatif et démontrent les avantages des fibres enrobées de bitume selon 1 tinvention. EXEMPLE I Cet exemple est destiné à montrer que des matériaux de construction armés par des fibres de verre enrobées de bitume ont des propriétés mécaniques améliorées. Les fibres choisies sont des fibres de verré F se présentant sous trois formes différentes : - Fl : forme unidirectionnelle continue, - F2 : fibres de 5 cm de long,à orientation quelconque dans un plan, - F3 : mat à fibres continues. L'enrobage est effectué soit par immersion dans le bitume fondu, à la température de 2000C, auquel cas on obtient un enrobage à 100 % en poids de bitume par rapport aux fibres, soit par immersion dans une solution de bitume dans le benzène à 30 % en poids de bitume, auquel cas on obtient un enrobage à 30 %. Le bitume utilisé dans cet exemple est un bitume 80-100, de pénétration 82 dixièmes de mm. Les matériaux de construction utilisés comme matrices sont le plâtre et le ciment PORTLAND. On réalise des plaques de plâtre et de ciment PORTLAND d'une épaisseur de 3,5 mm par coulage autourdes fibres ; on les fait durcir pendant un mois avant de les soumettre aux essais mécaniques, sous la forme d'éprouvettes de 3,5 mm d'épaisseur et de 25 mm de large. On trouvera ci-après la composition des différents composites fabriqués : - A et B : platre + 2,5 Vo de F1 enrobé de 30 % de bitume, - C : ciment PORTLAND pur, - D : ciment PORTLAND + 5 % de F3 enrobé de 100 70 de bitume, - E : ciment PORTLAND + 2,5 % de F1 enrobé de 30 Vo de bitume, - F : ciment PORTLAND + 2,5 % de F2 enrobé de 100 Vo de bitume. Les éprouvettes sont soumises à plusieurs tests A - ESSAIS DE FLEXION On réalise des essais de "flexion 3 points", tels que définis dans l'article de Materials Science and Engineering, 15 (1974) 107 - 127, de A.S. MAJUMDAR et R.W. NURSE, la distance entre appuis étant de 82 mm et la vitesse d'accroissement de la flèche de 1 cm/minute. Les courbes donnant l'effort en fonction de la flèche sont données sur la figure unique du dessin annexé. La contrainte maximale supportée, calculée par la formule # = 3 FL e2 2 1 dans laquelle F est la force maximale supportée, en kgf, L est la distance entre appuis en mm, 1 est la largeur de l'éprouvette en mm et e l'épaisseur de l'éprouvette en mm, est donnée, pour chacun des composites, dans le Tableau I. TABLEAU I COMPOSITE A B C D E F # R(kg/mm2) 2,0 2,8 0,4 1,0 | 1,3 0,8 B - ESSAIS CHARPY Ces essais sont également décrits dans l'article précité. Ils sont réalisés avec un bras ayant une énergie de 75 kgcm et une distance entre appuis de 50 mm. Les résiliences relevées sont consignées dans le Tableau II. TABLEAU II COMPOSITE A B C D E F Résilience 20,6 21,3 0,93 10,6 14 4,8 (kg-cm/cm2) Les résulats des essais mécaniques ei-dessus montrent que l'incorporation de fibres enrobées de bitume accroit très sensiblement la contrainte de rupture de la plaque. L'allongement à la rupture est également accru t les courbes des essais de flexion, représentées sur le dessin annexé, présentent l'aspect de celles obtenues avec des matériaux ductiles La résilience est également fortement accrue. Dans tous les essais réalisés ici, la rupture est due à la décohésion fibres-matrice ; les fibres extraites de la matrice après essais semblent intactes. Les fibres enrobées, qui ont domc été pendant an mois au moins an contact dtun ciment humide, ne présentent pas d'apparence de corrosion. EXEMPLE II Cet exemple est destiné à montrer la résistance à la corrosion par les agents alcalins, de fibres enrobées de bitume. Ces fibres sont du type F, de l'exemple I, et sont constituées de brins de roving, composés de 204 filaments de verre, ayant un diamètre de 10 microns environ. Ces fibres sont enrobées par immersion daas une émulsion d'un bitume 80-100, dont la composition est la suivante - 65% de bitume 80-100 à 2,5 d'acides gras, - 3% d'amine, - 3% d'acide chlorhydrique, - 29% d'eau. L'épaisseur du film d'enrobage est réglée par dilution aqueuse de l'émulsion. Après un séchage de 28 henres à l'air ambiant, les fibres enrobées subissent un traitement thermique de 1 heure, de façon à faire disparaître toute trace d'eau du film de bitume et à répandre celui-ci sur toute la surface des fibres. Les fibres ainsi traitées sont soumises ensuite à l'action d'un bain corrosion (solution aqueuse de soude à 20 g/l). La mise en contact avec le bain de corrosion est effectuée à température ambiante, pendant des durées variables. Avant les essais mécaniques, les éprouvettes sont rincées à l'eau. On réalise des essais mécaniques de traction à l'aide de fibres de 20 cm de long et à la vitesse de 1 cm/minute. On mesure le rapport R = F/Ft,exprimé en %, dans lequel F est la force de rupture de l'éprouvette testée et Ft la force de rupture d'une éprouvette témoin non corrodée et provenant de la même source que ltéprouvette testée. Dans le Tableau III ci-après sont indiqués les résultats obtenus pour divers essais. Dans ce Tableau, D indique la proportion d'eau en poids ajoutée à l'émulsion, T C désigne la température du traitement thermique et t indique la durée du traitement corrosif. TABLEAU III VALEURS DE R EN f t en heures D en % T en C 48 76 120 J 111 73 79 O 100 99 90 80 O 130 94 97 83 ================================================================= 50 - 100 91 68 50 100 100 86 86 50 150 108 90 75 ================================================================= 100 - 98 81 69 100 100 101 78 78 100 150 100 94 75 Plus la valeur de R est proche de 100, meilleure est la résistance à la corrosion des fibres. Les valeurs de R supérieures à 100% résultent de la dispersion des mesures effectuées. Pour des fibres non enrobées, la valeur de R n'atteint plus que 50% aprbs 12 heures seulement de corrosion. Les résultats enregistrés ci-dessus permettent de conclure que l'enrobage à l'aide de bitume est très efficace pour ralentir lteffet de la corrosion alcaline. EXEMPLE III Cet exemple concerne des essais mécaniques (conformes à ceux de exemple I) réalisés sur des plaques d'une épaisseur d'envi- ron 3 mm. Les fibres renforçantes sont du type F3 de l'exemple I et ont été enrobées comme décrit dans l'exemple II. A - ESSAIS EN FLEXION Ils sont conduits comme dans l'exemple I. Le Tableau IV donne les différentes contraintes de rupture mesurées. On déter- mine la contrainte maximum supportée pour quatre essais et l'on calcule la moyenne #R des quatre essais. TABLEAU IV NATURE DE LA Proportion de fi- Proportion de #R MATRICE bres de verre (gpour bitume (g par kg/mm2 100 g de composite) 100 g de fibres) Ciment PORTLAND 7,7 3,8 1,35 " 7,9 13 1,53 " 6,4 19 1,30 " 5,5 40 1,42 Plâtre 7,0 13 2,12 Les résultats semblent montrer que la contrainte de rupture divisée par la proportion de fibres est plus élevée pour les fibres enrobées par 4 o de bitume. Elle semble dépendre également de la nature de la matrice. Par ailleurs, l'examen des éprouvettes après essai révèle que les zones travaillant en traction sont seulement fissurées la présence des fibres évite donc la rupture sous des charges plus faibles. B - ESSAIS DE RESILIENCE CHARPT Ces essais, conformes à ceux décrits dans l'exemple I, donnent les résultats consignés dans le Tableau V. Ce Tableau perret de tirer les mêmes conclusions que ci-dessus. TABLEAU V Proportion Proportion Résilience de fibres de bitume # moyenne NATURE DES Nombre d'es- de verre (g/100 g de kg-cm/cm2 MATRICES sais effec- (g pour 100 fibres) tués g de compo site) Ciment PORTLAND 8 7,7 3,8 11 12 7,9 13 10,7 " 12 6,4 19 11,4 " 11 5,5 40 11,6 Plâtre 12 7,0 13 18,0 EXEMPLE IV Cet exemple concerne la résistance à la traction de plaques de ciment Portland ou de plâtre de Paris, armés par des fibres de type F3. Les fibres sont enrobées par du bitume 80/100 en émulsion aqueuse (cf. exemple II) pais traitées à 125 C. Les composites sont coulés sous forme de plaques d'environ 3 mm d'épaisseur. La proportion pondérale de fibres varie entre 4 et 6%, et les éprouvettes prélevées dans ces plaques ont 5 cm de large et 8 cm de longueur utile. Elles sont tirées à la vitesse de 1mm/minute. La contrainte de rupture des fibres a été calculée suivant la formule (A. J. MAJUMDAR and R.Y. NURSE, Materials Science and Engineering, 15 (1974) 107 - 127): 8 # R # = 3 v# # RCo où # R# est la contrainte de rupture des fibres et #RC' celle du composite et V, la fraction volumique des fibres. Les résultats sont indiqués dans le Tableau VI ci-dessous. TABLEAU VI CONTRAINTE #R# DE RUPTURE DU VERRE, EN kg/mm2 % en poids de bitume Contrainte de rupture MATRICE enrobant les fibres #R# , en kg/mm2 sans enrobage 102 Plâtre 15 159 sans enrobage 50 Ciment 19 55 Portland 30 74 On constate ici encore l'amélioration des propriétés méca- niques du composite par incorporation de fibres enrobées de bi tale. Ainsi que l'essai III le laissait supposer, la résistance à la traction des fibres de verre est supérieure pour les enrobages les plus épais et ceci même pour les matrices en plâtre où la corrosion n'est pas à craindre. Ces résultats semblent indiquer que 11 action de l'enrobage en bitume est double t il diminue non seulement la corrosion, mais également l'abrasion des fibres, qui se produit au cours des essais mécaniques. R E V E N D I C A T I O N S 1.- Nouvelles fibres,destinées notamment à armer des matériaux de construction, caractérisées en ce qutelles sont enrobées de bitume. 2.- Fibres selon la revendication 1, caractérisées én ce qu'elles sont constituées de verre. 3.- Fibres selon la revendication 2, caractérisées en ce qu'elles sont constituées de brins de verre ou de roving de 8 à 10 microns de diamètre. 4. - Fibres selon la revendication 3, caractérisées en ce que lesdits brins de verre ou de roving sont des brins séparés d'environ 5 centimètres de longueur. 5.- Fibres selon la revendication 3, caractérisées en ce que lesdits brins de verre ou de roving forment un mat. 6.- Fibres selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisées en ce que la proportion pondérale de bitume d'enrobage est comprise entre 1 et 100% du poids des fibres, de préférence, entre 5 et 50% et,de préférence encore, entre 20 et 40%. 7.- Procédé de préparation de fibres selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la mise en contact desdites fibres avec le @itume s'effectne por immersion des fibres dans du bitume fondu et/ou une émulsion aqueuse de bitume et/ou une solution de bitume dans un solvant. 8.- Procédé de préparation de fibres selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la mise en contact desdites fibres avec le bitume s'effectue par pulvérisation sur les fibres d'une émulsion aqueuse de bitume 9.- Procédé de préparation selon l'une des revendications 7 et 8, caractérisé en ce qu'après la mise en contact des fibres et du bitume, on procède à un séchage desdites fibres à une tem- pérature comprise entre 100 et 1500C. 10. - A titre de produits industriels nouveaux, les matériaux de construction en plâtre, ciment ou similaire,armés par des fibres selon l'une des revendications 1 à 6. 11.- Matériau do construction selon la revendication 10, ca ractérisé en ce que lesdites fibres sont disposées dans le naté- riau suivant une même direction 12.- Matériau de construction selon la revendication 11, caractérisé en ce que lesdites fibres ont, dans ledit matériau, une orientation quelconque dans un plan. 13.- Matériau de construction selon la revendication 12, caractérisé en ce que lesdites fibres sont présentes dans ledit matériau sous la forme d'au moins un mat à fibres continues. 14.- Procédé de préparation de matériau de construction en platre, ciment ou similaire armés par des fibres, caractérisé en ce que ledit matériau est coulé à l'état liquide sur des fibres selon L'une des revendications 1 à 7, puis en ce quton laisse durcir ledit matériau autour desdites fibres.