Brevet FR2491917A1 — publié le 19820416

La présente invention se rapporte à des structures inorganiques en ciment telles que des poutres en béton ou pièces moulées ou moulages en gypse, et plus particulièrement à des structures de ce type qui sont renforcées de forme préforméescomprenant des fibres de carbone ou de graphite. Le béton de ciment Portland est courammentaimé ou renforcé de tiges d'acier qui lui donnent des carac- téristiques de raideur, de résistance à l'impact et de support de la charge. On sait également, comme dans le brevet U.S. NO 4 199 366, ajouter diverses fibres naturelles et synthétiqueà divers substrats de ciment Dans des mélanges de béton avant qu'is ne soient vers'és des fibres naturelles comme du coton, du jute, du sisal, du chanvre et de la laine ont été mélangée dans le béton de même que des fibres synthétiques telles que la rayonne, le nylon, des polyesters, de l'alcool polyviny- lique, du polyacrylonitrile- (PAN), du chlore de polyvinyle, des polyéthylkaes et diverses fibres comme du verre, du carbone et des carbures métalliques. On sait également utiliser divers renforcements de fibres pour d'autres types de structures de ciment comme des moulages en gypse basés sur les hémihydrates des sulfates de calcium ou oxyde de magnésium, chlorure, chaux et autres mélanges inorganiques de ciment. La plupart des fibres naturelles et synthétiques ci-dessus mentionnées perdront une partie de leurs qualitésde renforcement dans le béton au cours des ans, car elles seront exposées à l'environnement alcalin de la chaux libre' apparaissant dans un béton de ciment Portland. Même des fibres de verre présentent une dégradation avec le temps pendant leur utilisation dans du béton de ciment Portland. En ce qui concerne les tiges enacier de renforcement, etIs doivent être bien encapgilées dans une structure en béton de ciment Portland poûr diminuer les effets de l'air et de l'humidité provoquant une corrosion de l'acier. Les produits de la corrosion de l'acier, ayant une densité plus faible que l'acier, ont une dilatation volumétrique en se formant, qui peut faire craquer le béton, ce qui impose une limite de conception parce que les renforcements d'acier ne peuvent être placés trop près de la surface car des fissures de surface apparaîtront et la qualité de la structure de béton se détériorera. Tandis que les fibres orientées au hasard de l'art intérieur contribuent à la ténacité et à la résistance à la fatigue de la structure renforcée, il faut en utiliser des quantités assez importantes, typiquement plus de 3% enpoi afin d'obbnir une amélioration sensible. Au moment o ces volumes de fibres sont ajoutés et dispersés au hasard principalement par des mélangeurs mécaniques, la boue est épaissie au point qu'il faut plus d'énergie et demnime, il y a une forte augmentation de la probabilité que de l'air soit piégé. Ainsi, tandis que l'addition de fibres de cette façon peut améliorer la ténacité du béton, il y a également la conséquence non souhaitable de perte de résistance à l'environnement du fait de la présence de poches d'air occluses. Les structures renforcées de fibres de carbone et de graphite selon l'invention ne possèdent pas les inconvénients ci-dessus -mentionnés de l'art intérieur. On a découvert des combinaisons de fibres de carbone et/ou de graphite qui, quand on les utilise en un agencement disposé de façon unique dans des structures de ciment, peuvent non seulement être utilisées comme remplacement pour des barres de renforcement enfer ou en acier mais également, dépassent d'autres fibres par la longévité ainsi que pour raidir et renforcer les structures en ciment. Contrairement aux tiges de renforcement en acier, les fibres prédisposées de carbone et de graphite, qui sont chimiquement inertes, peuvent être amenées proches de la surface ou placées par rapport à l'aire en coupe transversale de la structure en béton de ciment Portland, là o elles contribuent le plus efficacement à la raideur et à la durabilité de la structure sans qu'il n'y ait de limite dûaà l'oxydation et à des réactions chimiques néfastes. - La consolidation préalable des fibres de carbone et de graphite permet d'incorporer une plus grande quantité de fibres dans une structure de ciment et la raideur de la structure résultante est fortement améliorée. Les fibres de carbone et de graphite peuvent être utilisées soit comme seules fibres ou fibres prédominantes dans la structure de ciment. Dans certains cas, il y a des avantages à gagner de mélanges hybrides de fibres de carbone et/ou de graphite en combinaison avec des fibres de verre et/ou des fibres synthétiques comme les fibres de carbure de silicium et/ou aramide. Les fibres de carbone et de graphite sont commercialisées en filaments Ou. sous- forme d' étoupe comprenant 6000-10000 fibres courtes et discontinues, o les fibres individuelles ont entre 7 et 11 / de diamètre. Selon l'invention, elles sont de plus traitées en intermédiaires qui servent de renforcement. On peut citer comme formes représentatives de tels intermédiaires, de fibres prédisposées de carbone et de graphite, des - rubans unidirectionnels o les fibres sont disposées à plat ou tordues en cordoe et maintenues en place par un liant ou une résine appropriée; des pièces tissées imprégnées de résine, des rubans unidirectionnels ou des pièces tissées prédisposées sur une âme de faible densité et chimiquement résistante; ou des rubans durcis de carbone ou de graphite imprégnés de résines synthétiques qui sont configurés ou placés autour de renforcements d'acier. Certains de ces intermédiaires se prêtent égalementàuw modification pour comprendre des zones d'épaisseur accrue ou autres moyens d'ancrage pour aider à les lier à la structure de ciment. Ces intermé- diaires peuvent être coulés en place dans le béton de ciment Portland ou autre structure de ciment, par mise en place dans la boue au moment approprié avant son durcissement afin de produire un moulage ou une pièce coulée selon l'invention. Dans un mode de réalisation, la présente invention peut avoir la forme de rubans unidirectionnels de fibres colimatées et essentiellement unidirection- nellement orientées de carbone ou de graphite o les fibres sont diposées à plat, feuilletées en feuilles plates durciesavec un liant de résine synthétique comme un époxy ou un polyester. Le produit composé résultant est alors coulé à l'emplacement souhaité en durcissant une boue de ciment d'intèret, conmme du plàtre de Paris, ot on l' mis en place. Des procédés extrusion-tractim peuvent produire diverses formes de structure de fibres orientées de carbone et de graphite et des matrices de résines durcies. Dans un autre mode de réalisation, des étoffes tissées de fibres de carbone et de graphite peuvent être durcies et consolidés en structures composées par des liants de résine synthétique. Un matériau thermodurcis- sable et durci tel qu'une résine époxy-, de polyimide, de polyester ou phénoliqÀe,une silicone ou analogue peut être employé. Les liants de résine synthétique peuvent contenir des matières thermoplastiques comme une polysul- fone, du polystyrène, du fluorue de polyvinyle, du chlorsé de polyvinyleou du sulfure de polyphénylJeo Dans ces cas, l'intermédiaire résultant est un mélange composé du liant et des fibres o le pourcentage volumique des fibres dans le mélange composé dépasse de préférence 30 % en préférant 50-65 %. Dans chaque cas, la concentration des fibres est bien supérieure à celle pouvant être obtenue par un mélange mécanique dans un béton de ciment Portland, par exemple de fibres libres. La résine elle- même doit être choisie sur la base de sa résistance à 1 'environnement de la boue ou bouillie et de la structure renforcée ou armée terminée d'intérêt. Par exemple, dans le cas d'une structure en béton de ciment Portland armé, des fibres de carbone ou de graphite peuvent être incorporées dans un intermédiaire préformé ayant un liant d'un diglycidyl éther de Bisphénol A (résine époxy) durci à la mine. Dans un autre mode de réalisation, les fibres de carbone ou de graphite peuvent être prédisposéessais la forme d'articles tissés quisont alors imprégnésd'une résine appropriée aun volume suffisant qui, lors de son durcissement, maintiendra l'intégrité de structure et l'alignement souhaité des fibres. De tels produits tissés peuvent être disposés pour atteindre une distri- bution des fibres dans le produit final permettant d'obtenir le module d'élasticité souhaité dans l'ensemble, ainsi que le coefficient souhaité de dilatation thermique dans cet ensemble. Des rubans ou bandes de formesgéométriquesdiversespeuvent être coupés de ces produits ou articles de fibres de carbone ou de graphite imprégnéeSde la résine, ou bien des dispositions appropriées en trois dimensions produites et consolidées en une entité d'armement ou de renforcement de structure par chaleur et pression. Ces formes, soit sous forme de simples couches o de couchesmultiples, sont appropriées à une utilisation comme pièces d'insertion de structure dans un béton de ciment Portland. Les critères de conception détermineront la distribution des fibres, la résistance et les coefficients de dilatation pour correspondre, pour dépasser ou pour être en-dessous de l'armement d'accompagnement d'acier, si on le souhaite, et du béton de ciment Portland. Par exemple, en utilisant un mélange composé époxy et la fibre de forte résistance préparé avec plus de 50 % (en préférant 80 %) des fibres de graphite unidirectionneUset de fibresde graphite tissées établies à disons 45 à 80 par rapport aux fibres unidirectionnelrs ( de préférence 10 à 20 à 45 à 500), il est possible d'offrir un produit composé ayant un module d'élasticité supérieur à 124 x 109 Pa, et ui coefficient linéaire de dilatation de 4 à 7 p par mètre par degré centigrade. Ce coefficient de dilatation thermique se trouve dans la gamme du bétondb ciment Portland. S'il faut un coefficient de dilatation plus faible dans l'ensemble, accompagné d'un module supérieur, il faut utiliser un pourcentage plus important de fibres uni- directionnelles. Avec un très faible coefficient de dilatation thermique dans le mélange de graphite, d'autres avantages de structure peuvent être étudies dans la structure de béton. Dans un autre mode de réalisation, des fibres unidirectionnelles de carbone ou de graphite, ou une étoffe qui en est tissée, sont prédisposées ou durcies et collées ou liées à une âme de faible densité et chimiquement résistante, comme une. mousse de polystyrène, pour produire un intermédiaire qui peut être placé dans une bouillie de béton de ciment Portland en un emplacement souhaité permettant d'obtenir, après durcissement, des caractéristiques souhaitables résistance- poids. Des pièces d'insertion en ruban de graphite uni- directionnel et durci (0,152 - 0,3048 mm d'épaisseur), montées sur une Ame de polyuréthane de 3,175 mm, quand on les ajoute à un moulage en gypse de 12,7 mm, aug- mentent la résistance à la flexion de ce moulage de dix fois. Dans un autre mode de réalisation, des rubans durcis de carbone ou de graphite sont configurés ou placés autour d'une armature ou d'un renforcement d'acier pour renforcer localement celui-ci. La pièce d"insertion de fibres produit également un renforcement supplémentaire du béton quiemptche la corrosion de l'acier. Dans ce cas, quand l'acier plutôt que l'ensemble de carbone ou de graphite donne, au béton, la raideur et la ténacité souhaitées, l'ensemble des fibres permet de maintenir l'intégrité du béton de ciment Portland en formant une barrière supplémentaire contre l'humidité. Dans un autre mode de réalisation, le profil des fibres prédisposées de carbone ou de graphite peut être modifié avec des caractéristiques de forme, par exemple avec des noeuds, des coupes transversales agrandies ou autres moyens d'ancrage, pour aider à leur laison mécanique au béton de ciment Portland lors d'un contact avec la bouillie semi-liquide. De cette façon, un contrôle de dimension ou bien des efforts en tension ou en compression peuvent se développer dans le béton aux zones souhaitées. Avec la disponibilité des pièces d'insertion composées de structure qui peuvent correspondre ou contrôler par rapport au coefficient de dilatation ther- mique du béton, des avantages considérables de conception sont apparents. Enfin, dans un mode de réalisation de l'invention, des fibres de graphite à module élevé sont choisies, telles que celles pouvant être faites de PAN ou de irai. Elles présentent des modules d'élasticité de l'ordre de 138 - 690 x 109 Pa. Ces fibres sont alors combinées, manipulées ou traitées pour former une structure intermédiaire de la forme souhaitée, par exemple une structure en forme de tige o les fibres sont portées dans une résine appropriée,ayant un coefficient de dilatation thermique proche de celui du béton de ciment Portland. Des fibres de carbone ou de graphite ayant les plus forts modules d'élasticité possèdent un léger coefficient négatif de dilatation lecnng delwdirection axiale et la structure intermédiaire en forme de tige constitue un renforcement qui ressemble de très près au coefficient de dilatation thermique du béton. Ainsi, la présente invention offre un renforcement qui peut dépasser lesmodules d'élasticité de l'acier, 207 x 109 Pa, à une économie considérable;de poids en ayant à la fois les avantages de résistance et de module par rapport à l'acier, suffisamment pour surmonter l'inconvénient du prix élevé des fibres de graphite employées. Quand le terme "fibres de carbone' est utilisé, il désigne également le graphite, qui a été préparé par un plus ample traitement thermique à de très hautes températures de traitement. R E V E N D I C A T I 0 N S 1.- Structure durcie,caractérisée en ce qu'elle comprend un matériau ressemblant à du ciment à l'état combiné; et un renforcement composé préformé disposé à l'intérieur dudit matériau ressemblant à du ciment, et occupant une partie distincte de la coupe transversale de ladite structure, ledit renforcement comprenant une certaine quantité rassemblée de fibres sensiblement unidirectionnellement aligné de carbone et un matériau liant durci pour maintenir lesdites fibres rassemblées en alignement; ledit renforcement composé ayant un coefficient de dilatation thermique d'une valeur prédéterminée par rapport au coefficient de dilatation thermique duitatériau ressemblant à du ciment à l'état combiné. 2.- Structure selon la revendication 1 caractérisée en ce que le matériau liant précité comprend une résine synthétique. 3.- Structure-selon la revendication 2, caractérisée en ce que la résine précitée et les fibres précitées forment un renforcement dont au moins 30 % en volume est constitué desdites fibres. 4.- Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que les fibres à rassembler précitées font partie d'une armure o sont incorposées des fibres de carbone croisant les fibres unidirectionnellement alignées. 5.Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend de plus une tige d'acier autour de laquelle sont disposées les fibres pour s'étendre longitudinalement par rapport à elle. 6,- Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que les fibres précitées comprennent des fibres de graphite ayant des modules d'élasticité compris entre 138 et 690 x 109 Pa. 7.- Structure selon la revendication 6, caractérisée en ce que le matériau combiné précité et le renforcement précité ont dscoefficients sensiblement identique de dilation thermique. 8.- Structure.selon la revendication 6 caractérisée en ce que le matériau combiné précité est formé de béton de ciment Portland et en ce que les fibres de graphite précitées sont rassemblées en forme de tiges essentiellement cylindriques. 9.- Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que le renforcement a également des fbres de carbone qui traversentles fibres unidirectionnel- lement alignées dans une ganmme d'angles inclus de45 à 80 , lesdites fibres unidirectionnelles - formant au moins 50 % de la teneur en fibres dudit renforcement. 10.- Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle a de plus une âme de faible densité et chimiquement résistante qui est choisie dans le groupe consistant en polystyrène et polyuréthane,sur laquelle sont durcies et collées les fibres précitées.