Brevet FR2581349A1 — publié le 19861107

Matériau composite à base de liant hydraulique renforcé notamment par des tronçons de ruban La présente invention concerne des perfectionnements apportés aux matériaux composites à base de liant hydraulique renforcé notamment par des éléments allongés. Il est connu que les matériaux à base de liant hydraulique (sans renfort) présentent une résistance à la traction très faible comparativement à leur résistance de compression , de plus, leur comportement à la traction est élastique jusqu'à rupture : ce sont donc des matériaux fragiles. Cette caractéristique a conduit, d'une part, au renforcement des ciments et bétons par des armatures métalliques diverses passives (béton armé, ferrociment) ou actives (béton précontraint). D'autre part, on s'est préoccupé depuis longtemps d'incorporer au ciment des éléments de renfort sous forme de "fibres" pour modifier son comportement à la traction et son caractère de fragilité. C'est le cas, en particulier, de l'amiante-ciment, qui présente couramment une résistance à la traction (ou à la flexion) deux à trois fois supérieure à celle d'une pate de ciment et une énergie de rupture environ dix à vinqt fois plus élevée. Toutefois, le vieillissement naturel des produits en amiante-ciment aboutit à une lente réduction de leur pouvoir de déformation, même si leur résistance à la rupture a tendance à croître. De nombreuses recherches ont été effectuées ces dernières années pour trouver des fibres de substitutionà l'amiante : elles ont porté principalement sur les fibres minérales (fibres de verre résistant aux alcalis), fibres organiques naturelles (telles que les fibres de bois ou de plantes annuelles) ou organiques synthétiques (comme les polyoléfines, polyamides, polyesters, etc...), seules ou en combinaison. On a pu ainsi mettre au point des matériaux nouveaux, tels que le ciment armé de fibres de verre ou le cellulose-ciment,qui présentent initialement des qualités satisfaisantes pour certains usages. C'est ainsi que certains d'entre eux présentent, dans une phase initiale, une meilleure résistance aux chocs que l'amianteciment, due aux capacités de déformation plus importantes. Cependant, on a constaté que, au cours du vieillissement, la liaison entre les fibres et la matrice était susceptible d'évoluer en fonction des conditions environnantes, en particulier de l'humidité, ce qui se traduit par une diminution de la résistance à la rupture et surtout une très importante réduction de la déformation à rupture, et une plus grande sensibilité aux chocs et variations dimensionnelles. Une autre voie de recherches a consisté, depuis fort longtemps, à introduire dans ces matériaux des "armatures" continues du type : grillage ou fils continus métalliques, toiles ou filets ou bandes plastiques, etc... Ces renforcements, qui n'améliorent pas la résistance à la flexion, mais évitent seulement la rupture brutale et catastrophique du matériau, présentent de nombreux inconvénients - problèmes technologiques, essentiellement mise en place, coupe, déchets, expliquant le faible développement des produits fibres-ciment de ce type - diminution de certaines propriétés par création de porosités, de défauts de liaison et défauts d'isotropie - sensibilité à la corrosion. Dans ce contexte, la Demanderesse, cherchant à trouver un substitut à l'amiante pour obtenir un matériau composite à base de liant hydraulique qui présente une bonne résistance à la flexion, a eu l'idée, conformément à l'invention, d'utiliser en complément ou substitution partielle des fibres déjà connues, et en tant qu'élément allongé de renfort, des tronçons de rubans d'un matériau ayant une résistance à la traction d'au moins 1000 MPa, disposés à plat, c'est-à-dire avec leurs grandes faces sensiblement parallèles aux faces principales de l'objet cons titué dudit matériau, tout en étant orientés de façon aléatoire et en étant répartis de façon homogène et sensiblement sans recouvrement direct mutuel. A ce sujet, on notera que, dans le cadre de l'invention, le terme de "tronçon de ruban" désigne des éléments allongés ayant en section transversale un contour aplati, ce qui les distingue des fils ou fibres (de contour transversal rond, ovale ou analogue) utilisés dans les matériaux antérieurs. L'épaisseur, la largeur et la longueur de ces éléments allongés ainsi quelea largeur de la nappe d'éléments de renfort dans la constitution de laquelle ils entrent forment, dans l'ordre indiqué, une progression pseudogéométriaue dont les termes successifs sont dans des rapports d'environ 5 au moins. A sa grande surprise, la Demanderesse a pu constater que, si les matériaux conformes à l'invention ainsi obtenus possèdent bien la résistance à la flexion recherchée, ils possèdent également une très bonne résistance aux chocs, stable dans le temps : l'incorporation d'éléments de renfort en forme de tronçons de ruban, conformément à l'invention, permet donc de résoudre simultanément les deux types de problèmes qui se posaient jusqu'à présent et d'obtenir un matériau composite qui satisfasse mieux aux diverses exiqences de la pratique que les matériaux actuellement connus, et en particulier d'obtenir un matériau composite qui soit résistant à la fois aux chocs et à la flexion. Avantageusement, les tronçons de ruban sont disposés en au moins une nappe au sein de la masse de liant hydraulique, cette nappe s'étendant parallèlement aux faces principales de l'objet constitué dudit matériau. Bien entendu, les tronçons de ruban utilisés conformément à l'invention pour procurer la résistance souhaitée aux chocs peuvent éventuellement venir s'ajouter à d'autres moyens de renfort (tels que de l'amiante, des fibres papetières ou textiles, par exemple) présents dans le liant hydraulique à d'autres fins. On parvient donc à corriger l'évolution défavorable susceptible de se produire au cours du vieillissement. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit. Pour obtenir les caractéristiques souhaitées de résistance aux chocs et de résistance à la flexion, le matériau composite de l'invention comporte des tronçons de ruban disposés au sein d'un liant hydraulique, ciment ou silico-calcaire notamment, en étant orientés de façon aléatoire et répartis de façon homogène et sensiblement sans recouvrement direct mutuel. Il est utile de préciser ici que le terme "liant hydraulique" désigne, à proprement parler, l'hydratation d'un ciment (Portland, au laitier, aux cendres volantes, alumineux, etc.) habituellement réalisée à température ambiante ou par étuvage à une température inférieure à 100"C, et/ou la réaction d'hydratation d'un composant siliceux (quartz, sable, argile, diatomite, etc.) et d'un composant calcaire (d'origine minéralogique ou industrielle comportant au moins 30 % de CaO ou encore la chaux en tant que sous-produit de la réaction d'hydratation du ciment) habituellement réalisée en autoclave. Par extension, dans la suite de la description et dans les revendications, ce terme désignera la matrice du matériau constituée principalement par le liant hydraulique proprement dit et comportant éventuellement des charges, des additifs de traitement ou d'autres éléments de renfort déjà connus. Bien qu'on puisse envisager une répartition volumique homogène des rubans au sein de la masse de liant hydraulique, il est souhaitable, pour des questions d'esthétique et pour autoriser une finition surfacique ultérieure de l'objet, que les tronçons de ruban n'apparaissent pas sur les faces extérieures de l'objet constitué dudit matériau. Un mode de réalisation préférentiel consiste à constituer le matériau sous forme de couches ou nappes alternées de liant hydraulique et de rubans en nombre fonction de l'épaisseur totale de l'objet fabriqué et de l'importance de la résistance souhaitée. Sur chaque couche de liant hydraulique, les tronçons de ruban sont déposés dans les conditions susmentionnées et à plat, c'est-à-dire avec leurs grandes faces sensiblement parallèles à la surface de la couche de liant hydraulique, autrement dit parallèles aux faces principales de l'objet constitué dudit matériau composité. Puis une nouvelle couche de liant hydraulique est déposée par-dessus, et ainsi de suite. La quantité de tronçons de ruban figurant au sein du liant hydraulique et la répartition de ces tronçons de ruban sont d'une grande importance, car elles conditionnent les propriétés mécaniques du matériau finalement obtenu. La proportion en volume des tronçons de ruban au sein du liant hydraulique ne doit pas dépasser quelques pour cents : elle est comprise entre 0,1 % et 5 %, de préférence entre 0,5 et 3 %. Elle est conditionnée par le nombre des monocouches de liant hydraulique. De façon souhaitable, dans chaque nappe de rubans, la surface totale des tronçons de ruban est au plus égale à 10 % de la surface totale de l'objet constitué dudit matériau. Les tronçons de ruban sont constitués en un matériau métallique amorphe, qui, d'une part, est inerte visà-vis des liants hydrauliques utilisés, et en particulier des ciments, ce qui assure la conservation dans le temps des caractéristiques mécaniques du matériau, et qui, d'autre part, possède une structure amorphe, c'est-à-dire non cristalline (cas par exemple d'un alliage métallique amorphe, tel qu'une fonte amorphe). Les tronçons de ruban employés ont une épaisseur au plus égale à 90 p de préférence comprise entre 10 et 50 p, ce qui permet de produire des éléments de géométries très diverses (par exemple : plaques ou panneaux plans ou ondulés, tubes, etc.) de façon au moins aussi simple et rapide qu'avec les matériaux antérieurement utilisés. La largeur et la longueur des tronçons de ruban sont en fait déterminées en fonction des dimensions de l'objet à fabriquer , par exemple, cette largeur peut être comprise entre 1 à 5 mm et la longueur peut être de plusieurs centimètres. Dans chaque nappe de rubans, la surface totale des tronçons de ruban doit rester inférieure à 10 % de la surface totale de l'objet ; au-delà de cette proportion, le risque de feuilletage (séparation des monocouches de ciment) deviendrait trop important. Comme cela a déjà été indiqué, l'orientation des tronçons de ruban dans chaque nappe doit être aléatoire afin d'assurer au matériau des caractéristiques isotropes. Une orientation préférentielle des tronçons de ruban n'apporterait aucun bénéfice pour le comportement du matériau sous l'action d'un choc et risquerait de favoriser au contraire l'apparition de fissures parallèles à cette orientation privilégiée. D'une façon typique, les tronçons de ruban sont constitués en un alliage métallique amorphe ayant une résistance à la traction de 2500 MPa, un module d'Young de 130 GPa, une densité de 7,2 ; la largeur des tronçons de ruban est de 1 mm environ, leur épaisseur de 35 p et leur longueur de 60 mm environ. Exemple 1 On réalise des plaques témoins en un matériau composite connu et des plaques d'essai en un matériau conforme à l'invention constitué par un liant hydraulique à base de ciment CPA avec adjonction de tronçons de ruban correspondant à l'exemple typique sus-indiqué. Ces plaques sont soumises à des essais de résistance à la flexion. Toutefois, dans ce cas, l'augmentation en flexion reste un critère secondaire pour l'appréciation des propriétés des matériaux incorporant des tronçons de ruban selon l'invention : le critère le plus intéressant est la résistance résiduelle après fissuration, c'est-àdire la résistance donnée par les tronçons de ruban après rupture de la matrice à base de ciment. Matériau Réf. Epais- Densité Rs Max Rsrési- Rsrési seur Remarques duelle duelle mm MPa après à 1% de défor rupture matio, Ciment avec : : 5 % amiante 1 5,6 1,64 18,1 0 0 Ciment avec 5 % amiante et 0,5% (en : 2 6,0 : 1,67 : 18,0 9,0 : 5,1 poids) de : . soit soit ruban 50 % 30 % Ciment avec : : : : : : : Produit 5 5 % cellu- : 3 : 4,4 : 1,85 : 21,8 : 0 : 0 : surcom lose : : : : : : : primé : Ciment avec : : : : : : 5 % cellu lose et 0,6%: 4 : 4,3 : 1,82 : 20,3 : 14,0 : 8,0 : produit (en poids) : : : : : soit :soit : surcom de rubans : : : : : 70 % : 40 % primé Dans ces exemples (qui donnent des valeurs moyennes obtenues sur plusieurs essais), on notera que - les pourcentages de composition sont des pourcentages en poids ; le pourcentage en poids est lié au pourcentage en volume par la relation densité des rubans % poids = % volume x 1,15 x densité du produit 'le coefficient 1,15 tenant compte de la quantité d'eau fixée par le ciment - les essais sont réalisés sur des matériaux saturés et préparés depuis 14 jours - la cellulose utilisée dans les deux derniers essais est une cellulose bisulfite blanchie. I1 résulte de ces essais que l'incorporation de tronçons de ruban de renfort à un matériau composite (aiuiante-ciment ou cellulose-ciment) ne modifie pas la résistance maximale supportable par ce matériau (à densité comparable), mais accroît systématiquement dans des proportions notables la résistance aux grandes déformations. Exemple 2 On réalise des plaquettes de 200 mm x 200 mm, constituées en matériau fibre-ciment avec ou sans tronçons de ruban, qui sont ensuite soumises à des essais aux chocs. Ces chocs sont obtenus à l'aide d'une bille d'acier de 0,51 kg tombant en chute libre de hauteurs croissantes de 5 cm en 5 cm (soit un accroissement d'énergie de 0,25 J), à partir d'une hauteur de 5 cm .On relève l'énergie E correspondant à l'apparition de la première fissure (choc non élastique), ainsi que le nombre de chocs supplémentaires N pour parvenir à la rupture complète (fracture longitudinale ou transversale ou combinaison des deux). Matériau : E (joules) Accroisse- N Epaisseur de ciment + ment % la plaquette en mm 5 % cellu lose écrue 1,0 0 1 4,6 5 % cellu lose + 1,5% de rubans de 1,8 80 1 5,6 60mm 11 % amiante 1,0 0 1 4,8 11 % amiante + 1 % rubans 1,1 10 1 4,8 11 % amiante + 2 % rubans 1,25 25 2 4,7 11 % amiante + 3 % rubans 1,4 40 2 4,9 11 % amiante + 4 % rubans 1,6 60 3 5,0 L'amélioration de la résistance aux chocs apportée par l'introduction de tronçons de ruban conformément à l'invention est très sensible, quel que soit le type de matériau de base (avec ou sans amiante). Exemple 3 Des tuyaux témoins de 150 mm de diamètre intérieur nominal ayant une paroi de 15,5 mm d'épaisseur sont réalisés en un matériau comportant 87,5 % en poids de ciment CPA et 12,5 % en poids d'amiante, avec une densité de 1,75 Des tuyaux d'essai de 150 mm de diamètre ayant une paroi de 9,7 mm d'épaisseur sont réalisés en un matériau conforme à l'invention comportant 84,4 % en poids de ciment CPA, 12,1 % en poids d'amiante et 3,5 % en poids de tronçons de ruban ayant les caractéristiques mentionnées dans l'exemple typique susindiqué, avec une densité de 1,80. Ces deux types de tuyaux sont soumis à des essais de résistance à l'écrasement et à l'éclatement tels que définis par la norme NF P 16 304. La résistance à l'écrasement du tuyau témoin est de 49,5 MPa et celle du tuyau d'essai de 53,3 MPa, soit une amélioration de + 7,7 %. La résistance à l'éclatement du tuyau témoin est de 22,4 MPa et celle du tuyau d'essai de 23,4 MPa, soit une amélioration de + 4,5 %. D'une façon générale, les essais ont mis en évidence une amélioration de résistance de 5 à 10 % pour ces tuyaux. Exemple 4 Des plaques identiques à celles de l'exemple 1 sont exposées en extérieur en ambiance industrielle et testées au bout de 2 ans. Matériau Réf. Contrainte Contrainte Contrainte maximale résiduelle résiduelle Rs (MPa) après rupture à 1 % de déforma (MPa) (MPa) Ciment avec 5 % amiante 1 18,4 0 0 Ciment avec 5 % amiante et 0,5 % (en 2 18,4 9,8 4,3 poids) de rubans Ciment avec 5% cellulose 3 0 (échantillons fissurés au vieillissement) (produit sur comprimé) Ciment avec 5% cellulose et 0,6 % (en poids) de ru 4 13,4 11,5 9,7 bans (pro duit surcom primé) I1 résulte de ces essais que l'accroissement notable de la résistance aux grandes déformations du à l'introduction des rubans en matériau amorphe dans le liant hydraulique subsiste après vieillissement. Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus spécialement envisagés ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Matériau composite à base de liant hydraulique renforcé notamment par des éléments allongés, ce matériau devant présenter une bonne résistance à la flexion et une bonne résistance -aux chocs, caractérisé en ce que les éléments allonqés de renfort susmentionnés sont notamment des tronçons de ruban disDosés à plat, c'est-à-dire avec leurs grandes faces sensiblement parallèles aux faces principales de l'objet constitué dudit matériau, tout en étant orientés de façon aléatoire et en étant répartis de façon homogène et sensiblement sans recouvrement direct mutuel. 2. Matériau composite selon la revendication 1, caractérisé en ce que les tronçons de ruban sont disposés en au moins une nappe au sein de la masse de liant hydraulique, cette nappe s'étendant parallèlement aux faces principales de l'objet constitué dudit matériau. 3. Matériau composite selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la proportion en volume des tronçons de ruban au sein du liant hydraulique est comprise entre environ 0,1 % et 5 %. 4. Matériau composite selon la revendication 3, caractérisé en ce que la proportion en volume des tronçons de ruban au sein du liant hydraulique est de préférence comprise entre environ 0,5 % et 3 %. 5. Matériau composite selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que dans chaque nappe de tronçons de ruban, la surface totale des tronçons de ruban est au plus égale à 10 % de la surface totale de l'objet constitué dudit matériau. 6. Matériau composite selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les tronçons de ruban ont une épaisseur au plus égale à 90 p. 7. Matériau composite selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'épaisseur des tronçons de ruban est comprise entre environ 10 et 50 M. 8. Matériau composite selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les tron çons de ruban sont répartis en plusieurs nappes sensiblement régulièrement espacées les unes des autres selon l'épaisseur de l'objet constitué dudit matériau. 9. Matériau composite selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les tronçons de ruban sont constitués en un matériau métallique amorphe.