Brevet FR2640962A1 — publié le 19900629

La présente invention est relative à une composition de béton à très hautes performances et à son procédé de mise en oeuvre. Plus particulièrement, elle concerne un béton composite apte à limiter la pénétration de projectiles. Lorsqu'un projectile de type militaire pénètre dans un matériau i matrice cimentaire, tel que du béton, celui-ci est essentiellement sollicité en traction, en compression et en cisaillement. Lorsque le projectile militaire est une bombe ou un obus perforant, celui-ci peut pénétrer jusqutå environ 2 m dans du béton ordinaire (type B35), comme celui utilisé traditionnellement en génie civil. Le béton montre alors des décohésions provoquées par le choc, qui génère des propagations d'ondes tant en traction quten compression, conduisant ainsi à une explosion de la face arrière du béton (face opposée a celle de l'impact). Ce phénomène est connu sous le nom d'effet de scabbing.Pour y remédier, il faudrait avoir un béton - qui présente des propriétés mécaniques aussi élevées que possible avec une excellente résistance a la traction et à la compression - qui peut freiner et limiter le plus possible la propagation des fissures de Hertz (effet de scabbing) - qui absorbe le plus possible l'énergie propre du projectile, en en limitant la pénétration - qui doit présenter un comportement pseudo ductile, mEme après avoir été endommagé par le projectile. Les matériaux a matrice cimenta ire ou bétons de type connu ne satisfont pas i ces conditions, car ils sont i rupture fragile. Une solution consisterait à protéger le béton par un blindage métallique, mais celui-ci serait difficile A mettre en place, à-cause de son poids et de l'éventuelle complexité de la forme du béton à protéger. Il serait également possible d'augmenter l'épaisseur du béton, mais celle-ci deviendrait telle que sa mise en oeuvre se heurterait à de grandes difficultés. La présente invention a pour objet une composition de béton qui remédie à ces inconvénients. Ce béton composite à très hautes performances, du type comprenant un liant hydraulique, des agrégats, de l'eau, des adjuvants et des fibres métalliques, est caractérisé en ce qu'il comprend, en parties en poids pour 100 parties de liant hydraulique - un liant hydraulique constitué par du ciment (100 parties) - des agrégats de dureté élevée et de géométrie particulaire, soit ronde, soit angulaire (120 à 200 parties) - des agrégats de grande finesse (40 à 65 parties) - de la microsilice (3 à 15 parties) - de l'eau (25 à 35 parties) - des adjuvants constitués par des fluidifiants (1,5 à 5 parties) et un anti-mousse (0 à 0,5 parties) - des fibres métalliques, à raison de 6 à 15 % en poids par rapport à la matrice. L'invention a également pour objet un procédé pour la mise en oeuvre de ce béton, du type suivant lequel les matières sèches sont mélangées dans un malaxeur, puis on ajoute l'eau et les adjuvants, on coule la pâte obtenue pour en faire une pièce qui est démoulée après environ 24 heures de mûrissement et on la soumet à un traitement thermique entre 50 et 60'C à 100 % d'humidité relative, suivi d'un mûrissement à température ambiante puis d'un étuvage sec à une température comprise entre 200 et 250'C. On obtient ainsi un béton extrêmement résistant à la pénétration de projectiles tout en étant facile à mettre en oeuvre. Le béton à très hautes performances selon l'invention est constitué de la manière suivante (les quantités étant exprivèes en parties pour 100 parties en poids de ciment) : a) un liant hydraulique qui est de préférence un ciment de type CPA 55 ou HPR ; b) des agrégats de dureté élevée, présentant une géométrie particulaire, soit ronde, soit angulaire, à raison de 120 à 200 parties.Ces agrégats peuvent être des alliages métalliques, de dureté au moins égale à 50 Rc, comme l'acier ou la fonte, des oxydes métalliques, ou du carbure de silicium, ces deux catégories ayant une dureté Knoop au moins égale a 2000 kgimm2. De préférence, parmi les oxydes métalliques, on choisit le corindon. I1 est préférable de réunir deux granulométries, même si une seule peut convenir : la première granulométrie est comprise entre 600 et 2 000 microns, la seconde couvrant l'invervalle 70 à 350 microns. Les proportions respectives en poids de ces deux granulométries sont de 60 à 70 t pour la première et de 40 à 30 t pour la seconde.Si une seule granulométrie doit être utilisée, il est préférable qu'elle soit comprise entre 300 et 1 000 microns ; c) des agrégats de grande finesse, tels que du corindon, du quartz cristallin broyé, ou du carbure de silicium, i raison de 40 à 65 parties, dont la granulométrie est inférieure à 15 microns ; d) de la microsilice, telle que de la silice thermique, de granulométrie inférieure à 5 microns, à raison de 3 a 15 parties ; e) de l'eau, entre 25 et 35 parties f) des adjuvants classiques, tels que fluidifiants ou superfluidifiants, à raison de 1,5 à 5 parties et un anti-mousse, à raison de O à 0,5 partie. Tous ces composants constituent la matrice, à laquelle sont ajoutées des fibres métalliques, à raison de 6 à 15 t en poids par rapport à la matrice. Ces fibres métalliques sont de préférence en acier, et elles présentent un diamètre de 100 à 500 microns et une longueur de 1 à 5 mm. Eventuellement, on peut remplacer 15 à 50 % en poids des fibres d'acier par des fibres de fonte amorphe, telles que celles obtenues suivant le procédé décrit dans le brevet FR 2 500 851. Ces fibres se présentent sous forme de rubans de longueur inférieure à 15 mm. En variante, il est possible d'ajouter des fibres de polypropylène dans des proportions comprises entre 0,1 et 0,5 % en volume de la matrice. Le béton suivant l'invention est obtenu par mélange de toutes les matières sèches dans un malaxeur à haut cisaillement, puis on ajoute l'eau et les adjuvants. On poursuit le malaxage jusqu'd obtenir une parfaite homogénéité de la pâte, qui conduit à la pièce finale par la technique du coulé-vibré en moule. Après le coulage, la pièce est démoulée après environ 24 heures de mûrissement, puis subit un traitement thermique de soit 1 jour à 60'C à 100 % d'humidité relative, soit 2 jours à 50 C, également à 100 d'humidité relative. La suite-du traitement consiste en un mûrissement d'au plus 5 jours à température ambiante sans précaution particulière d'humidité, suivi d'un étuvage sec de 36 heures à au moins 200 C, et de préférence de l'ordre de 205 à 210 C. I1 est souhaitable de ne pas dépasser 250'C. On constate que les propriétés mécaniques, telles que la résistance à la compression et à la flexion, restent inaltérées jusqu'd une température voisine de 300 à 400 C. Le tableau de la page suivante rassemble les résultats avantageux des essais comparatifs subits par trois compositions différentes, numérotées 1 à 3, du béton suivant l'invention et un béton correspondant au béton classique haut de gamme fabriqué actuellement, dit "béton HP". A titre d'exemple, la résistance à la compression des bétons utilisés couramment dans les grands ouvrages de génie civil varie entre 40 et 60 MPa, et atteint très exceptionnellement 70 MPa. Dans ce tableau, les proportions des différents constituants sont exprimées en parties en poids pour 100 parties de ciment, à l'exception des fibres métalliques qui sont indiquées en pourcentage en poids par rapport a la matrice. Composition 1 Composition 2 Composition 3 Béton HP Ciment CPA 55 100 100 100 100 Grenaille 300-1 000 m 158 166,7 158 Quartz C 600 47 60 20,2 Quartz C 400 - - 26,6 Gravier 4/8 - - - 250 Sable 0/2 - - - 132,5 Microsilice 11 14 11 5 Eau 31,6 26,7 29,1 37,5 Fluidifiants 4,5 3,5 4,4 1 Antimousse 0,1 0,2 0,1 Fibres métalliques 11 11 11 Cure 1 jour 20 C, 100 % HR + 2 jours 50 C sous eau 28 jours 20 C, + 1 jour 200 C sec 100 % HR #compression (#C) 215 MPa 215 MPa 205 MPa 70 MPa #flexion (#f) 23,5 MPa 25 MPa 30,8 MPa 5 MPa #f/#c 0,109 0,116 0,150 0,071 E/C 0,34 0,34 0,32 0,38 On constate que la composition 3, dont le rapport E/C est très faible, présente une résistance à la compression très améliorée, d'environ 200 MPa, par rapport à 70 MPa pour les meilleurs bétons type HP utilisés en génie civil. Sa résistance i la flexion est de 30 MPa contre 5 MPa pour les meilleurs bétons HP. De même, l'apport de fibres donne de la ductilité au matériau, et étant compris entre 1 et 3 pour 1 000 alors que pour un béton sans fibres, #f est généralement voisin de 0,1 à 0,5 pour 1 000, où représente l'allongement a la rupture en flexion. De plus, le rapport de la résistance à la flexion #f à la résistance à la compression #c doit être le plus élevé possible : l'amélioration obtenue grâce à l'invention est d'au moins 50 % et même de l'ordre de 100 % pour la composition 3. REVENDICATIONS 1.- Béton composite à très hautes performances, du type comprenant un liant hydraulique, des agrégats, de l'eau, des adjuvants et des fibres métalliques, caractérisé en ce qu'il comprend, en parties en poids pour 100 parties de liant hydraulique - un liant hydraulique constitué par du ciment (100 parties - des agrégats de dureté élevée et de géométrie particulaire, soit ronde, soit angulaire (120 à 200 parties) - des agrégats de grande finesse (40 à 65 parties) - de la microsilice (3 à 15 parties); - de l'eau (25 à 35 parties) - des adjuvants constitués par des fluidifiants (1,5 à 5 parties) et un anti-mousse (0 à 0,5 parties) - des fibres métalliques, à raison de 6 à 15 % en poids par rapport à la matrice. 2.- Béton composite suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les agrégats de dureté élevée sont choisis parmi des alliages métalliques de dureté au moins égale à 50 Rc, des oxydes métalliques ou du carbure de silicium, ces deux catégories ayant une dureté Knoop au moins égale à 2000 kg/mm. 3.- Béton composite suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les agrégats de dureté élevée présentent deux granulométries, la première étant comprise entre 600 et 2 000 microns, la seconde couvrant l'intervalle 70 à 350 microns. 4.- Béton composite suivant la revendication 3, caratérisé en ce que les proportions respectives en poids des deux granulométries d'agrégats sont de 60 à 70 % pour la première et de 40 å 30 % pour la seconde. 5.- Béton composite suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les agrégats de dureté élevée ont une granulométrie comprise entre 300 et 1 000 microns. 6.- Béton composite suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les agrégats de grande finesse sont choisis parmi le corindon, le quartz cristallin broyé ou le carbure de silicium, leur granulométrie étant inférieure à 15 microns. 7.- Béton composite suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les fibres métalliques sont en acier, de diamètre compris entre 100 et 500 microns et de longueur comprise entre 1 et 5 mm. 8.- Béton composite suivant la revendication 7, caractérisé en ce que 15 à 50 % en poids des fibres d'acier sont remplacées par des fibres de fonte amorphe. 9.- Procédé pour la mise en oeuvre du béton suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les matières sèches sont mélangées dans un malaxeur, puis on ajoute l'eau et les adjuvants, on coule la pâte obtenue pour en faire une pièce qui est démoulée après environ 24 heures de mûrissement et on la soumet i un traitement thermique entre 50 et 60*C a 100 t d'humidité relative, suivi d'un mûrissement à température ambiante puis d'un étuvage sec à une température comprise entre 200 et 250C. 10.- Procédé suivant la revendication 9, caractérisé en ce que le traitement thermique est effectué pendant 1 jour à 60in; 11.- Procédé suivant la revendication 9, caractérisé en ce que le traitement thermique est effectué pendant 2 jours a 50 C. 12.- Procédé suivant la revendication 9, caractérisé en ce que le mûrissement à température ambiante dure au plus 5 jours. 13. Procédé suivant la revendication 9, caractérisé en ce que l'étuvage sec s'effectue à une température comprise entre 205 et 210C.