Brevet FR2707625A1 — publié le 19950120

L'invention concerne un mélange pour béton, à malaxer avec de l'eau, pour obtenir un béton perfectionné, à usage général, comportant des fibres mais non armé au sens traditionnel du terme, utilisable pour la réalisation de structures précontraintes ou non précontraintes. Les bétons traditionnels ont un squelette granulaire formé des trois phases suivantes: - le ciment qui constitue la phase liante avec une taille de grains comprise entre 1 microns et 100 microns; - le sable avec une taille de grains comprise entre 1 et 4 mm: - les granulats ou graviers de grosseur comprise entre 5 et 20 mm ou entre 5 et 25 mm. Les bétons de fibres métalliques traditionnels comportent des fibres en acier dont la longueur est comprise entre 30 et 60 mm. La longueur maximale des fibres pouvant être utilisées est limitée d'une part par les possibilités de malaxage sans dégradation excessive et d'autre part par les nécessités du coulage du béton (mise en place et vibration). Les fibres métalliques lisses sont ancrées dans le béton par adhérence. Pour assurer un bon comportement de la fibre lisse, il importe que le coefficient de forme égal au quotient de la longueur par le diamètre de la fibre soit compris entre 50 et 100. Ce coefficient de forme optimal peut être réduit lorsque l'ancrage de la fibre est amélioré par une modification de sa géométrie : ondulations, crochets aux extrémités, crénelages, etc... Les dosages de fibres utilisés dans les bétons de fibres traditionnels varient de 30 kg/m3 à 150 kg /m3 ; ils sont généralement compris entre 40 kg/m3 et 80 kg/m 3, ce qui correspond à un pourcentage en volume compris entre 0,5 % et 1 %. La longueur L des fibres, est généralement comprise entre 30 mm et 60 mm, tandis que le diamètre D des plus gros granulats, est généralement compris entre 20 et 25 mm, en sorte que le rapport R = L/D est compris entre 1,2 et 3,0. Dans le béton traditionnel l'interface entre les granulats et la pâte de ciment durci constitue une zone de faible résistance du fait de sa plus grande porosité (auréole de transition). Cet interface est également le siège de contraintes locales dues à l'anisotropie de comportement entre le granulat et la pâte. Dans le cas d'une traction d'ensemble exercée sur le béton les granulats ne peuvent rester liés les uns aux autres que s'il existe des attaches résistant à la traction et ayant une longueur de développement au moins égale à environ dix fois la taille du plus gros granulat. Le rapport R étant au maximum de 3.0, les fibres ne peuvent lier efficacement les granulats les uns aux autres. Cela est confirmé par le fait que rajout de fibres métalliques dans le béton traditionnel n'améliore que faiblement la résistance à la traction du béton. Cette amélioration est de quelques pour cent pour les dosages en fibres usuels de 0,5 à 1 % en volume. Les fibres métalliques utilisées dans les bétons qui ne comportent pas d'armatures traditionnelles ne permettent pas d'éviter la fissuration du béton, elles permettent seulement de la répartir, c'est-à-dire que l'on a un grand nombre de micro-fissures cousues par les fibres au lieu de fissures moins nombreuses mais plus larges. En conséquence, l'utilisation des bétons de fibres métalliques sans armature passive traditionnelle est limitée aux deux domaines suivants - béton de dallage - bétons projetés. Les bétons dits de structure soumis à des efforts mécaniques importants comportent toujours des armatures passives traditionnelles. Un but de Invention est d'obtenir un béton de fibres métalliques sans armature passive traditionnelle ayant une résistance à la traction au moins comprise dans la gamme environ 30 MPa à environ 60 MPa. Un autre but de l'invention est d'obtenir un béton de fibres métalliques ayant une énergie de fracturation au moins comprise dans la gamme environ 10 000 à environ 40 000 J/ni?. Un but de l'invention est également d'obtenir un béton de fibres métalliques ayant une résistance à la compression au moins comprise dans la gamme environ 150 à environ 250 MPa. Le béton de l'invention s'obtient en malaxant avec de l'eau un mélange essentiellement constitué de ciment, d'éléments granulaires, d'éléments fins à réaction pouzzolanique, de fibres métalliques, éventuellement d'adjuvants, caractérisé en ce que les éléments granulaires prépondérants ont une grosseur de grain maximale D au plus égale à 800 microns, en ce que les fibres métalliques prépondantes ont une longueur individuelle 1 comprise dans la gamme 4 mm - 20 mm et en ce que le rapport R entre la longueur moyenne L des fibres et ladite grosseur maximale D des éléments granulaires est au moins égal à 10. Par l'expression "éléments granulaires prépondérants", on désigne les éléments granulaires qui représentent au moins 90 %, de ;préférence au moins 95 %, ou encore mieux au moins 98 %, de la masse totale des éléments granulaires. Par l'expression "fibres métalliques prépondérantes", on désigne les fibres métalliques qui représentent au moins 90 %, de préférence au moins 95 %, ou encore mieux au moins 98 %, de la masse totale des fibres métalliques. Idéalement, les éléments granulaires prépondérants constituent la totalité des éléments granulaires et les fibres métalliques prépondérantes constituent la totalité des fibres métalliques. Dans des modes de réalisation particulièrement avantageux: - D est au plus égal à 600 microns, ou mieux à 400 microns, (des grosseurs de 800, 600 et 400 microns correspondant respectivement à des équivalents tamis de 30, 29 et 27 de la série AFNOR NFX 11-501 - l est compris dans la gamme 8 - 16 mm, ou mieux dans la gamme 10 - 14 mu; - les fibres métalliques prépondérantes ont un diamètre compris dans la gamme 80 - 500 microns, ou mieux 100 - 200 microns. Dans un exemple typique, les granulats du mélange pour béton ont un diamètre au plus égal à 400 microns et les fibres métalliques ont une longueur supérieure à12 mm, ce qui donne un rapport R= 30. Le comportement de la fibre de longueur 12 mm dans la matrice en béton de poudre réactive est analogue au comportement d'une armature lisse traditionnelle d'une longueur de 30 x 12 = 360 mm. Le fonctionnement mécanique du béton de rinvention est donc identique, à un effet d'échelle près, au fonctionnement mécanique du béton. armé traditionnel comportant des armatures traditionnelles de longueur 360 mm. Alors que les bétons de fibres traditionnels sans armatures ne peuvent pas être utilisés comme bétons de structure, c'est-à-dire pour la fabrication de poutres, de poteaux et de dalles, le béton de l'invention "micro-armé" constitue au contraire un nouveau matériau utilisable pour de telles applications. Dans une réalisation préférée, le mélange pour béton comprend pour 100 parties en poids de ciment, 60 à 150 (ou mieux 80 à 130) parties en poids de sable fin ayant une grosseur de grains moyenne de 150 à 400 microns, 10 à 40 (ou mieux 20 à 30) parties en poids de silice amorphe ayant une grosseur de grains inférieure à 0,5 microns, 10 à 80 (ou mieux 15 à 40) parties en poids de fibres métalliques ayant une longueur moyenne comprise entre 10 et 14 mm, et des adjuvants éventuels, et il est malaxé avec 10 à 24, de préférence 13 à 20, parties en poids d'eau. Exemple On malaxe avec environ 16 parties en poids d'eau un mélange essentiellement constitué d'environ 100 parties en poids de ciment Portland, environ 110 parties en poids de sable fin de granulométrie inférieure à 400 microns, environ 25 parties en poids de silice amorphe de granulométrie inférieure à 0,5 micron, d'environ 1,8 parties en poids de superplastliiant (extrait sec) et environ 20 parties en poids de fibres d'acier longues de 13 mm et ayant un diamètre de 175 microns. Le tableau ci-après donne des exemples comparatifs des caractéristiques du béton de l'invention et d'autres bétons. RESISTANCE A LA ENERGIE RESISTANCE A LA TRACTION PAR FRACTURATION COMPRESSION FLEXION 3 POINTS Bétons traditionnels B25 à B 40 2MPa à 3 MPa 90 à 120 J/m2 25 à 40 MPa Béton à hautes et très hautes performances 4MPa à 5 MPa 120 à 150 J/m2 50 à 100 MPa Matrice du béton à poudres réactives 16 MPa à 20 MPa 80 à 100 J/m2 180 à 290 MPa Béton selon Invention 30 MPa à 60 MPa 10000 à 40000 J/ m2 150 à 250 MPa I On prépare le béton de l'invention en mélangeant les constituants solides et de l'eau, de façon en soi connue. De préférence, le béton obtenu est soumis à une cuisson à une température comprise entre l'ambiante et 100"C, notamment une cuisson entre 60 et 100"C, de préférence à une température de l'ordre de 90"C. La durée de la cuisson est de préférence comprise entre seize heures et quatre jours avec une durée optimale de l'ordre de deux jours, au moins un jour après le début de la prise du mélange. La cuisson est réalisée en ambiance sèche ou humide ou suivant des cycles faisant alterner les deux ambiances, par exemple vingt quatre heures de cuisson en ambiance humide, suivi de vingt quatre heures de cuisson en ambiance sèche. On met en oeuvre cette cuisson sur des bétons âgés d'au moins un jour, de préférence âgés d'au moins sept jours environ. L'invention n'est pas limitée à l'utilisation d'un super plastifiant particulier mais on donne la préférence au super plastifiant de type polyacrylate sur les superplastiflants de types mélamine et naphtalène. On utilise de préférence 0,5 à 3,0, ou mieux 1,2 à 2,5 parties en poids de superplastiflant (extrait sec). La silice utilisée est de préférence une fumée de silice provenant de l'industrie du zirconium plutôt qu'une fumée de silice provenant de l'industrie du silicium. La figure 1 schématise le mode de fonctionnement des fibres métalliques dans le béton de l'invention, comparé à celui des armatures passives traditionnelles: - la fig. 1A est un schéma d'une fibre de longueur L = 60 mm entourée de granulats de diamètre maximalD = 25 mm, le rapport R = L/Dmax= 2,4 et la fig. 1 B est un schéma (à échelle différente) d'une fibre métallique entourée de granulats dans un béton selon l'invention avec L = 12 mm et DmaX= 0,4 mu. La figure 2 représente les résultats obtenus lors d'essais de flexion trois points effectués sur éprouvettes entaillées 4x 4 x 16 cm. Les énergies de fracturation GF sont proportionnelles aux aires délimitées sous les courbes de comportement. On calcule que l'énergie de fracturation du béton de l'invention est 270 fois supérieure à celle du mortier traditionnel de référence. REVENDICATIONS 1. Mélange pour béton, essentiellement constitué de ciment, d' éléments granulaires, d'éléments fins à réaction pouzzolanique, de fibres métalliques, éventuellement d' adjuvants, à malaxer avec de l'eau, caractérisé en ce que les éléments granulaires prépondérants ont une grosseur de grain maximale D au plus égale à 800 microns, en ce que les fibres métalliques prépondérantes ont une longueur individuelle l comprise dans la gamme 4 mm - 20 mm et en ce que le rapport R entre la longueur moyenne L des fibres et ladite grosseur maximale D des éléments granulaires est au moins égal àl0. 2. Mélange pour béton selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite grosseur maximale D est au plus égale à 600 microns. 3. Mélange pour béton selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite grosseur maximale D est au plus égale à 400 microns. 4. Mélange pour béton selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite longueur individuelle est comprise dans lagamme 8-16mm, 5. Mélange pour béton selon la revendication précédente caractérisé en ce que i est compris dans la gamme 10 - 14 mm. 6. Mélange pour béton selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que les fibres métalliques prépondérantes ont un diamètre compris entre 80 et 500 microns. 7. Mélange pour béton selon la revendication précédente caractérisé en ce que les fibres métalliques ont un diamètre moyen compris entre 100 et 200 microns. 8. Mélange pour béton selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la grosseur maximale des éléments granulaires prépondérants est au plus égale à 500 microns et en ce que les fibres métalliques prépondérantes ont une longueur supérieure à 10 mm. 9. Mélange pour béton selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit rapport R est au moins égal à 20. 10. Mélange selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend, pour 100 parties en poids de ciment, 60 à 150 parties en poids de sable fin ayant une grosseur de grain moyenne compris entre 150 et 400 microns, 10 à 40 parties en poids de silice amorphe ayant une grosseur de grain moyenne inférieure à 0,5 microns et 10 à 80 parties en poids de fibres métalliques ayant une longueur moyenne comprise entre 10 et 14 mm, et des adjuvants éventuels. 11. Mélange pour béton selon la revendication 10 caractérisé en ce qu'il comporte 0,5 à 3,2 parties en poids de plastifiant. 12. Mélange pour béton selon la revendication 10 ou 1 1 caractérisé en ce qu'il est malaxé avec 10 à 24 parties en poids d'eau. 13. Mélange pour béton selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comporte, pour 100 parties en poids de ciment, 80 à 130 parties en poids de sable fin ayant une grosseur de grains en moyenne comprise dans la gamme 150 - 400 microns, 20 à 30 parties en poids de silice amorphe ayant en moyenne une grosseur de grains inférieure à 0,5 microns et 15 à 40 parties en poids de fibres métalliques ayant une longueur moyenne comprise entre 10 et 14 mm, et des adjuvants éventuels. 14. Mélange pour béton selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comporte 1,2 à 2,5 parties en poids de plastifiant. 15. Mélange pour béton selon l'une des revendications 13 ou 14, caractérisé en ce qu'il est malaxé avec 13 à 20 parties en poids d'eau. 16. Mélange pour béton selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le ciment du mélange est un ciment Portland. 17. Béton obtenu par malaxage d'un mélange selon l'une des revendications précédentes. 18. Béton selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il a été étuvé à une température comprise entre 60 et 100 C pendant une période de temps comprise entre seize heures et quatre jours, au moins un jour après le début de la prise.