CA2275738A1

CA2275738A1 - Double inclusion mutlilayer cement composite

Info

Publication number: CA2275738A1
Application number: CA 2275738
Authority: CA
Inventors: Dannys Breton; Richard Cantin
Original assignee: BETFLEX INC.
Current assignee: BETFLEX Inc
Priority date: 1999-06-28
Filing date: 1999-06-28
Publication date: 2000-12-28

Description

S ANTÉCÉDENTS DE L'INVENTION
La présente invention relève du domaine des matériaux cimentaires renforcés de fibres, et plus particulièrement, de membranes de fibres non-tissées. Cette invention peut être utilisée sous la forme de panneaux de construction, de tuyaux et poteaux, de tabliers de ponts, de fondation de routes, de réparations d'ouvrages en béton et plusieurs autres.
La technologie consistant à fournir une certaine ductilité à une matrice cimentaire, par l'intermédiaire de l'ajout de fibres ductiles,' est connue depuis déjà un certain temps. Au cours des années, trois méthodes principales ont été
développées pour procéder à l'inclusion des fibres.
Selon la première, des fibres discontinues sont ajoutées au matériau cimentaire lors du malaxage et s'orientent de façon aléatoire selon les trois directions principales à l'intérieur de la matrice durcie. La deuxième méthode de renforcement consiste plutôt à couler un matériau cimentaire sur des fibres alignées préférentiellement à la direction de chargement. Une troisième méthode a aussi été
développée et constitue en quelque sorte ùn compromis entre les deux premières. Cette méthode consiste à imbiber de matériau cimentaire un enchevêtrement de fibres alignées aléatoirement dans les trois directions. Ces fibres peuvent se présenter sous la forme de fibres discrètes entassées à l'intérieur d'un moule ou encore d'une membrane de fibres non-tissées comportant des fibres alignées aléatoirement selon les trois directions.
Chacune de ces méthodes comporte des avantages et des inconvénients. La première méthode permet d'obtenir une plus grande ductilité, étant donné que les fibres ont la possibilité d'être arrachées hors ~
la matrice avant de se rompre, mais fait aussi en sorte qû une grande partie d'entre elles sont mal utilisées parce que mal orientées par rapport à la 4S direction de la charge. De plus l'introduction de fibres lors du malaxage peut comporter certains inconvénients (dont le principal est une perte plus ou moins importante de maniabilité) et le dosage du mélange cimentaire doit être effectué
SO soigneusement. Par ailleurs, l'utilisation de fibres alignées préférentiellement, sous forme de treillis ou de filaments, permet d'accroître la résistance en reprenant (es efforts après la rupture de la matrice cimentaire. Cependant, étant donné que les fibres ne 55 peuvent être arrachées hors de la matrice, elles se rompent lorsque étirées. Cela fait en sorte que la ductilité de ces composites est inférieure et leur rupture peut être relativement fragile. La troisième méthode comporte sensiblement les mêmes 60 avantages et inconvénients que (addition des fibres dans le mélange à l'exception près que le malaxage n'est pas affecté, si ce n'est que la viscosité du coulis doit être suffisamment faible pour Iui permettre d'infiltrer Ia porosité des fibres.
65 Ces trois méthodes ont été étudiées de façon intensive dans les milieux de recherche universitaires et privés du monde entier et certaines variantes précises de composites cimentaires armés de fibres ont été--brevetées. Parmi celles-ci, nous 70 décrirôtis ici celles se rapprochant le plus de la structure revendiquée. ' Currie et colt. (US
4,578,301) décrivent une structure composée d'un empilement de textile à mailles à (intérieur d'une matrice cimentaire. Shupack (LJS 4,617,219) décrit 75 unè structure composée d'une membrane non-tissée constituée dé fibres, pour la plupart continues et brientées aléatoirement dans les trois directions, imbibée sur toute son épaisseur de matériel cimentaire frais. Il revendique aussi une structure ô0 composée de plusieurs couches d'un tel matériel séparées ou non par des couches de matériau cimentaire. Enfin, Nicholls (US 4,778,718), propose une structure composée de membrane non-tissée de même nature que celle proposée par 85 Shupack, imbibée de matériau cimentaire et pourvue d'un film organique continu sur au moins Tune de ses faces. Dans ce dernier cas, le ciment est ajouté à l'état sec à l'intérieur de la membrane et de l'eau est pulvérisée par la suite pour obtenir une 90 matrice dure après mûrissement. Ce brevet n'inclut pas la fabrication de mufti-couches.
II sera démontré dans les sections suivantes que la présente invention, par l'introduction d'une troisième composante à l'intérieur d'une membrane 95 non-tissée, permet d'obtenir des propriétés supérieures à plusieurs points de vue et comporte un champ d'applications beaucoup plus vaste que ce que permettait la technologie antérieure. De plus, l'utilisation de membranes non-tissées dans un I00 contexte de couches superposées, plutôt que sous la forme de structures purement tri-dimensionnelle, améliore le comportement mécanique en augmentant la proportion de fibres alignées dans la bonne direction. La structure proposée ici pourrait I05 être utilisée dans l'une de ses versions comme panneaux de construction démontrant des propriétés mécaniques similaires à celles du contreplaqué. Ces panneaux démontrent une bonne résistance à la flexion et aux impacts en plus d'une durabilité supérieure. Tout dépendant des propriétés S des trois composantes principales, les panneaux pour aient être utilisés entre autres comme éléments porteurs de plancher, coupe-feu, isolants acoustiques, isolants thermiques, recouvrements ~
murs et de toitures, protection contre les impacts...
IO Le matériau peut aussi être utilisé pour la fabrication de poteaux, tuyaux, tabliers de ponts, réparation d'ouvrages de béton, etc.
15 PRÉSENTATION GÉNÉRALE DE
L'INVENTION
L'invention consiste à la base en une structure mufti-couches, à base de matériaux cimentaires, 20 faisant intervenir trois composantes selon un procédé de double inclusion. La première inclusion consiste à imbiber une membrane de fibres non-tissées d'un matériel de remplissage (organique ou non) de façon à occuper la porosité interne de la 25 membrane. La deuxième étape consiste à inclure ces couches de membrane à l'intérieur d'une matrice cimentaire. Les couches fibreuses et cimentaire peuvent par la suite être pressées l'une contre l'autre de façon à obtenir une épaisseur déterminée. C'est 30 l'introduction d'une troisième composante à
l'intérieur de la porosité d'une membrane non-tissée, elle-même incluse dans une matrice cimentaire, qui distingue Ia présente invention des autres structures proposées par le passé. Ces dernières faisaient 35 intervenir un système à deux composantes constitué
d'une matrice cimentaire renforcée de fibres orientées de façon plus ou moins aléatoire. Dans le cas présent, la membrane non-tissée sert de support à un produit permettant de conférer à l'ensemble de 40 la structure certaines propriétés intéressantes. La matrice cimentaire elle-même est renforcée par les couches de membrane de façon bi-dimensionnelle puisque les interfaces fibre-matrice sont situées sur les bordures externes des couches de membrane non-45 tissée. L'utilisation de l'espace interne de la membrane non-tissée par un autre produit qû un matériau cimentaire offre beaucoup de possibilités qu'un système à deux composantes fibre-ciment seul ne peut permettre.
50 L'inclusion d'un produit à l'intérieur de la porosité de la membrane non-tissée a pour effet direct d'entraîner une séparation des couches matériau cimentaire et des couches de membrane.

Ce procédé offre la possibilité d'obtenir des 55 capacités isolantes, acoustiques et thermiques, supérieures puisque la progression des fronts c~
chaleur et des ondes sonores peut être freinée davantage en passant à travers les différentes couches de la structure hétérogène proposée qu'à
60 travers un milieu continu. Si un matériel dr remplissage approprié est utilisé, la structure hétérogène permet aussi d'obtenir une résistance aux impacts supérieure en permettant d'amortir l'énergie à l'intérieur des couches de membrane. Le procédé
65 d'imprégnation des membranes permet aussi ~;
séparer distinctement les couches agissant en tension_,(essentiellément constituées par les fibres) et .en compression (essentiellement constituées par la matrice cimentaires), ce qui offre la possibilité
70 d'obtenir une déformabilité très élevée, une forte résistance à la flexion ou ~un compromis entre les deux selon la composition de chacune des deux zones. Ce procédé permet aussi de renforcer spécifiquement les zones agissant en flexion et en 75 compression en faisant varier l'épaisseur et/ou la composition des couches cimentaires et fibreuses.
Enfin, le fait d'utiliser la porosité interne de la membrane pour l'imprégnation d'un produit léger permet de réduire de façon appréciable le poids du 80 composite par rapport à un béton conventionnel.
L'utilisation de fibres et de granulat légers peut aussi contribuer à réduire le poids davantage.
L'invention, lorsqû elle se présente sous la forme de panneaux, peut être conçue de façon à démontrer 8S des propriétés voisines de celles du contreplaqué.
Comme le bois, les panneaux peuvent être sciés, vissés, cloués, percés et meulés. De plus, en dépit du fait qu'ils soient à base de ciment, la très forte teneur en fibres de ces panneaux leur permet d'être 90 percés près des bordures et des coins sans provoquer d'éclatement. Ils offrent aussi l'avantage d'être beaucoup plus durables que le bois et peuvent être très fortement courbés avant la rupture. Ce matériau, qui constitue un compromis entre le bois 95 et le béton, peut donc comporter de nombreuses applications dans le domaine de la construction.
L'utilisation de membrane fibreuse non-tissée fabriquée par aiguilletage permet l'obtention d'un motif qui se répercute à la surface du panneau, ce 100 qui lui donne un fini texturé anti-dérapant. De plus, la texture de surface ainsi obtenue favorise l'adhérence des colles et autres adhésifs, ce qui fait de ces panneaux un excellent support pour la pose d'enduits acryliques et de carreaux de céramiques.
105 La versatilité du matériau, qui origine de l'infinité
de combinaisons possibles entre les compositions des trois phases (cimentaire, fibreuse et remplissage) lui permet de prendre plusieurs formes. Parmi celles-ci, on retrouve notamment, en plus des panneaux, la fabrication de poteaux, tuyaux, tabliers de ponts, réparation d'ouvrages de béton existants, ainsi que plusieurs autres. Il est à
noter que (épaisseur du matériau, et donc sa rigidité, peut varier selon le nombre et l'épaisseur des couches superposées. De cette façon, il est même possible de générer plusieurs applications différentes à partir d'une seule combinaison matrice-fibre-remplissage.
L'invention peut être fabriquée relativement facilement à partir d'un procédé en continu. Dans le cas de la fabrication de panneaux, par exemple, oe procédé implique l'enroulement, sur un cylindre, dr , la membrane imbibée du matériel de remplissage et recouverte de matériau cimentaire, suivi de son déroulement. Ce procédé permet de produire en continu des panneaux de toutes les épaisseurs désirées.
BR~VE DESCRIPTION DES FIGURES
La Figure 1 illustre la membrane non-tissée imbibée du matériel de remplissage.
La Figure 2 montre l'inclusion de la membrane non-tissée, imbibée du matériel de remplissage, à
(intérieur de la matrice cimentaire.
La Figure 3 schématise la reprise des efforts à
(intérieur du matériau faisant l'objet de la présente demande.
La Figure 4 consiste en une illustration d'un procédé de fabrication en continu de l'invention sous forme de panneau.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE
L'INVENTION
Tel que mentionné plus haut, l'originalité de la présente invention réside dans l'introduction d'une troisième composante à une matrice cimentaire armée de fibres. L'introduction de cette composante à l'intérieur de la structure est réalisée par l'entremise d'un procédé de double inclusion. Le matériel de remplissage est d'abord inclus à travers le réseau poreux d'une membrane fibreuse non-tissée et cette membrane est par la suite elle-même incluse à l'intérieur d'une matrice cimentaire. La structure ainsi produite est hétërogène et est constituée d'une superposition de couches fibreuses et cimentaires. L'addition d'un produit à l'intérieur 55 de la couche fibreuse permet, entre autres, de réduire le poids et d'éviter que les couches de ciment ne soient en contact, ce qui procure certains avantages qui seront discutés en détails un peu plus loin.
La membrane fibreuse utilisée dans le cadre dv 60 l'invention doit être de type non-tissée. Ces membranes sont composées d'un enchevêtrement plus ou moins aléatoire de fibres orientées dans toutes les directions, ce qui donne à ces membranes une porosité relativement élevée. La prësence d'une 65 forte porosité et d'une épaisseur élevée par rapport au diamètre des fibres individuelles permet à la membrane d'emmagasiner une quantité importante de matériel de remplissage, un peu à la manière d'une éponge. .
70 ~ Il varans dire que la composante du renforcement dans la direction de l'épaisseur, même si elle est toujours présente, devient de moins en moins importante au fur et à mesure que l'épaisseur de la membrane décroît, étant donné que les fibres sont de 75 plus en plus orientées en plan. Les valeurs de la résistance transversale et longitudinale de la membrane sont extrêmement importantes puisque ce sont elles qui déterminent en bonne partie la résistance à la flexion de la structure. Comme le 80 matériel de remplissage n'est pas toujours durcissant, la membrane peut souvent être seule à
supporter les efforts de tension après la rupture de la matrice cimentaire. La résistance de la membrane est déterminée par plusieurs facteurs, incluant la 85 nature des fibres, leur quantité par unité de volume à l'intérieur de la membrane, leur degré de mobilité
l'une par rapport à l'autre, leur longueur, etc.
L'utilisation de membrane fibreuse non-tissée fabriquée par aiguilletage permet l'obtention d'un 90 motif qui se reproduit à la surface du panneau, oe qui lui donne un fini texturé anti-dérapant. De plus, la texture de surface ainsi obtenue favorise (adhérence des colles et autres adhésifs, ce qui fait de ces panneaux un excellent support pour la pose 95 d'enduits acryliques et de céramiques.
Les fibres utilisées peuvent être de nature diverse:
verre, carbone, acier, polymères, céramique, amiante et autres. Certains matériaux comme le verre ou le polyester sont instables en milieu l00 alcalin. Dans ce cas, les fibres peuvent être traitées au moyen d'un enduit protecteur, qui fait alors office de matériel de remplissage de la membrane.
La densité en fibres des membranes utilisées à
l'intérieur de la structure peut aussi varier.
.05 Habituellement, une augmentation de la densité
se traduit par une réduction de la mobilité des fibres les unes par rapport aux autres. Lorsque les fibres sont en plus grande quantité, cela augmente leur probabilit d'tre enchevtres de faon plus serre.

La longueur des fibres influence aussi leur degr d~

mobilit. En effet, des fibres longues sont thoriquement moins mobiles lorsqu'elles sont bien enchevtres. Par ailleurs, des fibres longues sont aussi plus difficiles bien enchevtrer. De plus, l'utilisation de fibres courtes permet d'atteindre de plus fortes densits en fibres. videmment, le degr de mobilit des fibres a une influence directe sur la dfo~nabilit et la rsistance de la membrane fibreuse, et par le fait mme, sur le comportement du matriau dans son ensemble. L'paisseur de la membrane non-tisse influence les proprits du matriau de deux, faons diffrentes. Dans un premier temps, une membrane paisse peut entraner la prsence de zones de faiblesse en .

compression en rduisant (espace occup par la matrice cimentaire pour une paisseur de composite donne. Par ailleurs, une membrane trop paisse peut aussi favoriser la formation de zones ~;

faiblesse en cisaillement l'intrieur mme de la membrane.

En vertu des proprits recherches (rsistance -la traction, rsistance au cisaillement, dformabilit, porosit), les proprits des membranes fibreuses doivent tre prises en considration lors de l'laboration d'une composition donne de l'invention. Les proprits requises peuvent tre transmises au fabricant qui peut alors produire sur mesure des membranes fibreuses satisfaisant aux exigences de performance spcifies.

Le matriel de remplissage servant imbiber la membrane peut tre de n'importe quelle nature, organique ou non. Le produit doit occuper suffisamment la porosit interne de la membrane pour viter le contact entre les couches de ciment se trouvant sur les faces externes de l'inclusion fibre-matriel de remplissage. Tout dpendant de sa nature, le produit peut avoir diffrentes utilits et les exemples donns ci-aprs ne doivent pas tre '~, considrs comme limitatifs. Le matriel de remplissage peut servir, par exemple, rduire le poids du matriau composite par rapport un bton conventionnel. L'utilisation de fibres et de granulat lgers peut aussi contribuer rduire le poids davantage. Le produit de remplissage peut par ailleurs servir touffer les flammes dans le cas d'une membrane fibreuse combustible et ainsi rendre incombustible le matriau dans son ensemble. Une autre utilisation potentielle du produit de remplissage est la protection de fibres instables en milieu alcalin comme des fibres de verre et de polyester.

55 Le produit de remplissage peut, si désiré, comporter des propriétés durcissantes qui permettent d'inclure la membrane à (intérieur d'une matrice rigide. Cela permet d'améliorer la résistance à la tension de la membrane et même de lui donner une 60 certaine résistance à la compression. La rigidité du matériel de remplissage a toutefois une influence sur la flexibilité du matérieau. Si les mouvements des fibres individuelles à l'intérieur de la membrane sont trop bloqués, la déformation à la rupture s'en 65 trouvera réduite et le matériau pourra afficher une plus grande résistance mais un comportement plus fragile. Enfin, mentionnons que dans le cas d'une membrane comportant une certaine résistance à la compression, celle-ci ~ peut éventuellement 70 contribùer à réduire les mpuvements de retrait et de gonflement en agissant comme un diaphragme.
Le matériel de remplissage doit occuper une certaine partie de l'espace interne de la membrane fibreuse non-tissée. Dans Ie cas d'un produit sous 75 forme liquide, sa viscosité doit lui permettre ~
pénétrer la porosité de la membrane. Si le produit de remplissage est sous forme d'émulsion, la grosseur des particules doit être suffisamment fine pour pénétrer à travers le réseau poreux de la 80 membrane. Le produit de remplissage n'a pas obligatoirement à imbiber tous les pores de la membrane, du moment qu'il évite le contact entre les couches de ciment se trouvant sur les faces externes de l'inclusion fibre-matériel de 85 remplissage. Cependant, il est préférable, dans le cas où le produit est utilisé pour ses capacités isolantes ou mécaniques, que la plus grande quantité
possible de produit soit contenue à l'intérieur de la membrane.
90 Le matériel de remplissage permet de séparer les couches de ciment les unes des autres. Cela permet d'augmenter la résistance aux impacts par la création de zones plus molles que la matrice cimentaire qui contribuent à dissiper (énergie. Ces 95 zones molles peuvent aussi augmenter la capacité
d'isolation thermique et acoustique du composite. Ä
cet effet, le produit de remplissage peut être sélectionné afin d'améliorer spécifiquement les propriétés d'isolation acoustiques et/ou thermiques.
100 Un autre avantage de la séparation des couches fibreuses et cimentaires est la séparation des couches agissant en tension (essentiellement constituées par les fibres) et en compression (essentiellement constituées par la matrice 105 cimentaires). Il est ainsi possible d'obtenir une déformabilité très élevée, une forte résistance à la flexion ou un compromis entre les deux selon la composition de chacune des deux zones. II est aussi possible, au moyen de ce procd, de renforcer spcifiquement les zones agissant en flexion et en compression en faisant varier l'paisseur et/ou la composition des couches cimentaires et fibreuses.

S Le matriel de remplissage peut tre insr (intrieur de la membrane par trempage ou pulvrisation. Dans le cas d'un produit soluble, il doit tre sch ou glifi de faon ce qu'une quantit suffisante de matriel demeure en place l'intrieur de la membrane lors de l'inclusion (intrieur de la matrice cimentaire.

La matrice dans laquelle est incluse la membrane fibreuse non-tisse peut tre constitue de compositions cimentaires trs varies, tout dpendant des proprits recherches. En plus cb l'eau et du ciment, l composition peut inclure entre autres, des adjuvants de nature diverse (superplastifiant, acclrateur de prise, rducteur d'eau, agent collodal, etc.), des granulats lgers ou conventionnels (sous forme de sable ou de poudre), des micro-fibres et divers ajouts, liants ou non (fume de silice, cendres volantes, laitiers, micro-billes de verre, polymres, etc.). Le rapport massique eau/ciment, gnralement considr comme un indice de la rsistance du bton durci, peut aussi varier afin d'ajuster la rsistance de la pte la valeur dsire. Pour un matriau plus flexible, le rapport eau/ciment peut tre lev alors que pour un matriau plus rsistant et rigide,-cette valeur peut tre plus faible. En gnral, le rapport eau-ciment doit tre infrieur environ 0,55 afin d'obtenir une rsistance adquate mais pour certains types de compositions spciales, cette considration ne s'applique pas.

La latitude permise au niveau de la composition cimentaire permet de fabriquer plusieurs versions du matriau. Des versions ultra-lgres, ultra-rsistantes, ultra-flexibles, prise acclre, sans retrait, ou autres, du matriau peuvent tre dveloppes en faisant intervenir diverses '-, compositions cimentaires.

Lorsque le matriau est press afin de laminer les diffrentes couches de faon parrallle, la porosit de la matrice cimentaire devient trs rduite. Ce phnomne permet d'obtenir des matrices cimentaires trs peu permables et extrmement durables face une multitude de facteurs agressifs (gel-dgel, caillage, raction alcali-silice, attaques chimiques). En fait, la porosit rduite de la matrice rend les transports de substances dltres, de mme que la formation de glace, pratiquement impossibles, ou du moins, extrmement difficiles.

Si on considre les combinaisons possibles en ce qui a trait aux caractristiques de la membrane non-55 tissée, du matériel de remplissage et de la composition cimentaire, il existe une infinité c~
variantes du matériau de base. De plus, il est possible de faire varier la nature des diverses couches à l'intérieur du même matériau. Ainsi, il 60 serait possible d'inclure différents produits de remplissage à différents niveaux à l'intérieur du matériau ou encore de faire varier la composition cimentaire d'une zone à l'autre. Même le type dû
membrane pourrait éventuellement varier d'une 65 couche à (autre. Le point commun de toutes ces variantes demeure un matériau multi-couches laminé à double incluion où les couches de ciment sont séparées par des couches fibreuses imbibées ' par un matériel de remplissage.
70 La Figure I illustre 1â membrane non-tissée imbibée du matériel de remplissage. La structure tri-dimensionnelle de la membrane non-fibreuse lui permet d'agir à la manière d'une éponge en emprisonnant à l'intérieur de son réseau poreux une 75 certaine quantité de matériel de remplissage. Il est à
nôter que la membrane n'a pas à être saturée afin d~
séparer les couches de ciment.
La Figure 2 montre l'inclusion de la membrane non-tissée, imbibée du matériel de remplissage, à
80 l'intérieur de la matrice cimentaire. Cette figure illustre bien le concept multi-couche faisant l'objet de la présente invention. On peut remarquer que les couches cimentaires sont séparées par des couches fibreuses et ne sont pas en contact.
85 La Figure 3 schématise la reprise des efforts à
l'intérieur du matériau faisant l'objet de la présente demande lorsqu'un moment fléchissant constant est appliqué. Il est à noter que pour les besoins de la cause nous avons assumé l'axe neutre au centre dû
90 la section. Les couches cimentaires agissent essentiellement en compression alors que les couches fibreuses agissent essentiellement en tension. Dans certains cas particuliers, comme lorsque les membranes sont imprégnées de produit 95 durcissant, les membranes peuvent aussi avoir une certaine résistance en compression. De la même manière, dans le cas de matériaux cimentaires à très haute-performance, la matrice cimentaire peut démontrer des résistances à la tension assez 100 importantes pour ne pas être négligées.
Sous un effort de flexion, les couches cimentaires dans Ia région supérieure du matériau se retrouvent comprimées alors que les couches fibreuses de la région inférieure sont tendues. L'effort tranchant est I05 surtout repris par les différentes couches et les interfaces. Ä ce propos, il est important que les couches soient les plus minces possible de façon à
éviter la création de zones de faiblesse en cisaillement.. Si les couches de membrane ou dr ciment sont trop épaisses, on risque d'assister à de la fissuration à (intérieur de ces couches. Si on choisit d'utiliser des couches de membranes épaisses, les fibres devront être résistantes et très bien ancrées les unes aux autres afin d'éviter la séparation à l'intérieur de la couche fibreuse. Il est aussi possible de choisir un produit de remplissage perniettant d'aider au blocage des fibres afin d;
reprendre une partie des efforts de cisaillement.
Dans le cas de couches cimentaires épaisses, on devra utiliser une matrice de bonne qualité afin dr s'assurer que celle-ci puisse résister adéquatement aux efforts de cisaillement.
Étant donné que le système proposé est de forme mufti-couche laminé, il est important que le lien entre les couches de matrice et les couches de fibres soit de très bonne qualité afin de ne pas constituer une zone de faiblesse en cisaillement.
L'imprégnation de la membrane doit donc permettre de pouvoir créer un solide lien à l'interface membrane-matrice. ~Ce lien est essentiellement de nature physique alors que la matrice durcie est .
accrochée aux multiples irrégularités de surface de la BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to the field of fiber-reinforced cementitious materials, and more particularly, non-fiber membranes woven. This invention can be used under the form of construction panels, pipes and posts, bridge decks, foundation roads, repairs to concrete structures and several others.
The technology of providing some ductility to a cement matrix, by through the addition of ductile fibers, 'is known for some time. During years three main methods have been developed to include fibers.
According to the first, staple fibers are added to the cementitious material during mixing and orient themselves randomly according to the three main directions inside the matrix hardened. The second method of reinforcement rather consists of pouring a cementitious material on fibers preferentially aligned to the direction loading. A third method was also developed and somehow constitutes ùn compromise between the first two. This method consists of soaking a cementitious material entanglement of randomly aligned fibers in all three directions. These fibers can present in the form of heaped discrete fibers inside a mold or a membrane of non-woven fibers comprising aligned fibers randomly according to the three directions.
Each of these methods has advantages and disadvantages. The first method allows to obtain greater ductility, since fibers can be pulled out ~
the matrix before breaking, but also so that a large part of them are bad used because misdirected compared to the 4S direction of the load. In addition, the introduction of fibers during mixing may include some disadvantages (the main one being a loss more or less maneuverability) and the dosage of cement mixture must be carried out SO carefully. In addition, the use of fibers preferentially aligned, in the form of a trellis or filaments, increases the resistance in taking again (the efforts after the rupture of the matrix cement. However, since the fibers do not 55 can be torn out of the matrix, they are break when stretched. This means that the ductility of these composites is lower and their rupture can be relatively fragile. The third method involves substantially the same 60 advantages and disadvantages that (addition of fibers in the mixture with the exception that mixing is not affected, except that the viscosity of the grout should be low enough for him allow the porosity of the fibers to be infiltrated.
65 These three methods have been studied in a intensive in research environments academics and individuals from around the world and some specific variants of reinforced cement composites fibers have been - patented. Among these, we 70 described here those closest to the claimed structure. 'Currie and colt. (US
4,578,301) describe a structure composed of a stack of textile mesh with (inside a cement matrix. Shupack (LJS 4,617,219) describes 75 a structure composed of a nonwoven membrane made up of fibers, mostly continuous and randomly brientées in the three directions, soaked through its entire thickness of material fresh cement. He also claims a structure ô0 composed of several layers of such material separated or not by layers of material cement. Finally, Nicholls (US 4,778,718), offers a structure composed of non-membrane woven of the same nature as that proposed by 85 Shupack, soaked in cementitious material and provided with a continuous organic film on at least One of its faces. In the latter case, the cement is added dry inside the membrane and the water is sprayed afterwards to obtain a 90 hard matrix after ripening. This patent does not include not the manufacture of mufti-layers.
It will be demonstrated in the following sections that the present invention, by the introduction of a third component inside a membrane 95 non-woven, provides properties from several points of view and includes a much wider field of applications than this that prior technology allowed. Moreover, the use of nonwoven membranes in a I00 context of overlapping layers, rather than under the form of purely three-dimensional structures, improves mechanical behavior by increasing the proportion of fibers aligned in the good direction. The structure proposed here could I05 be used in one of its versions as construction signs showing mechanical properties similar to those of plywood. These panels demonstrate good resistance to bending and impact in more than one superior durability. All depending on the properties S of the three main components, the panels to have been used among other things as elements floor carriers, firebreak, insulation acoustic, thermal insulation, coverings ~
walls and roofs, impact protection ...
IO The material can also be used for the manufacture of posts, pipes, bridge decks, repair of concrete structures, etc.

THE INVENTION
The invention basically consists of a structure mufti-layers, based on cementitious materials, 20 involving three components according to a double inclusion process. The first inclusion consists of soaking a membrane of fibers woven with filling material (organic or no) so as to occupy the internal porosity of the 25 membrane. The second step is to include these layers of membrane inside a matrix cement. The fibrous and cement layers can then be pressed against each other so as to obtain a determined thickness. It is 30 the introduction of a third component to inside the porosity of a nonwoven membrane, itself included in a cement matrix, which distinguishes the present invention from other structures proposed in the past. These were 35 intervene a two-component system consisting a cementitious matrix reinforced with fibers more or less randomly oriented. In the in this case, the nonwoven membrane serves as a support to a product that gives all of 40 the structure some interesting properties. The cement matrix itself is reinforced by two-dimensional membrane layers since the fiber-matrix interfaces are located on the outer edges of the non-membrane layers 45 woven. The use of the internal space of the non-woven membrane with another product cementitious material offers many possibilities than a two-component fiber-cement system alone cannot allow.
50 The inclusion of a product within the porosity of the nonwoven membrane has the effect direct cause separation of the layers cementitious material and membrane layers.

This process offers the possibility of obtaining 55 insulating, acoustic and thermal capacities, higher since the progression of the fronts c ~
heat and sound waves can be curbed more by going through the different layers of the proposed heterogeneous structure that 60 through a continuous medium. If a material dr suitable filling is used, the structure heterogeneous also provides resistance to superior impacts by absorbing energy inside the membrane layers. The process 65 membrane impregnation also allows ~;
distinctly separate the layers acting in tension _, (mainly consisting of fibers) and. in compression (essentially constituted by cement matrix), which offers the possibility 70 to obtain very high deformability, high flexural strength or ~ a compromise between two according to the composition of each of the two zones. This process also makes it possible to strengthen specifically the areas acting in flexion and 75 compression by varying the thickness and / or the composition of cement and fibrous layers.
Finally, using the internal porosity of the membrane for impregnating a light product allows to significantly reduce the weight of the 80 composite compared to conventional concrete.
The use of light fibers and aggregate can also help reduce weight further.
The invention, when it takes the form of panels, can be designed to demonstrate 8S properties similar to those of plywood.
Like wood, panels can be sawn, screwed, nailed, drilled and ground. In addition, despite because they are cement-based, the very strong fiber content of these panels allows them to be 90 drilled near edges and corners without causing bursting. They also offer the advantage of being much more durable than wood and can be very strongly curved before breaking. This material, which is a compromise between wood 95 and concrete, can therefore include many construction applications.
The use of nonwoven fibrous membrane manufactured by needling allows obtaining a pattern which is reflected on the surface of the panel, this 100 which gives it a textured non-slip finish. Moreover, the surface texture thus obtained promotes adhesion of glues and other adhesives, which makes of these panels an excellent support for laying acrylic coatings and ceramic tiles.
105 The versatility of the material, which originates from infinity of possible combinations between the compositions of the three phases (cement, fibrous and filling) allows him to take multiple shapes. Among these, we find in particular, in plus panels, pole making, pipes, bridge decks, repair of works of existing concrete, as well as several others. He is at note that (thickness of the material, and therefore its stiffness, may vary depending on number and thickness overlapping layers. In this way, it is even possible to generate multiple applications different from a single matrix- combination fiber-filling.
The invention can be produced relatively easily from a continuous process. In the case of the manufacture of panels, for example, oe process involves winding, on a cylinder, dr, the membrane soaked in the filling material and covered with cementitious material, followed by its unfolding. This process makes it possible to produce in continuous panels of all thicknesses desired.
BR ~ VE DESCRIPTION OF THE FIGURES
Figure 1 illustrates the nonwoven membrane soaked in filling material.
Figure 2 shows the inclusion of the membrane nonwoven, soaked in filling material, to (inside the cement matrix.
Figure 3 shows the resumption of efforts to (interior of the material covered by this request.
Figure 4 is an illustration of a continuous manufacturing process of the invention in the form of a panel.
DETAILED DESCRIPTION OF
THE INVENTION
As mentioned above, the originality of the present invention lies in the introduction of a third component to a cement matrix army of fibers. The introduction of this component inside the structure is achieved by through a double inclusion process. The filling material is first included through the porous network of a non-fibrous membrane woven and this membrane is thereafter itself included inside a cement matrix. The structure thus produced is heterogeneous and is consisting of a superposition of fibrous layers and cement. Addition of a product inside 55 of the fibrous layer makes it possible, among other things, to reduce the weight and to prevent the cement layers from are in contact, which provides some benefits which will be discussed in detail later.
The fibrous membrane used in dv The invention must be of the non-woven type. These membranes are made up of a tangle more or less random fibers oriented in all directions, which gives these membranes relatively high porosity. The presence of a 65 high porosity and high thickness compared to the diameter of the individual fibers allows the membrane to store a significant amount filling material, a little in the way a sponge. .
70 ~ They say that the reinforcement component in the direction of the thickness, even if it is always present, becomes less and less important as the thickness of the membrane decreases, since the fibers are 75 more and more oriented in plan. The values of the transverse and longitudinal resistance of the membrane are extremely important since they are the ones that largely determine the resistance to bending of the structure. As the 80 filling material is not always hardening, the membrane can often be alone withstand the tension forces after the breaking of the cement matrix. The resistance of the membrane is determined by several factors, including the 85 nature of fibers, their quantity per unit volume inside the membrane, their degree of mobility relative to each other, their length, etc.
The use of nonwoven fibrous membrane manufactured by needling allows obtaining a 90 pattern that reproduces on the surface of the panel, oe which gives it a textured non-slip finish. Moreover, the surface texture thus obtained promotes (adhesion of glues and other adhesives, which makes of these panels an excellent support for laying 95 of acrylic and ceramic coatings.
The fibers used can be of various types:
glass, carbon, steel, polymers, ceramics, asbestos and others. Some materials like glass or polyester are unstable in the middle l00 alkaline. In this case, the fibers can be treated by means of a protective coating, which then diaphragm filling material office.
The fiber density of the membranes used at the interior of the structure may also vary.
.05 Usually an increase in density results in reduced fiber mobility relative to each other. When the fibers are in greater quantity, this increases their probability of being tangled more tightly.

The length of the fibers also influences their degree d ~

mobility. Indeed, long fibers are less mobile when properly tangles. In addition, long fibers are also more difficult well entangle. Moreover, the use of short fibers makes it possible to reach of higher fiber densities. obviously the degree of fiber mobility has a direct influence on the dfo ~ nability and resistance of the membrane fibrous, and by the same token, on behavior material as a whole. The thickness of the non-woven membrane influences the properties of the material of two, different ways. In one first, a thick membrane can cause the presence of areas of weakness in.

compression by reducing (space occupied by the cement matrix for composite thickness given. In addition, a too thick membrane can also favor the formation of zones ~;

weakness in shear even inside the membrane.

By virtue of the properties sought (resistance -tensile, shear strength, deformability, porosity), the properties of fibrous membranes should be taken into consideration when developing a composition gives invention. The properties can be sent to the manufacturer who can then custom produce membranes fibers meeting performance requirements specified.

The filling material used to soak the membrane can be of any kind, organic or not. The product must occupy enough internal porosity of the membrane to avoid contact between layers of cement is found on the outer faces of the inclusion fiber-filling material. All depending on his nature, the product can have different uses and the examples given below should not be '~, considered to be limiting. The material of filling can be used, for example, to reduce the weight of the composite material compared to a concrete conventional. The use of fiber and aggregate Light weight can also help reduce weight more. The filling product can by elsewhere serve tuft the flames in the case of a combustible fibrous membrane and so make the material incombustible in its together. Another potential use of filler is fiber protection unstable in alkaline media such as glass and polyester.

55 The filling product can, if desired, have hardening properties that allow to include the membrane at (inside a matrix rigid. This improves resistance to membrane tension and even give it a 60 certain resistance to compression. The rigidity of the filling material has an influence on the flexibility of the material. If the movements individual fibers inside the membrane are too blocked, the deformation at break 65 will find reduced and the material may display a greater resistance but more behavior brittle. Finally, note that in the case of a membrane with some resistance to compression, this one ~ can possibly 70 contribute to reducing the withdrawal and swelling by acting as a diaphragm.
The filling material must occupy a certain part of the internal space of the membrane non-woven fibrous. In the case of a product under 75 liquid form, its viscosity should allow it ~
penetrate the porosity of the membrane. If the product filling is in the form of an emulsion, the particle size must be sufficiently fine to penetrate through the porous network of the 80 membrane. The filler has not necessarily to soak all the pores of the membrane, as long as it avoids contact between the layers of cement on the faces fiber-material inclusion external 85 filling. However, it is preferable, in the when the product is used for its capabilities insulating or mechanical, that the greatest amount possible product is contained inside the membrane.
90 The filling material separates the layers of cement from each other. This allows increase resistance to impact by creation of softer areas than the matrix which help to dissipate (energy. These 95 soft areas can also increase capacity thermal and acoustic insulation of the composite. AT
For this purpose, the filling product can be selected to specifically improve the acoustic and / or thermal insulation properties.
100 Another advantage of the separation of the layers fibrous and cementitious is the separation of layers acting in tension (essentially fibers) and in compression (essentially constituted by the matrix 105 cement manufacturers). It is thus possible to obtain a very high deformability, high resistance to bending or a compromise between the two depending on the composition of each of the two zones. He is also possible, through this process, to strengthen specifically the areas acting in flexion and in compression by varying the thickness and / or the composition of cement and fibrous layers.

S The filling material can be inserted (interior of the membrane by soaking or spraying. In the case of a soluble product, he must be dried or polished so that a sufficient quantity of material remains in place the interior of the membrane upon inclusion (inside of the cement matrix.

The matrix in which the membrane is included non-woven fiber can be made of very varied cementitious compositions, all depending on the properties searched. In addition cb water and cement, the composition may include among others, various adjuvants (superplasticizer, setting accelerator, reducer water, collodal agent, etc.), light aggregates or conventional (in the form of sand or powder), micro-fibers and various additions, binders or not (silica smoke, fly ash, dairy, micro-glass beads, polymers, etc.). The report water / cement mass, generally considered as an index of the strength of hardened concrete, may also vary to adjust the resistance of the paste the desired value. For more material flexible, the water / cement ratio can be high then than for a more resistant and rigid material, value may be lower. In general, the report water-cement should be less than about 0.55 in order to to obtain adequate resistance but for some types of special compositions, this consideration Not Applicable.

The latitude allowed at the composition level cement makes it possible to manufacture several versions of material. Ultra-light, ultra-resistant, ultra-flexible, accelerated grip, without removal, or the like, of the material may be developed using various '-, cementitious compositions.

When the material is pressed in order to laminate the different layers in parallel, the porosity of the cement matrix becomes very reduced. This phenomenon allows to obtain matrices very little permeable and extremely cementitious durable faced with a multitude of aggressive factors (gel-freezing, curdling, alkali-silica reaction, attacks chemicals). In fact, the reduced porosity of the matrix makes transport of deleterious substances similarly that ice formation, practically impossible, or at least extremely difficult.

If we consider the possible combinations in this which relates to the characteristics of the membrane no-55 woven, filling material and cement composition, there are infinitely many c ~
variants of the base material. In addition, it is possible to vary the nature of the various layers inside the same material. So, he 60 would be possible to include different products from filling at different levels inside the material or to vary the composition cement from one area to another. Even the type due membrane could possibly vary from 65 layer at (other. The common point of all these variants remains a multi-layered material laminated with double inclusion where the layers of cement are separated by soaked fibrous layers 'by filling material.
70 Figure I illustrates the nonwoven membrane soaked in filling material. The structure three-dimensional non-fibrous membrane him allows to act like a sponge in trapping inside its porous network a 75 certain amount of filling material. He is at note that the membrane does not have to be saturated in order to ~
separate the layers of cement.
Figure 2 shows the inclusion of the membrane nonwoven, soaked in filling material, to 80 inside the cement matrix. This figure illustrates well the multi-layer concept which is the subject of the present invention. We can notice that the cement layers are separated by layers fibrous and are not in contact.
85 Figure 3 shows schematically the resumption of efforts to the interior of the material covered by this asks when a constant bending moment is applied. It should be noted that for the needs of the cause we assumed the neutral axis at the center due 90 section. The cement layers act essentially in compression while the fibrous layers basically act in voltage. In some special cases, such as when the membranes are impregnated with product 95 hardening, the membranes can also have a some compressive strength. Of the same way, in the case of cementitious materials with very high performance, the cement matrix can demonstrate enough voltage resistances 100 important not to be overlooked.
Under a bending force, the cement layers in the upper region of the material are found compressed while the fibrous layers of the lower region are stretched. The shearing effort is I05 especially taken up by the different layers and interfaces. In this regard, it is important that layers are as thin as possible so that avoid the creation of zones of weakness by shear .. If the membrane layers or dr cement are too thick, there is a risk of cracking inside these layers. If we chooses to use layers of membranes thick, the fibers should be strong and very well anchored to each other to avoid the separation inside the fibrous layer. It is also possible to choose a filling product helping to block the fibers in order to;
resume some of the shear forces.
In the case of thick cementitious layers, one will have to use a good quality matrix so dr ensure that it can withstand adequately to shear forces.
Since the proposed system is form laminated mufti-layer it is important that the bond between matrix layers and fiber layers either of very good quality so as not to constitute an area of weakness in shear.
The impregnation of the membrane must therefore allow to be able to create a solid link to the interface membrane-matrix. ~ This link is basically from physical nature while the hardened matrix is.
attached to the multiple surface irregularities of the

2$ couche fibreuse de même qû aux fibres pouvant dépasser de la surface. Pour cette raison, il est préférable que le produit de remplissage ne de'borde pas excessivement de la membrane, spécialement dans le cas de produits hydrophobes, afin de ne pas créer une surface d'accrochage qui soit trop lisse et ainsi nuire au lien entre la fibre imbibée et la matrice cimentaire.
On peut distinguer trois phases principales durant Ie déroulement d'un essai de flexion réalisé sur le matériau. Premièrement, la matrice cimentaire liest pas fissurée en traction et le module d'élasticité est très élevé puisqû il est déterminé par la matrice seule. Si la membrane a la possibilité de s'étirer librement, on peut observer ensuite une zone intermédiaire où la matrice se fissure à plusieurs ,~'~., endroits. Cette zone est caractérisée par (apparition de fissures de plus en plus rapprochées les unes des autres à l'intérieur de la matrice. Ce phénomène est dû à des phases d'étirement de la matrice jusqû à la limite en tension suivies de phases de fissuration, relaxation et à nouveau d'étirement. Durant cette période, le module élastique est déterminé à la fois par la matrice et la membrane fibreuse. Enfin, toujours si la membrane a la possibilité de s'étirer SO librement, on peut observer enfin une zone où la matrice est tellement fissurée qû elle n'apporte pratiquement plus de résistance et où seule la membrane fibreuse résiste aux efforts de tension. Le module élastique du composite est alors 55 principalement déterminé par le module de la membrane. Il est à noter que ce type de comportement ne peut être observé lorsque la membrane ne peut s'étirer librement et la rupture est alors fragile et survient lorsque la membrane la 60 plus tendue cède en traction.
La Figure 4 consiste en une illustration d'un procédé de fabrication de l'invention sous forme de panneau, lorsque la composition cimentaire est fluide. Les ingrédients de la composition cimentaire 65 sont d'abord introduits dans un malaxeur pour ensuite être déversés dans un bassin de trempage, où
le coulis (ou mortier) est recirculé à l'aide de pompes, afin ~féviter la séparation.
L'approvisionnement en membrane s'effectue à
70 partir d'un rouleau. La membrane fibreuse est enroulée sur un cylindre motorisé après être passée successivement par un bassin d'imprégnation, où le matériel de remplissage est introduit, une zone de séchage, où ce matériel est séché, et un bassin de 75 trempage, où elle est recouverte de composition cimentaire. Lors de l'enroulement sur le rouleau motorisé, les couches sont pressées en étant appuyées sur un second rouleau. L'épaisseur dr pressage est déterminée en faisant varier la hauteur 80 du rouleau d'enroulement. Lorsque le nombre de couches requis est atteint, l'arrivée de membrane est coupée et son extrémité libre est fixée sur le cylindre d'enroulement. On procède alors à la .coupe du panneau sur le cylindre et ce dernier est amené à
85 l'extrémité d'une table de préparation sur laquelle se trouve un moule destiné à le recevoir. Le panneau est ensuite déroulé, le moule est retiré, et un nouveau moule est amené. La coupe définitive des panneaux s'effectue à l'état durci sur un banc dr 90 coupe spécialement conçu.
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1. $ 2 fibrous layer as well as fibers that can protrude from the surface. For this reason, it is better that the filling product does not overflow not excessively from the membrane, especially in the case of hydrophobic products, so as not to create a hanging surface that is too smooth and thus damaging the bond between the soaked fiber and the cement matrix.
We can distinguish three main phases during Ie course of a bending test carried out on the material. First, the cement matrix liest not cracked in tension and the modulus of elasticity is very high since it is determined by the matrix alone. If the membrane has the ability to stretch freely, we can then observe an area intermediate where the matrix cracks in several , ~ '~., locations. This area is characterized by (appearance cracks closer and closer together others inside the matrix. This phenomenon is due to phases of stretching of the matrix until the voltage limit followed by cracking phases, relaxation and stretching again. During this period, the elastic modulus is determined at once through the matrix and the fibrous membrane. Finally, always if the membrane has the ability to stretch SW freely, we can finally observe an area where the matrix is so cracked that it does not practically more resistance and where only the fibrous membrane withstands tensile stresses. The elastic modulus of the composite is then 55 mainly determined by the module of the membrane. It should be noted that this type of behavior can only be observed when the membrane cannot stretch freely and rupture is then fragile and occurs when the membrane 60 more tense yields in traction.
Figure 4 is an illustration of a manufacturing process of the invention in the form of panel, when the cement composition is fluid. The ingredients of the cement composition 65 are first introduced into a mixer for then be dumped into a soaking tank, where the grout (or mortar) is recirculated using pumps, in order to avoid separation.
The membrane supply takes place at 70 from a roll. The fibrous membrane is wound on a motorized cylinder after passing successively by an impregnation tank, where the filling material is introduced, an area of drying, where this material is dried, and a basin of 75 soaking, where it is covered with composition cement. When winding on the roll motorized, the layers are pressed while being pressed on a second roller. The thickness dr pressing is determined by varying the height 80 of the winding roller. When the number of required layers are reached, the arrival of membrane is cut and its free end is fixed to the winding cylinder. We then proceed to cut.
of the panel on the cylinder and the latter is brought to 85 the end of a preparation table on which finds a mold to receive it. The panel is then unrolled, the mold is removed, and a new mold is brought. The final cut of panels are made in the hardened state on a dr bench 90 specially designed cut.
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1.

Claims

1- A cementitious material with double inclusions three components made of:
a nonwoven fibrous membrane composed fibers oriented in all directions and with a certain internal porosity;
organic or non-organic filling material included inside the internal porosity of the non-woven fibrous membrane;
a cement matrix inside which is included the nonwoven fibrous membrane soaked in filling material.

2- A material according to claim 1 where one or more layers of fibrous membrane non-woven soaked filling material (s) is (are) covered with cement matrix.

3- A material according to claim 2 where several types of nonwoven fibrous membranes are used simultaneously.

4- A material according to claim 2 where several types of filling material are used simultaneously.

5- A material according to claim 2 where several cement compositions are used simultaneously.

6- A material conforming to one or more of claims 2,3,4 and 5 in the form of panels of construction of various thicknesses.

7- A material conforming to one or more of claims 2,3,4 and 5 in the form of pipes variable diameter and thickness.

8- A material conforming to one or more of claims 2,3,4 and 5 where the individual thickness of each of the cement and fibrous layers or the total thickness of the composite can be adjusted in depending on the properties sought.

9- A material conforming to one or more of claims 2,3,4 and 5 comprising one or several slightly deformable trellis (s) in order to increase stiffness and / or strength.