EP0805788A1 - Beton composite - Google Patents

Beton composite

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Publication number
EP0805788A1
EP0805788A1 EP96901849A EP96901849A EP0805788A1 EP 0805788 A1 EP0805788 A1 EP 0805788A1 EP 96901849 A EP96901849 A EP 96901849A EP 96901849 A EP96901849 A EP 96901849A EP 0805788 A1 EP0805788 A1 EP 0805788A1
Authority
EP
European Patent Office
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concrete
concrete according
particles
fibers
cement
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP96901849A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Bernard Clavaud
Gérard Cochet
Claudie Gnagne
Jean-Pierre Targe
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Lafarge Nouveaux Materiaux SA
Lafarge Materiaux de Specialites SA
Original Assignee
Lafarge Nouveaux Materiaux SA
Lafarge Materiaux de Specialites SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Lafarge Nouveaux Materiaux SA, Lafarge Materiaux de Specialites SA filed Critical Lafarge Nouveaux Materiaux SA
Publication of EP0805788A1 publication Critical patent/EP0805788A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B28/00—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements
    • C04B28/02—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements containing hydraulic cements other than calcium sulfates
    • C04B28/06—Aluminous cements
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B28/00—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements
    • C04B28/02—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements containing hydraulic cements other than calcium sulfates
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F41—WEAPONS
    • F41H—ARMOUR; ARMOURED TURRETS; ARMOURED OR ARMED VEHICLES; MEANS OF ATTACK OR DEFENCE, e.g. CAMOUFLAGE, IN GENERAL
    • F41H5/00—Armour; Armour plates
    • F41H5/02—Plate construction
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2111/00—Mortars, concrete or artificial stone or mixtures to prepare them, characterised by specific function, property or use
    • C04B2111/00034—Physico-chemical characteristics of the mixtures
    • C04B2111/00068—Mortar or concrete mixtures with an unusual water/cement ratio
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
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    • C04B2111/2038—Resistance against physical degradation
    • C04B2111/2046—Shock-absorbing materials
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    • Y02W30/00—Technologies for solid waste management
    • Y02W30/50—Reuse, recycling or recovery technologies
    • Y02W30/91—Use of waste materials as fillers for mortars or concrete

Definitions

  • the invention relates to a composite concrete with a low cement and fiber content having good mechanical properties, and also having good protective properties against impacts, shocks or projectiles.
  • plasticizers 1.5 to 5 parts
  • anti-foaming agent 0. to 0.5 parts
  • This composite concrete seems to have mechanical properties, in particular a flexural strength, superior to that of the compacted concrete mentioned above, but it is easily understood that this is, at least in part, linked to its relatively high contents of cement and fibers. Furthermore, this composite concrete with a relatively high content of cement and fibers is supposed to be able to limit the penetration of projectiles. However, this property is neither demonstrated nor illustrated.
  • German patent application No. 3734327 of October 1987, describes a construction element capable of resisting the penetration of projectiles.
  • These elements are produced by means of a composite concrete comprising a hydraulic binder composed by a cement (Z35 to 55: 270 to 450 kg / m3), hard additives (basalt, quartz, quartzite, alone or in mixture) of dimension to less than 4 mm, silica powder (1850 to 1500 kg / m3) and fibers (steel, glass, synthetic, carbon fibers).
  • this concrete does not contain a dispersing or fluidizing agent, the mixing water content is, in a known manner, generally greater than 30% by weight, leading to poor mechanical properties, in particular for resistance to compression and to flexion, and more particularly with regard to the depth of penetration of projectiles which can only be significant. These mechanical properties are however neither demonstrated nor illustrated in the description.
  • This concrete can also include metallic, glass, ceramic, carbon, alumina or other fibers.
  • this composite concrete contains a large quantity of mixing water, leading to weak mechanical properties, in particular for the compressive and flexural strengths, which would ipso facto cause a significant penetration depth of projectiles in the case of a use of this composition for protection.
  • the Applicant has therefore managed to fill the gap mentioned above by developing a composite concrete of the type comprising a hydraulic binder, aggregates, an additive and metallic fibers, characterized in that it comprises: a) from 70 to 85% of particles (A) having a particle size distribution which can range from 0.01 / 3 mm to 0.01 / 50 mm, b) from 2 to 10% of particles (B) having a particle size between 0.01 and 1 ⁇ m, ie between 10 " 5 and 10 _3 mm, c) from 3 to 20% of hydraulic binder, d) from 0, 1 to 3% of a dispersant or of a plasticizer, e) from 0.05 to 8 , 5% of fibers, f) of the mixing water, the percentages all being percentages by weight referred to the sum of the weights of the constituents a) to d).
  • the particles (A) of the concrete according to the invention have a particle size distribution which can range from 0.01 / 3 mm to 0.01 / 50 mm.
  • These particles are aggregates, aggregates or gravel which generally have very irregular and varied shapes. They can consist for example of one or more materials such as tabular alumina, fused corundum, natural or calcined bauxite, alumina-based materials sold under the brand "ALAG", granite, quartzite , diabase, basalt, crystalline quartz, silicon carbides, silicon nitrides, boron carbides, titanium carbides, metals, metal alloys, etc. Aggregates preferably having a hardness greater than 5 Mohs.
  • the particles (B) have, at least for most of them, a particle size between 0.01 and 1 ⁇ m.
  • These are fly ash or various ultra-fine fillers such as silica fumes, microsilica, kaolinites, calcined clays, limestone fines, chromium oxide, titanium oxide, zirconium oxide, aluminum oxide, etc. They are obtained, for example, by condensation or precipitation.
  • silica fumes are used as particles (B), such as for example those sold by the company ELKEM under the name 971 U.
  • the hydraulic binder is preferably an aluminous cement, a mixture of aluminous cements, a vitreous cement or a mixture of vitreous cements, a Portland cement composed or not (CEM I, CEM II) or a mixture of Portland cements, a cement containing dairy or pozzolana.
  • the hydraulic binder is a cement based on calcium silicates
  • its content is between approximately 10% and approximately 20%.
  • the hydraulic binder is an aluminous cement
  • its content in the concrete is preferably between approximately 3% and approximately 10%.
  • the fibers can be metallic fibers, mineral fibers, glass fibers, carbon fibers or plastic fibers.
  • the metallic fibers can be steel fibers such as, for example, those marketed by the company Harex or the company Eurosteel Silifiber, or the Dramix fibers marketed by the company Bekaert, or else cast iron fibers, such as those marketed by the company Monsoon Bridge.
  • the plastic fibers can be thermoplastic polymer fibers such as polyamide, polypropylene, polyethylene fibers, acrylic fibers, polyester fibers, etc.
  • metallic fibers are used, and among metallic fibers, it is preferable to choose cast iron or steel fibers.
  • These fibers generally have a length of about 5 to 50 mm and a diameter of about 0.1 to 3 mm
  • the fiber content present in the concrete according to the invention is preferably between 0.05% and 5% by weight.
  • dispersant or fluidizer it is possible to use, for example, a hexametaphosphate, a tripolyphosphate, a polynaphthalene sulfonate, a sulfonated polyamine, etc.
  • the percentages indicated (0.1 to 3%) correspond to a weight of the dry extract based on the sum of the weights of the constituents a) to d).
  • the concrete according to the invention may also contain particles (C) having, at least for most of them, a particle size between 1 and 10 ⁇ m.
  • particles (C) is preferable when the quantity of hydraulic binder used is small.
  • the content of particles (C) is preferably less than 12% by weight relative to the sum of the weights of the constituents a) to d) and the weight of said particles (C), and the percentage of fibers is then calculated by weight by relative to the sum of the weights of the constituents a) to d) and the weight of said particles (C).
  • the concrete according to the invention may also contain one or more various additives, such as, for example, an anti-foam, a water-repellent, an air entrainer, a setting accelerator, a setting retarder, a dye, etc.
  • the content of additives) is generally less than 1% by weight relative to the sum of the weights of the constituents a) to d) of the concrete, plus, where appropriate, the weight of the particles (C).
  • the Applicant has discovered that it is desirable for the compactness of the concrete to be maximum. This can be achieved for example by providing that the distribution curves (number of particles as a function of their dimensions) of the particles (A), of the particles (B), of the particles constituting the hydraulic binder and, where appropriate, of the particles (C) , are continuous or have the maximum continuity, it being understood that the medium does indeed contain the dispersing or thinning agent.
  • the concrete according to the invention contains particles (A) and (B) having the highest possible number of different dimensions within the range which corresponds to them, namely, 0.0 lmm to 50mm, and 0.01 to l ⁇ m, respectively, which allows it to have maximum compactness and gives it optimal mechanical properties and resistance to penetration.
  • the concrete according to the invention During the preparation of the concrete according to the invention, its various constituents are mixed in the presence of water.
  • This water is essential for the hydration of the hydraulic binder.
  • the quantity of water involved is a function of the fluidity and the maneuverability which it is desired to obtain for the pouring of the concrete. It is generally between 2 and 5% by weight relative to the sum of the weights of the constituents a) to d) of the concrete, plus, where appropriate, the weight of the particles (C). Water is generally introduced before the fibers.
  • a concrete having good projectile protection properties is a concrete which offers a sufficiently high penetration resistance for the projectile so that the penetration depth of this projectile is small and which, moreover, does not does not break when the projectile hits.
  • the concrete according to the invention therefore makes it possible to achieve high protection against impacts, shocks or projectiles, even when it is used in the form of thin walls, walls, or slabs. It can therefore be used for the production of protective coatings against small projectiles, such as bullets fired by firearms, or against large projectiles, such as bombs.
  • It can also be used for the manufacture of individual or collective shelters, static or mobile, for the protection of banks, prisons, installations such as the so-called vital industrial installations, against break-ins or assaults that could be committed, in particular, at by means of jackhammers or similar tools, or for coating objects to be transported and which may fall during transport. It can also be used in the nuclear field or in the field of earthquake protection.
  • the concrete according to the invention can be prepared in the following way: the components a), b) c), d) and f) are introduced into a mixer and mixing is carried out until the desired consistency is obtained,
  • the fibers are introduced e) while continuing to knead, so that the fibers are dispersed as uniformly as possible
  • the concrete is preferably subjected to a baking at a temperature between about 80 ° C and about 600 ° C, preferably between about 110 ° C and about 350 ° C, until it is dry, this which means, for a person skilled in the art, that it comprises a free water content generally less than 0.2%, in percentage by mass relative to the concrete.
  • composition A1 corresponds to example n ° 9 of the French patent application n ° 2 633 922.
  • the composition A2 corresponds to example n ° 3 of the french patent application n ° 2 640 962.
  • TPP Tri ⁇ oh sodium phosphate marketed by Rhône-Poulenc
  • PNS Polvnaphthalene sulfonate sodium marketed by the company CF. P I under the name "GALORYL PA 120"
  • the fibers used were straight and smooth steel fibers having a length of approximately 17 mm and a diameter of approximately 0.2 mm, sold by the company Tréfileries de Conflandery.
  • the water yield was also calculated based on the weight of the particles (A), (B), (C), the cement and the dispersant.
  • the penetration resistance tests were carried out on concrete slabs according to the invention acting as a target and whose dimensions were approximately 40 ⁇ 40 ⁇ 10 cm.
  • the projectiles were ordinary bullets, 12.7 mm in diameter and weighing about 46 g, fired using a 12.7 type machine gun. The distance from the end of the 12.7 gun to the targets was such that the bullets hit the targets with a speed of the order of 830 m / s.
  • the penetration depth was then measured on the targets having resisted the impact of the projectile by introducing a gauge inside the imprint left by the projectile after rebounding on the surface of the concrete.
  • Parboiled concretes show greater resistance to penetration than unboiled concretes.
  • the targets were blocks of dimension lxl, 25xlm composed of a first layer of concrete according to Example 5 20 cm thick in contact with a second layer of ordinary concrete 80 cm thick.
  • the projectiles hit the targets (the first layer) with a speed of the order of 270 m / s.
  • the penetration depth of the projectiles remained less than 30 mm.
  • the projectiles were practically dislocated after impact and no cracking of the targets appeared.
  • the targets were blocks of dimension 2x2xl, 2m composed of a first layer of concrete according to Example 5 of 50 cm thick in contact with a second layer of ordinary concrete of 70 cm thick.
  • the projectiles hit the targets (the first layer) with a speed of the order of 280 m s.
  • the penetration depth of the projectiles remained less than 40 cm. During a test carried out under the same conditions with a slab entirely made of ordinary concrete, the penetration depth of the projectiles was approximately 90 cm.
  • the projectiles hit the targets with a speed of the order of 980 m / s.
  • the penetration depth of the projectiles remained less than 100mm. After 7 shots made successively on the same slab, targeting the same point of impact, the penetration depth was still less than 160mm.

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Abstract

L'invention concerne un béton composite à basse teneur en ciment et en fibres ayant de bonnes propriétés mécaniques, et possédant également de bonnes propriétés de protection contre les impacts, les chocs ou les projectiles et se distinguant en ce qu'il comprend: a) de 70 à 85 % de particules (A) ayant une répartition granulométrique pouvant aller de 0,01/3 mm à 0,01/50 mm, b) de 2 à 10 % de particules (B) présentant une granulométrie comprise entre 0,01 et 1 νm, soit entre 10?-5 et 10-3¿ mm, c) de 3 à 20 % de liant hydraulique, d) de 0,1 à 3 % d'un dispersant ou d'un fluidifiant, e) de 0,05 à 8,5 % de fibres, f) de l'eau de gâchage, les pourcentages étant tous des pourcentages en poids rapportés à la somme des poids des constituants a) à d).

Description

BETON COMPOSITE
L'invention concerne un béton composite à basse teneur en ciment et en fibres ayant de bonnes propriétés mécaniques, et possédant également de bonnes propriétés de protection contre les impacts, les chocs ou les projectiles.
ETAT DE LA TECHNIQUE
En janvier 1990, la publication de la demande de brevet français n° 2 633 922 divulgue un béton compacté comprenant : a) 7 à 15% en poids d'un ciment ou d'un liant routier, b) 4 à 7% d'eau, c) 0,8 à 4% en poids de fibres métalliques, le reste étant constitué de d) 70,7 à 87,8% de graves de 0 à 31,5mm, e) le cas échéant 0,05 à 2%, en poids par rapport au ciment, d'additifs des bétons, et f) le cas échéant 5 à 20% en poids, par rapport au ciment, de cendres volantes ou d'ultrafmes.
Ce béton doit être compacté pour atteindre le maximum de ses propriétés mécaniques. Cependant, malgré l'opération de compactage, il présente encore des propriété mécaniques relativement faibles. C'est pourquoi on peut difficilement lui trouver d'autres applications que les dallages industriels, les chaussées routières ou aéronautiques, les plate-formes et les terre-pleins.
En juin 1990, la demande de brevet français n° 2 640 962 propose un béton composite comprenant, 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 additifs 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. Ce béton composite semble bien avoir des propriétés mécaniques, notamment une résistance à la flexion, supérieures à celle du béton compacté mentionné plus haut, mais on comprend aisément que ceci est, au moins en partie, lié à ses teneurs relativement élevées en ciment et en fibres. Par ailleurs, ce béton composite à teneur relativement élevée en ciment et en fibres est censé être apte à limiter la pénétration des projectiles. Toutefois, cette propriété n'est ni démontrée ni illustrée.
Antérieurement à ces deux documents, d'autres publications décrivent des bétons chargés de fibres.
Ainsi, la demande de brevet allemand n° 3734327, d'Octobre 1987, décrit un élément de construction susceptible de résister à la pénétration de projectiles. Ces éléments sont réalisés au moyen d'un béton composite comprenant un liant hydraulique composé par un ciment (Z35 à 55 : 270 à 450 kg/m3), des additifs durs (basalte, quartz, quartzite, seuls ou en mélange) de dimension au moins égale à 4 mm, de la poudre de silice (1850 à 1500 kg/m3) et des fibres (acier, verre, synthétique, fibres de carbone).
Ce béton ne comportant pas d'agent dispersant ou fluidifiant, la teneur en eau de gâchage est, d'une manière connue, généralement supérieure à 30 % en poids conduisant à des propriétés mécaniques faibles, en particulier pour les résistances à la compression et à la flexion, et plus particulièrement pour ce qui concerne la profondeur de pénétration de projectiles qui ne peut être qu'importante. Ces propriétés mécaniques ne sont toutefois pas démontrées, ni illustrées dans la description.
Le brevet américain n° 4,472,201, de Septembre 1984, propose un béton composite ayant une bonne résistance et une bonne stabilité à chaud, qui comporte :
- de 5 à 70 parties en poids d'un mélange comprenant :
- 49,95 à 87,3 % en poids d'un ciment hydraulique,
- 49,95 à 9,7 % en poids d'une silice amorphe, - 0, 1 à 3 % en poids d'un agent dispersant,
- et de 95 à 30 parties en poids d'un agrégat résistant à la chaleur.
Ce béton peut également comporter des fibres métalliques, de verre, céramiques, de carbone, d'alumine ou autres. Mais, ce béton composite contient une quantité d'eau de gâchage importante, conduisant à des propriétés mécaniques faibles, en particulier pour les résistances à la compression et à la flexion, ce qui entraînerait, ipso facto, une profondeur de pénétration importante de projectiles dans le cas d'une utilisation de cette composition pour la protection. II n'existait donc pas, jusqu'à ce jour, de béton présentant à la fois de bonnes propriétés mécaniques tout en ayant une faible teneur en ciment et en fibres. Ce béton serait de plus avantageux s'il possédait également de bonnes propriétés de protection contre les impacts, les chocs ou les projectiles. EXPOSE SOMMAIRE DE L'INVENTION
La demanderesse est donc parvenue à combler la lacune évoquée ci-dessus en mettant au point un béton composite du type comprenant un liant hydraulique, des agrégats, un additif et des fibres métalliques, caractérisé en ce qu'il comprend : a) de 70 à 85 % de particules (A) ayant une répartition granulométrique pouvant aller de 0,01/3 mm à 0,01/50 mm, b) de 2 à 10% de particules (B) présentant une granulométrie comprise entre 0,01 et 1 μm, soit entre 10"5 et 10_3mm, c) de 3 à 20% de liant hydraulique, d) de 0, 1 à 3% d'un dispersant ou d'un fluidifiant, e) de 0,05 à 8,5% de fibres, f) de l'eau de gâchage, les pourcentages étant tous des pourcentages en poids rapportés à la somme des poids des constituants a) à d).
Ce béton offre donc au moins les avantages suivants :
- une faible teneur en ciment,
- une faible teneur en fibres, - une mise en oeuvre simple,
- de bonnes propriétés mécaniques,
- de bonnes propriétés de protection contre les impacts, les chocs ou les projectiles.
D'autres avantages de ce béton apparaîtront à la lecture de la suite de la description
EXPOSE DETAILLE DE L'INVENTION
Les particules (A) du béton selon l'invention ont une répartition granulométrique pouvant aller de 0,01/3 mm à 0,01/50 mm. Ces particules sont des agrégats, des granulats ou des graves qui présentent généralement des formes très irrégulières et variées. Ils peuvent être constitués par exemple d'un ou de plusieurs matériaux tels que l'alumine tabulaire, le corindon électrofondu, la bauxite naturelle ou calcinée, les matériaux à base d'alumine commercialisés sous la marque "ALAG", le granit, le quartzite, la diabase, le basalte, le quartz cristallin, les carbures de silicium, les nitrures de silicium, les carbures de bore, les carbures de titane, les métaux, les alliages de métaux, etc.. On choisit de préférence des agrégats présentant une dureté supérieure à 5 Mohs. Les particules (B) présentent, au moins pour la plupart d'entre elles, une granulométrie comprise entre 0,01 et 1 μm. Ce sont des cendres volantes ou des charges ultrafines diverses telles que les fumées de silice, les microsilices, les kaolinites, les argiles calcinées, les fines de calcaire, l'oxyde de chrome, l'oxyde de titane, l'oxyde de zirconium, l'oxyde d'aluminium etc.. Elles sont obtenues, par exemple, par condensation ou précipitation.
De préférence, on utilise comme particules (B) des fumées de silice, comme par exemple celles commercialisées par la société ELKEM sous la dénomination 971 U.
Le liant hydraulique est de préférence un ciment alumineux, un mélange de ciments alumineux, un ciment vitreux ou un mélange de ciments vitreux, un ciment Portland composé ou non (CEM I, CEM II) ou un mélange de ciments Portland, un ciment contenant du laitier ou des pouzzolanes.
On peut également envisager d'utiliser un mélange d'au moins un ciment alumineux ou vitreux avec au moins un ciment Portland ou un ciment contenant du laitier ou des pouzzolanes. Mais dans ce cas, il est nécessaire que l'homme du métier prenne des précautions supplémentaires et bien connues pour conserver l'ouvrabilité du béton et régler son temps de prise. De telles précautions peuvent consister, par exemple, en l'ajout d'un retardateur de prise, de plâtre, etc..
De préférence lorsque le liant hydraulique est un ciment à base de silicates de calcium, sa teneur est comprise entre environ 10% et environ 20%.
Lorsque le liant hydraulique est un ciment alumineux, sa teneur dans le béton est de préférence comprise entre environ 3% et environ 10%.
Les fibres peuvent être des fibres métalliques, des fibres minérales, des fibres de verre, des fibres de carbone ou des fibres de matière plastique. Les fibres métalliques peuvent être des fibres d'acier comme, par exemple, celles commercialisées par la société Harex ou la société Eurosteel Silifiber, ou les fibres Dramix commercialisées par la société Bekaert, ou encore des fibres de fonte, comme celles commercialisées par la société Pont à Mousson.
Les fibres de matière plastique peuvent être des fibres de polymérisats thermoplastiques telles fibres de polyamide, de polypropylène, de polyéthyléne, des fibres acryliques, des fibres de polyester, etc..
On peut utiliser dans le même béton des mélanges de fibres de natures différentes.
On utilise de préférence des fibres métalliques, et parmi les fibres métalliques, il est préférable de choisir des fibres de fonte ou d'acier.
Ces fibres présentent généralement une longueur d'environ 5 à 50 mm et un diamètre d'environ 0, 1 à 3 mm La teneur en fibres présente dans le béton selon l'invention est préférentiellement comprise entre 0,05 % et 5 % en poids.
Comme dispersant ou fluidifiant on peut utiliser par exemple, un hexamétaphosphate, un tripolyphosphate, un polynaphtalène sulfonate, une polyamine sulfonée, etc.. Les pourcentages indiqués (0,1 à 3%) correspondent à un poids de l'extrait sec rapporté à la somme des poids des constituants a) à d).
Le béton selon l'invention peut renfermer en outre des particules (C) présentant, au moins pour la plupart d'entre elles, une granulométrie comprise entre 1 et lOμm. Ce sont des charges fines se présentant de préférence sous la forme de grains à géométrie globalement sphérique. Elles peuvent être obtenues par exemple par broyage au moyen d'un broyeur à boulets. Elles peuvent être constituées, par exemple, d'alumine tabulaire, de corindon électrofondu, de bauxite naturelle ou calcinée, de matériaux à base d'alumine commercialisés sous la marque « ALAG », de granit, de calcaire, de quartzite, de diabase, de basalte, de quartz cristallin broyé, de carbures de silicium, de nitrures de silicium, de carbures de bore, de carbures de titane, de métaux, d'alliages de métaux, etc..
L'utilisation de particules (C) est préférable lorque la quantité de liant hydraulique mise en oeuvre est faible.
La teneur en particules (C) est de préférence inférieure à 12% en poids par rapport à la somme des poids des constituants a) à d) et du poids desdites particules (C), et le pourcentage de fibres est alors calculé en poids par rapport à la somme des poids des constituants a) à d) et du poids desdites particules (C).
Le béton selon l'invention peut en outre contenir un ou plusieurs additifs divers, comme, par exemple, un anti-mousse, un hydrofuge, un entraineur d'air, un accélérateur de prise, un retardateur de prise, un colorant, etc.. La teneur en additifs) est généralement inférieure à 1% en poids par rapport à la somme des poids des constituants a) à d) du béton, plus, le cas échéant le poids des particules (C).
La demanderesse a découvert qu'il était souhaitable que la compacité du béton soit maximale. Ceci peut être réalisé par exemple en prévoyant que les courbes de distribution (nombre de particules en fonction de leurs dimensions) des particules (A), des particules (B), des particules constituant le liant hydraulique et le cas échéant des particules (C), soient continues ou présentent le maximum de continuité, étant entendu que le milieu contient bien l'agent dispersant ou fluidifiant. Ainsi, le béton selon l'invention renferme des particules (A) et (B) ayant le nombre le plus élevé possible de dimensions différentes à l'intérieur de la plage qui leur correspond, à savoir, 0,0 lmm à 50mm, et 0,01 à l μm, respectivement, ce qui lui permet de présenter le maximum de compacité et lui confère des propriétés mécaniques et de résistance à la pénétration optimales. Lors de la préparation du béton selon l'invention, on mélange ses différents constituants en présence d'eau. Cette eau est indispensable pour l'hydratation du liant hydraulique. La quantité d'eau intervenant est fonction de la fluidité et de la maniabilité que l'on souhaite obtenir pour le coulage du béton. Elle est généralement comprise entre 2 et 5% en poids rapporté à la somme des poids des constituants a) à d) du béton, plus, le cas échéant, le poids des particules (C). L'eau est en général introduite avant les fibres.
Après l'adjonction d'eau et de fibres, l'homogénéisation par mélange ou malaxage et la mise en place, il est avantageux de soumettre le béton à une période de cure, de préférence dans une atmosphère humide. Il est souhaitable d'étuver ensuite le béton. Cet étuvage peut avoir lieu à une température comprise entre 80°C et 600°C, préférentiellement entre 1 10°C et 350°C. Bien entendu, la température d'étuvage est choisie en tenant compte de la nature des fibres, ceci afin de ne pas provoquer une dégradation de ces dernières. On obtient ainsi un béton possédant de bonnes propriétés mécaniques, bien qu'il ait été préparé de manière relativement simple, que sa teneur en ciment soit faible et qu'il n'ait pas subi d'opération de compactage.
Les propriétés de protection contre un impact ou un choc se traduisent par une aptitude à résister à la rupture ou à l'éclatement lors de l'impact ou du choc. Les propriétés de protection contre un projectile se traduisent par une aptitude à freiner et arrêter la pénétration de ce projectile et à résister à la rupture ou à l'éclatement lors de l'impact du projectile. En d'autres termes, un béton possédant de bonnes propriétés de protection contre les projectiles est un béton qui oppose une résistance à la pénétration du projectile suffisamment élevée pour que la profondeur de pénétration de ce projectile soit faible et qui, en outre, ne se brise pas lors de l'impact du projectile.
Le béton selon l'invention permet donc d'atteindre une protection élevée contre les impacts, les chocs ou les projectiles, même lorsqu'il est mis en oeuvre sous la forme de parois, murs, ou dalles de faible épaisseur. II peut donc être mis en oeuvre pour la réalisation de revêtements de protection contre des projectiles de petites dimensions, tels que des balles tirées par des armes à feu, ou contre des projectiles de dimensions importantes, comme des bombes.
Il peut également servir pour la fabrication d'abris individuels ou collectifs, statiques ou mobiles, pour la protection des banques, des prisons, des installations telles que les installations industrielles dites vitales, contre les effractions ou aggressions qui pourraient être commises, notamment, au moyen de marteaux-piqueurs ou d'outils analogues, ou pour l'enrobage d'objets devant être transportés et pouvant faire des chutes lors de leur transport. II peut en outre être utilisé dans le domaine nucléaire ou dans le domaine de la protection antisismique.
PREPARATION DU BETON SELON L'INVENTION
Le béton selon l'invention peut être préparé de la manière suivante : -on introduit dans un malaxeur les constituants a), b) c), d) et f) et on effectue un malaxage jusqu'à obtention de la consistance désirée,
-puis on introduit les fibres e) tout en continuant à malaxer, de façon à ce que les fibres soient dispersées de la manière la plus uniforme possible,
-ensuite on place le mélange obtenu dans un moule que l'on soumet à des vibrations,
-après 2 à 10 minutes, on arrête les vibrations et on laisse reposer le moule et son mélange pendant environ 24 heures, -on démoule alors et on laisse de préférence reposer le béton pendant au moins un jour avantageusement dans une atmosphère humide (taux d'humidité supérieur à environ 65% d'humidité relative)
- ensuite on soumet de préférence le béton à un étuvage à une température comprise entre environ 80°C et environ 600°C, préférentiellement entre environ 1 10°C et environ 350°C, jusqu'à ce qu'il soit sec, ce qui signifie, pour l'homme du métier, qu'il comprend une teneur en eau libre généralement inférieure à 0,2%, en pourcentage massique par rapport au béton.
EXEMPLES
Des bétons ont été préparés selon le procédé décrit ci-dessus à partir des compositions indiquées dans le tableau A suivant, dans lequel :
-la composition Al correspond à l'exemple n°9 de la demande de brevet français n°2 633 922. - et la composition A2 correspond à l'exemple n°3 de la demande de brevet français n°2 640 962. TABLEAU A
BETONS TESTES
Constituants Exempje 1 Exemple 2 Exemple 3 Exemple 4 Al A2
Particules (A) et 81 % d'alumine 50,6% d'ALAG ® 80% de corindon 86% de corindon brun 35,5% de diorite 0/6 50,0% de grenaille leurs dimensions tabulaire 0,5 à 5 mm brun 0,01 à 5 mm 300 - 1000 μm 0,01 à 5 mm 32,8% de corindon 0,01 à 5 mm 49,3% de diorite 6,4% de Quartz brun 6/10 C 600
0,01 à 0,5 mm 8,4% de Quartz
C 400
Particules (B) et 5% de fumée de 5,9% de fumée de 3,5% de fumée de 5% de fumée de silice 1 ,4% de fumée de 3,5% de microsilice leurs dimensions silice silice silice 100 à 1 μm silice
100 A à 1 μm 100 À à 1 μm 100 Â à 1 μm
Particules (C) et 10% d'alumine fine 5,9% d'alumine fine - 5% d'alumine fine - leurs dimensions 1 à 10 μm 1 à 10 μm 1 à 10 μm
Ciment 4% de ciment 4,8% de ciment 16,5% de CPA 55 4% de ciment alumineux 13,8 % de ciment 31,7% de CPA 55 alumineux alumineux HP
Dispersant(s) O 0,08 % de TPP 0,09 % de TPP 0,35 % de PNS 0,08% de TPP 0,28% de Sikafluid 1 ,4% 0,03 % de PNS 0,035% de PNS 0,03% de PNS
Additif (2) 0.01% d'acide 0,01% d'acide 0,01% d'acide citrique 0,03% d'anti- citrique citrique . mousse
Fibres et nature (3) 80 kg/m , soit 2,5% 80 kg/m soit 2,5% - 80 kg/mJ soit 2,5%- 80 kg/m soit 2,5% - acier 80 kg/m soit 3,2% - 1 1 %-métallique -acier acier acier fonte
Eau (4) 3.6 % 3.2 % 3.5 % 3,6 % 3,9% 9.2%
Repos après > 1 jour en > 1 jour en > 1 jour en > 1 jour en atmosphère démoulage atmosphère humide atmosphère humide atmosphère humide humide
Etuvagc à 280°C à 28()°C à 280°C à 280°C
(compacté)
( 1 ) TPP : Triμoh phosphate de sodium commercialisé par la société Rhône-Poulenc
PNS : Polvnaphtalène sulfonate de sodium commercialisé par la société CF. P I sous l'appellation "GALORYL PA 120"
(2) Le pourcentage pondéral d'additif a été calculé par rapport au poids des particules (A), (B), (C), du ciment et du dispersant.
(3) Les fibres utilisées étaient des fibres d'acier droites et lisses présentant une longueur d'environ 17 mm et un diamètre d'environ 0,2 mm, commercialisées par la société Tréfileries de Conflandey.
(4) Le pourcciilagc d'eau a également été calculé par rapport au poids des particules (A), (B), (C), du ciment et du dispersant.
Les propriétés mécaniques des bétons selon l'invention ont été mesurées sur des éprouvettes (64 x 54 x 230 mm) après étuvage pendant 48 heures. Les résultats sont regroupés dans le tableau B suivant où figurent également :
- les propriétés mécaniques des bétons Al et A2, telles qu'indiquées, respectivement, dans les demandes de brevet français n° 2 633 922 et 2 640 962,
- ainsi que les résultats des essais de résistance à la pénétration des bétons selon l'invention.
Les mesures de résistance à la compression et à la flexion des bétons selon l'invention ont été réalisées selon la recommandation européenne n° PRE R27.
Les mesures de porosité des bétons selon l'invention ont été réalisées selon la norme NF.B40.321.
Les essais de résistance à la pénétration ont été réalisés sur des dalles en béton selon l'invention faisant office de cible et dont les dimensions étaient environ de 40x40x10 cm. Les projectiles étaient des balles ordinaires de 12,7 mm de diamètre et pesant environ 46g, tirées à l'aide d'une mitrailleuse du type 12,7. La distance séparant l'extrémité du canon de la 12,7 des cibles était telle que les balles atteignaient les cibles avec une vitesse de l'ordre de 830 m/s.
On a ensuite mesuré sur les cibles ayant résisté à l'impact du projectile, la profondeur de pénétration en introduisant une jauge à l'intérieur de l'empreinte laissée par le projectile après rebondissement sur la surface du béton.
TABLEAU B
Exemple Exemple Exemple Exemple Al A2 1 2 3 4
RESULTATS
Résistance à la 170 230 180 150 - 205 compression en MPa
Résistance à la flexion en 26 26 22 18 13,2 30,8
MPa
Porosité en % 12 9 10 14 - - O I
Profondeur de 12 mm ( 1 ) 60 mm avec 25mm (2) 40mm dans du béton - - pénétration du projectile fissuration dans du béton étuvé à 80°C et 17mm dans non étuvé et du béton étuvé à 280°C
19 mm sans fissuration dans du béton étuvé
( I ) les essais ont été effectués à la fois sur du béton étuvé à 280°C et sur du béton non étuvé (2) les essais ont été effectués à la fois sur du béton étuvé à 80°C et sur du béton étuvé à 280°C
Il est surprenant de constater que les bétons des exemples 1 à 3 présentent une résistance à la flexion près de deux fois supérieure à celle du béton Al qui est pourtant un béton compacté. En outre, la résistance à la flexion du béton de l'exemple 3 est à peine inférieure de 28,6% à celle du béton A2, alors que le béton A2 comporte une teneur en ciment près de deux fois plus élevée, une teneur en fibres quatre fois plus importante et des particules (A) ayant une dureté supérieure à celles des particules (A) du béton de l'exemple 3. En ce qui concerne la résistance à la pénétration des projectiles, on a pu constater que tous les projectiles avaient été arrêtés par les bétons selon l'invention et que les cibles étaient restées entières et non fissurées.
Les bétons étuvés montrent une plus grande résistance à la pénétration que les bétons non étuvés.
De plus, des essais de résistance à la pénétration effectués avec des balles à pointe perforante (PPI) de calibre 12,7mm ont montré que les bétons des exemples 1 et 4 arrêtent ce type de projectile. Ceci est suφrenant quand on sait que ces mêmes projectiles perforent une couche de 27 mm d'acier de blindage.
D'autres essais ont été réalisés avec plusieurs sortes de projectiles. Les compositions des bétons testés sont indiquées dans le tableau C suivant. Les caractéristiques (propriétés mécaniques, porosité) sont données dans le tableau D.
(1) TPP et PNS : idem tableau A
PMS : sulfonate de polymélamine commercialisé sous l'appellation "résine GT" par la société CHRYSO
(2) idem tableau A
TABLEAU D
Exemple 5 Béton ordinaire
CARACTERISTIQUES
Résistance à la compression 150 45 en MPa
Résistance à la flexion en 18 - MPa
Porosité en % 14 - AUTRES ESSAIS
a) Bombes de 1000 liyres à l'échelle 1/5 :
Les cibles étaient des blocs de dimension lxl,25xlm composées d'une première couche du béton selon l'exemple 5 de 20 cm d'épaisseur en contact avec une seconde couche de béton ordinaire de 80 cm d'épaisseur.
Les projectiles atteignaient les cibles (la première couche) avec une vitesse de l'ordre de 270 m/s.
La profondeur de pénétration des projectiles est restée inférieure à 30 mm. Les projectiles étaient pratiquement disloqués après l'impact et aucune fissuration des cibles n'est apparue.
b) Bombes de 1000 liyres à l'échelle 1/2 :
Les cibles étaient des blocs de dimension 2x2xl,2m composées d'une première couche du béton selon l'exemple 5 de 50 cm d'épaisseur en contact avec une seconde couche de béton ordinaire de 70 cm d'épaisseur.
Les projectiles atteignaient les cibles (la première couche) avec une vitesse de l'ordre de 280 m s.
La profondeur de pénétration des projectiles est restée inférieure à 40 cm. Lors d'un essai réalisé dans les mêmes conditions avec une dalle entièrement constituée de béton ordinaire, la profondeur de pénétration des projectiles était d'environ 90 cm.
c) Projectiles de 14.5mm API Les cibles étaient des dalles en béton de l'exemple 5, de dimension 2x3 0, 2m dont la face arrière était recouverte par une plaque de renforcement de 10mm d'épaisseur constituée d'acier doux.
Les projectiles atteignaient les cibles avec une vitesse de l'ordre de 980 m/s. La profondeur de pénétration des projectiles est restée inférieure à 100mm. Après 7 tirs réalisés successivement sur la même dalle, en visant le même point d'impact, la profondeur de pénétration était encore inférieure à 160mm.
Bien évidemment, l'invention n'est en aucune façon limitée par les particularités qui ont été précisées dans ce qui précède ou par les détails des exemples choisis pour l'illustrer. Nombre de modifications peuvent être apportées aux réalisations particulières et aux exemples qui ont été décrits à titre d'illustration et à leurs éléments constitutifs sans sortir pour autant du cadre de l'invention. Cette dernière englobe par conséquent tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leur combinaison.

Claims

REVENDICATIONS
1. Béton composite du type comprenant un liant hydraulique, des agrégats, un additif et des fibres métalliques, caractérisé en ce qu'il comprend, a) de 70 à 85 % de particules (A) ayant une répartition granulométrique pouvant aller de 0,01/3 mm à 0,01/50 mm, b) de 2 à 10% de particules (B) présentant une granulométrie comprise entre 0,01 et 1 μm, soit entre 10"5 et 10_3mm, c) de 3 à 20% de liant hydraulique, d) de 0,1 à 3% d'un dispersant ou d'un fluidifiant, e) de 0,05 à 8,5% de fibres, f) de l'eau de gâchage, les pourcentages étant tous des pourcentages en poids rapportés à la somme des poids des constituants a) à d).
2. Béton selon la revendication 1, caractérisé en ce que les particules (A) sont des agrégats présentant une dureté supérieure à 5 Mohs.
3. Béton selon la revendication 2, caractérisé en ce que les particules (A) sont choisies dans le groupe constitué par l'alumine tabulaire, le corindon électrofondu, la bauxite naturelle ou calcinée, les matériaux à base d'alumine commercialisés sous la marque "ALAG", le granit, le quartzite, la diabase, le basalte, le quartz cristallin, les carbures de silicium, les nitrures de silicium, les carbures de bore, les carbures de titane, les métaux, les alliages de métaux, et leurs mélanges.
4. Béton selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les particules (B) sont choisies dans le groupe constitué par les cendres volantes, les charges ultrafines telles que la fumée de silice, les microsilices , les kaolinites, les argiles calcinées, les fines de calcaires, l'oxyde de chrome, l'oxyde de titane, l'oxyde de zirconium, ou l'oxyde d'aluminium et leurs mélanges.
5 Béton selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le liant hydraulique est un ciment alumineux, un mélange de ciments alumineux, un ciment Portland composé ou non, un mélange de ciments Portland, un ciment vitreux ou un mélange de ciments vitreux, ou un mélange d'au moins un ciment alumineux ou vitreux avec au moins un ciment Portland, un ciment contenant du laitier ou des pouzzolanes, ou un mélange de ces différents ciments.
6. Béton selon la revendication 5, caractérisé en ce que, lorsque le liant hydraulique est un ciment à base de silicate de calcium, sa teneur est comprise entre environ 10 et environ 20% et lorsque le liant hydraulique est un ciment alumineux ou un ciment vitreux, sa teneur est comprise entre environ 3 et environ 10%.
7. Béton selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les fibres sont des fibres métalliques, des fibres minérales, des fibres de verre, des fibres de carbone, des fibres de matière plastique ou un mélange de ces fibres.
8. Béton selon la revendication 7, caractérisé en ce que les fibres sont des fibres métalliques.
9. Béton selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la teneur en fibres est préférentiellement comprise entre 0,05 et 5 %.
10. Béton selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des particules (C) présentant, au moins pour la plupart d'entre elles, une granulométrie comprise entre 1 et lOμm, soit entre 10 et
2
10 mm.
1 1. Béton selon la revendication 10, caractérisé en ce que la teneur en particules (C) est inférieure à 12% en poids par rapport à la somme des poids des constituants a) à d) et du poids desdites particules (C), le pourcentage de fibres étant alors calculé en poids par rapport à la somme des poids des constituants a) à d) et du poids desdites particules (C).
12. Béton selon la revendication 10 ou la revendication 11, caractérisé en ce que les particules (C) sont choisies dans le groupe constitué par l'alumine tabulaire, le corindon électrofondu, la bauxite naturelle ou calcinée, des matériaux à base d'alumine commercialisés sous la marque « ALAG », le granit, les calcaires, le quartzite, la diabase, le basalte, le quartz cristallin broyé, les carbures de silicium, les nitrures de silicium, les carbures de bore, les carbures de titane, les métaux, les alliages de métaux, et leurs mélanges.
13. Béton selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un ou plusieurs additifs choisis dans le groupe constitué par les anti-mousses, les hydrofuges, les entraineurs d'air, les accélérateurs de prise, les retardateurs de prise, les colorants, et leurs mélanges.
14. Béton selon la revendication 13, caractérisé en ce que la teneur en additifs) est inférieure à 1% en poids par rapport à la somme des poids des constituants a) à d) du béton plus, le cas échéant le poids des particules (C).
15. Béton caractérisé en ce qu'il est obtenu par prise et durcissement d'un béton selon l'une des revendications précédentes.
16. Béton selon la revendication 15, caractérisé en ce que la quantité d'eau est comprise entre 2 et 5% en poids rapportée à la somme des poids des constituants a) à d) du béton, plus, le cas échéant, le poids des particules (C).
17. Béton obtenu par étuvage d'un béton selon la revendication 15 ou la revendication 16.
18. Béton selon la revendication 17, caractérisé en ce que l'étuvage est réalisé à une température comprise entre 80°C et 600°C, et préférentiellement entre 1 10°C et 350°C.
19. Utilisation d'un béton selon l'une quelconque des revendications 15 à 18 pour la protection contre les impacts ou les chocs.
20. Utilisation d'un béton selon l'une quelconque des revendications 15 à 18, pour la protection contre des projectiles.
21. Utilisation d'un béton selon la revendication 20, pour la protection contre des projectiles tirés par une mitrailleuse du type 12,7, contre les projectiles de 14,5 mm, contre les bombes de 1000 livres à l'échelle 1/5, ou contre les bombes de 1000 livres à l'échelle 1/2.
22. Utilisation d'un béton selon l'une quelconque des revendications 15 à 18, caractérisé en ce que le béton se présente sous la forme de plaques ou dalles comportant sur leur face arrière une plaque de renforcement.
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