FR2900922A1 - Utilisation de betons hautes performances dans la fabrication ou la protection d'elements de strutures resistants a des conditions extremes de temperature - Google Patents

Utilisation de betons hautes performances dans la fabrication ou la protection d'elements de strutures resistants a des conditions extremes de temperature Download PDF

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Abstract

Utilisation d'un béton haute performance adjuvanté en fibres présentant un point de fusion inférieur à 300 degree C, de préférence inférieur à 250 degree C et de façon plus préférentielle encore inférieure à 200 degree C, pour la fabrication ou la protection d'éléments de structure résistants à des conditions extrêmes de température, ledit béton présentant une courbe de dilatation thermique présentant au moins un maximum et/ou ledit béton comprenant des éléments granulaires en bauxite calcinée, ledit béton ne subissant pas d'éclatement lorsqu'il est soumis à une température d'au moins 950 degree C, de préférence d'au moins 1000 degree C, plus préférentiellement d'au moins 1300 degree C, pendant au moins 1 heure, de préférence au moins 2 heures.

Description

UTILISATION DE BETONS HAUTES PERFORMANCES DANS LA FABRICATION OU LA
PROTECTION D'ELEMENTS DE STRUCTURE RESISTANTS A DES CONDITIONS EXTREMES DE TEMPERATURE.
La présente invention porte sur l'utilisation de bétons hautes performances adjuvantés en fibres de point de fusion inférieur à 300 C, pour la fabrication ou la protection d'éléments de structure résistant à des conditions extrêmes de température. Dans la présente invention on entend par "béton" un corps de matrice cimentaire pouvant selon les ouvrages à réaliser inclure des fibres, et obtenu par durcissement d'une composition cimentaire mélangée avec de l'eau.
Par conditions extrêmes de température on entend un environnement maintenu pendant au moins une heure, de préférence 2 heures, à au moins 950 C, de préférence au moins 1000 C, voire même 1300 C. L'exposition accidentelle de structures en béton à des hautes températures modifie fortement le comportement du béton. Dans de nombreuses applications, il est très important que les éléments de structure résistent à des conditions extrêmes de températures, c'est le cas notamment des tunnels et ouvrages souterrains.
De nombreuses études ont été réalisées ces dernières années pour définir les différents types d'incendie pouvant se déclarer dans les tunnels et ouvrages souterrains, afin de déterminer des courbes température/temps correspondant aux différentes expositions qui permettent de soumettre les matériaux à des simulations. Parmi ces courbes on peut citer : la courbe normalisée ISO 834 qui correspond à des incendies standard, dont l'évolution de température T au cours du temps t est définie par l'équation suivante : T = 20 + 345 LOG(8t+1); la courbe hydrocarbure qui est représentative de petits incendies liés aux produits pétroliers, dont l'évolution de température T au cours du temps t est définie par l'équation suivante: T =20+1080 (1-0,325xe-o'16't-0,675xe-2'5t) ; la courbe hydrocarbure majorée qui présente un gradient de températures très élevé au départ et dont la température maximale est de 1300 C, dont l'évolution de température T au cours du temps t est définie par l'équation suivante : T =20+1280 (1-0, 325xe-o'167t-0, 675xe-2'5t) ; la courbe RABT ZTV qui présente une augmentation de température très rapide, atteignant 1200 C en 5 minutes et une durée d'exposition à 1200 C d'une heure seulement, dont l'évolution de température T au cours du temps t est définie par les coordonnées suivantes : RABT-ZTV (train) Temps (en minutes) Température (en C) 0 15 5 1200 60 1200 170 15 RABT-TZ (véhicule automobile) Temps (en minutes) Température (en C) 0 15 5 1200 30 1200 140 15 et enfin la courbe RWS (Rijkswaterstaat) dont l'évolution 20 de la température est la suivante : Temps (minutes) Températures ( C) 0 20 3 890 1140 1200 30 1300 60 1350 90 1300 120 1200 180 1200 Lorsque les pièces ou éléments en béton sont destinés à des environnements à risque, elles doivent résister à de 5 tels feux, de telle sorte qu'en cas d'accident la sécurité soit assurée. Or les pièces ou éléments de structure sont en béton armé précontraint ou fibré qui présente une courbe de dilatation thermique qui augmente de façon exponentielle 10 avec la température. Ainsi, plus la température à laquelle ces pièces ou éléments sont soumis augmente plus l'eau qu'ils contiennent s'évapore et la pression de cette eau provoque la ruine de la pièce ou de l'élément de structure, ce qui présente un risque réel.
Pour pallier à ces difficultés, il a été envisagé, par exemple dans W099/28596 de recouvrir la paroi de ces éléments de structure qui se trouverait en contact direct avec les températures extrêmes ou les flammes avec une couche de mortier réfractaire. Cependant, les mortiers réfractaires ont des résistances mécaniques très médiocres et peuvent donc être facilement endommagés en cas de chocs mécaniques. Par ailleurs, cette couche est rapportée, notamment par projection ou sur-coulage, en sur-épaisseur sur la pièce de béton, ce qui augmente l'épaisseur totale de la structure. Dans des ouvrages tels que des tunnels, augmenter le diamètre de quelques centimètres implique une augmentation notable du coût total du tunnel, ce qui n'est pas souhaitable. Une tentative de solution à ces problèmes a été décrite dans la demande de brevet EP 1 382 795 dans laquelle, des voussoirs bi-couches sont proposés qui sont constitués d'une couche épaisse de béton armé, précontraint ou fibré, sur la surface de laquelle est fixée une couche plus fine d'un mortier réfractaire présentant une résistance mécanique à 28 jours de l'ordre de 25 MPa. Du fait de la résistance mécanique de ce mortier, il est possible de ne pas augmenter cette épaisseur.
De façon surprenante et inattendue, la Société Déposante a trouvé qu'il était possible d'utiliser des bétons hautes performances adjuvantés en fibres présentant un point de fusion inférieur à 300 C, de préférence inférieur à 250 C et de façon plus préférentielle encore inférieure à 200 C, pour la fabrication ou la protection d'éléments de structure résistants à des conditions extrêmes de température, ledit béton présentant une courbe de dilatation thermique présentant au moins un maximum et/ou comprenant des éléments granulaires en bauxite calcinée, ledit béton ne subissant pas d'éclatement lorsqu'il est soumis à une température d'au moins 950 C, de préférence d'au moins 1000 C, plus préférentiellement d'au moins 1300 C, pendant au moins 1 heure, de préférence pendant au moins 2 heures.
La bauxite utilisée peut être calcinée indifféremment dans des fours rotatifs ou dans des fours verticaux. Elle est ensuite concassée et broyée pour obtenir la granulométrie souhaitée. La granulométrie maximum est
déterminée par la résistance propre des granulats en relation avec les performances en compression attendues sur le béton. L'utilisation conforme à l'invention est telle que le béton ne subit pas d'éclatement lorsqu'il est soumis à au moins l'une des conditions de températures choisies dans le groupe comprenant la norme ISO 834, la courbe hydrocarbure, la courbe hydrocarbure majorée, la courbe RABT ZTV et la courbe RWS (Rijkswaterstaat).
Selon un mode particulier de l'invention, l'utilisation porte sur des bétons comprenant des éléments granulaires en bauxite calcinée, lesdits bétons présentant une courbe de dilatation thermique présentant au moins un maximum. On entend par courbe de dilatation thermique la courbe des micro-déformations (en m /m) en fonction de la température en C, de façon générale, cette courbe est tracée entre 20 et 600 C. Contrairement aux bétons classiques dont la courbe de dilatation est une courbe qui tend vers l'infini, la dilatation thermique des bétons utilisés conformément à l'invention est non monotone, c'est-à-dire que leur courbe de dilatation est une courbe qui présente au moins un maximum, le coefficient de dilatation augmente avec la température assez faiblement puis si la température augmente encore, ce coefficient de dilatation diminue. De façon avantageuse, la courbe de dilatation thermique présente un maximum entre 100 et 300 C. Elle peut également présenter un second maximum, entre 300 et 500 C. Des courbes de dilatation de bétons référentiels de la réglementation française du bâtiment, DTU (documents techniques unifiés), EC2 (Eurocode 2) Siliceux et EC2 calcaire sont données sur la figure 1 à titre de comparaison avec la courbe de dilatation d'un béton utilisé conformément à l'invention. Sans être lié par aucune théorie, on pense que l'absence d'éclatement des bétons utilisés conformément à l'invention résulte d'une part du fait que la courbe de dilatation ne tend pas vers l'infini mais présente un maximum et d'autre part qu'il se forme une couche limitée réfractaire à la surface directement en contact avec les températures extrêmes, couche qui agit comme un isolant pour le reste du béton, qui de ce fait ne subit pas des températures extrêmes. Le béton utilisé conformément à l'invention est adjuvanté par 0,01 à 0,5% en volume, de préférence 0,05 à 0,4% en volume, plus préférentiellement encore 0,1 à 0,3% en volume de fibres de point de fusion inférieur à 300 C, de préférence inférieur à 250 C, et plus préférentiellement inférieur à 200 C. Ces fibres sont choisies dans le groupe comprenant les homopolymères ou copolymères de polyacrylamide, polyéther sulfone, poly(chlorure de vinyle), polyéthylène, polypropylène, polystyrène, polyamide et poly(alcool vinylique), seul ou en mélange. Ces fibres ont une longueur comprise entre 2 et 20 mm, de préférence entre 4 et 16 mm et plus préférentiellement encore entre 5 et 15 mm. Leur diamètre est de l'ordre de quelques microns à quelques dizaines de microns. Des fibres particulièrement appropriées sont des fibres de polypropylène, de préférence ayant une longueur de 6 mm ou 12 mm et un diamètre de 18 m. Les bétons utilisés selon l'invention possèdent une matrice très compacte et présentent donc une masse volumique élevée. La masse volumique est généralement de 2,2 à 5 kg/m3 à 20 C, de préférence de 2,5 à 4,5 kg/m3 à 20 C et plus préférentiellement de 2,7 à 2,9 kg/m3 à 20 C, par exemple de 2,75 à 2,85 kg/m3 à 20 C. Les bétons utilisés selon l'invention sont des bétons hautes performances, c'est-à-dire présentant une résistance à la compression de 20 à 40 MPa, ces bétons étant généralement utilisés avec des armatures de renfort. De préférence, les bétons utilisés conformément à l'invention sont des bétons très hautes performances, c'est-à-dire présentant une résistance à la compression de l'ordre de 50-100 MPa et une résistance à la traction de 2 à 5 MPa environ, et même ultra-hautes performances. Ces derniers sont particulièrement utiles pour la construction d'éléments précontraints ou non précontraints qui nécessitent des performances mécaniques supérieures et présentent une résistance à la flexion élevée d'au moins 20 MPa, et une résistance à la compression à 28 jours d'au moins 140 MPa et un module d'élasticité à 28 jours de 45 GPa, ces valeurs étant obtenues pour un béton conservé à 20 C.
Afin de présenter de telles caractéristiques, les bétons utilisés selon l'invention incorporent des fibres de renfort qui sont ou bien métalliques ou bien des fibres de verre ou bien des fibres organiques ou synthétiques, ou des mélanges de ces fibres.
Les fibres métalliques peuvent être choisies dans le groupe comprenant les fibres en acier telles que les fibres en acier amorphe, acier inoxydable. Les fibres en acier peuvent éventuellement être recouvertes d'un métal non ferreux tel que le cuivre, le zinc, le nickel (ou autres alliages). Les fibres organiques ou synthétiques de renfort peuvent être choisies parmi les fibres de carbone, les fibres de Nylon, les fibres d'aramide, les fibres de Kevlar , les fibres de poly(alcool vinylique), ou des mélanges de ces fibres. La longueur moyenne des fibres de renfort est de 5 à 30 mm, de préférence de 10 à 25 mm et plus préférentiellement encore de 10 à 20 mm. Leur diamètre est de 0,1 à 1 mm, de préférence de 0,2 à 0,5 mm et plus préférentiellement encore de 0,2 à 0,3 mm. Des fibres de différentes longueurs et de différents diamètres peuvent être utilisées en mélange.
La forme des fibres de renfort peut être de géométrie variable, par exemple, en forme de crochet, ondulée, etc., Les fibres de renfort sont présentes à raison de 0,5 à 12% en volume, de préférence de 1 à 10% en volume, et plus préférentiellement encore de 1,5 à 8% en volume de fibres de renfort. Contrairement aux bétons haute performance ou très haute performance classique, les bétons de l'invention conservent un module d'élasticité élevé, même après avoir été soumis à des conditions extrêmes de température.
Sans vouloir être lié par une quelconque théorie, on pense que ceci est rendu possible par la structure très compacte de la matrice, c'est-à-dire à leur masse volumique élevée. Ainsi un béton présentant un module d'élasticité de 50 GPa à 20 C, présentera un module d'élasticité de 10 GPa après avoir été soumis à une température de 600 C pendant 1 heure. Selon un mode de réalisation particulier, le béton utilisé conformément à l'invention comprend un mélange de sables de différentes granulométries, le sable le plus fin ayant une granulométrie moyenne inférieure à 1 mm et le sable le plus grossier ayant une granulométrie moyenne inférieure à 10 mm, ledit mélange de sables comprenant au moins un sable de bauxite calcinée. De façon avantageuse, le mélange de sables comprend au moins deux sables de bauxite de granulométrie différente. Selon un autre mode de réalisation, le béton utilisé conformément à l'invention comprend: - un ciment, des particules ultra-fines choisies dans le groupe comprenant de la fumée de silice dont 40% des particules ont une dimension inférieure 1 m, le diamètre moyen étant voisin de 0,2 m, de préférence 0,1 m, du carbonate de calcium dont les particules présentent une surface spécifique égale ou supérieure à 10 m2/g, de préférence égale ou supérieure à 15 m2/g, et mieux de l'ordre de 20 m2/g, ainsi qu'un indice de forme IF égal ou supérieur à 0,3, de préférence égal ou supérieur à 0,4, et leurs mélanges, un mélange de sables de différentes granulométries, le sable le plus fin ayant une granulométrie moyenne inférieure à 1 mm et le sable le plus grossier ayant une granulométrie moyenne inférieure à 10 mm, ledit mélange de sables comprenant au moins un sable de bauxite calcinée un agent anti-mousse un superplastifiant réducteur d'eau, des fibres présentant un point de fusion inférieur à 25 300 C, de préférence inférieur à 250 C et plus préférentiellement encore inférieur à 200 C, éventuellement des fibres de renfort, et de l'eau, le ciment, les sables et les particules ultrafines 30 présentant une répartition granulométrique telle que l'on ait au moins trois et au plus cinq classes granulométriques différentes, le rapport entre le diamètre moyen d'une classe granulométrique et de la classe immédiatement supérieure étant d'environ 10. Avec les autres sables utilisés en mélange avec le sable de bauxite calcinée on peut aussi utiliser des granulats présentant de très grandes résistance et dureté tels que, notamment des granulats de corindon, d'émeri ou des résidus de métallurgie tels que du carbure de silicium. De façon avantageuse, on utilise un béton comprenant un mélange de deux ou trois sables de bauxite calcinée de différentes granulométries qui est par exemple constitué par - un sable de granulométrie moyenne inférieure à 1 mm comprenant 20% de granulats de dimension inférieure à 80 microns, - un sable de granulométrie comprise entre 3 et 7 mm, - et éventuellement un sable de granulométrie comprise entre 1 et 3 mm. Le sable de plus petite granulométrie peut être remplacé en totalité ou partiellement par : du ciment, des additions minérales telles que du laitier broyé, des cendres volantes ou encore du filler de bauxite calcinée dont le diamètre moyen est voisin de celui du ciment, pour ce qui est de la fraction de 20% de granulats de dimension inférieure à 80 m, et du sable de granulométrie supérieure à lmm, par exemple 3 à 7 mm), pour ce qui est de l'autre fraction. De façon à éviter l'inclusion de bulles d'air qui diminueraient la résistance du béton, on utilise un agent anti-mousse utilisé classiquement pour les forages pétroliers c'est-à-dire dans des applications nécessitant un réglage très précis de la densité du matériau coulé. Ces agents anti-mousse sont appelés "defoamer and deaerator admixtures". Ces agents se présentent sous forme sèche ou sous forme liquide. A titre d'exemple de tels agents, on peut citer notamment les mélanges d'alcool dodécylique et polypropylène glycol, les dibutylphtalates, les dibutylphosphates, les polymères de silicone tels que le polydiméthylsiloxane, et les silicates modifiés. Comme agent anti-mousse on peut utiliser un silicate traité avec un glycol polymérisé commercialisé par la Société TROY CHEMICAL CORPORATION sous la marque TROYKYD TM D126. Cet agent anti-mousse peut être directement incorporé dans le superplastifiant réducteur d'eau, auquel cas, il n'est pas nécessaire d'ajouter un agent anti-mousse indépendant. Comme superplastifiant réducteur d'eau, on ne peut pas utiliser tous les produits actuellement sur le marché, cependant on peut utiliser des produits à base de mélamines sulfonées ou de naphtalène ou des polyacrylates, ou leur mélange, mais on préfère utiliser un superplastifiant réducteur d'eau tel que l'OPTIMA 100 TM commercialisé par la Société CHRYSO, ou encore un superplastifiant réducteur d'eau de type éther polycarboxylique modifié, en particulier le GLENIUM TM 51 commercialisé par la Société MBT France. Ce produit peut être sous forme liquide ou sous forme de poudre. On peut également utiliser les agents superplastifiants réducteurs d'eau commercialisés par la Société SIKA sous les dénominations SIKA VISCOCRETE 5.400 F, SIKA VISCOCRETE KRONO 20 HE, SIKA VISCOCRETE KRONO 23HE, SIKA VISCOCRETE TEMPO 10, SIKA VISCOCRETE TEMPO 12, SIKA VISCOCRETE TEMPO 20, SIKA VISCOCRETE TEMPO 22. A titre complémentaire, pour réduire la teneur globale en alcalins (si la nature des granulats ou encore la quantité de fumée de silice est supérieure à 10% de la masse du ciment) la neutralisation des fluidifiants pourra être choisie à base calcique plutôt que sodique. Selon un mode de réalisation particulièrement 5 avantageux, le béton utilisé conformément à l'invention comprend, en parties en poids: 100 de ciment; de 5 à 200, de préférence de 60 à 180 et plus préférentiellement encore de 80 à 160 de mélange de sables 10 comprenant au moins un sable de bauxite calcinée; de 6 à 25, de préférence de 6 à 20, de fumée de silice; de 0,1 à 10, de préférence de 0,2 à 5 d'agent anti-mousse; de 0,1 à 10, de préférence de 0,5 à 5 de superplastifiant réducteur d'eau; 15 de 0,01 à 1,0, de préférence de 0,1 à 0,4 de fibres de point de fusion inférieur à 300 C, de préférence inférieur à 250 C et plus préférentiellement encore inférieur à 200 C, de 0 à 50, de préférence de 2 à 25 de fibres de renfort; 20 et de 10 à 30, de préférence de 10 à 20 d'eau. Par ailleurs, on peut ajouter dans la composition de béton selon l'invention de 0,5 à 3 parties, de préférence de 0,5 à 2 parties, et plus préférentiellement encore 1 partie d'oxyde de calcium ou de sulfate de calcium. L'oxyde 25 de calcium ou le sulfate de calcium est ajouté sous forme pulvérulente ou micronisée et doit permettre de compenser le retrait endogène inhérent aux formulations à base de liants hydrauliques associées à de très faibles quantités d' eau. 30 Il est également possible d'utiliser des fillers de bauxite calcinée (dont le diamètre moyen est inférieure à 80 m) en substitution partielle du ciment et de la fumée de silice, ce qui permet par exemple d'ajuster le module d'élasticité qui peut ainsi varier de 60 GPa à 75 GPa. Ce
même ajustement correspond également à des modifications de caractéristiques de déformations différées (retrait fluage). L'utilisation selon l'invention est tout à fait appropriée aux bétons décrits dans les demandes de brevet de la Société Déposante EP 0 934 915 et FR 2 866 330. Conformément à l'invention, l'utilisation du béton peut être faite pour la fabrication complète de pièces ou d'éléments de structure. Dans ce cas, l'homme du métier choisira un béton très hautes performances ou ultra-hautes performances. Elle peut également être faite pour la protection de pièces ou éléments de structure. Dans ce cas, le corps de la pièce ou de l'élément de structure est en béton classique armé ou fibré afin de présenter la résistance mécanique suffisante et ledit béton résistant est disposé sur les surfaces de l'élément ou de la pièce de structure qui sont soumises à des conditions extrêmes. Ainsi, des pièces ou éléments de structure présentant deux couches de bétons différents sont réalisés. Elles sont fabriquées par sur-coulage frais-frais du béton résistant aux conditions extrêmes de température sur le béton support, ou bien, une première pièce support est préparée avec sur la surface où va être disposée la couche de béton résistant aux conditions extrêmes de température, des éléments d'ancrage, et lorsque ce béton support est sec, on coule sur la surface comprenant les éléments d'ancrage une couche de béton résistant aux conditions extrêmes de température. La présente invention porte ainsi sur des poteaux, poutres, poutrelles, planchers, plaques, voussoirs bi- couches, dont la couche en contact avec les températures extrêmes est réalisée en un béton présentant une courbe de dilatation avec un maximum et/ou en béton comprenant du sable de bauxite calcinée, tel que décrit précédemment. La couche en béton résistant aux températures extrêmes est de faible épaisseur par rapport à l'épaisseur du béton support, non pas pour des raisons de résistance totale de la structure mais pour des raisons économiques. Cette couche est d'au moins 2 cm, de préférence d'au moins 5 cm et plus préférentiellement d'au moins 10 cm. Conformément à l'invention, le béton présentant une courbe de dilatation thermique avec un maximum et/ou contenant des éléments granulaires en bauxite calcinée peut également être utilisée comme couche de protection sur tout matériau support, notamment sur des poutres, poutrelles ou portes métalliques.
L'invention est particulièrement utile pour la réalisation de voussoirs préfabriqués destinés à être placés dans l'excavation d'un tunnel. Pour des raisons de coût, les voussoirs ne peuvent pas être réalisés en totalité avec des bétons décrits précédemment comprenant des éléments granulaires en bauxite calcinée. Ils sont donc réalisés avec deux couches différentes de béton. La première couche qui est placée avec une première face contre la paroi du tunnel est en béton armé ou fibré classique et la seconde couche est disposée sur la face opposée et est réalisée en béton résistant aux températures extrêmes présentant une courbe de dilatation thermique avec un maximum et/ou comprenant du sable de bauxite calcinée. Compte tenu du fait que le béton résistant aux températures extrêmes présente des performances mécaniques aussi bonnes que le béton de la couche principale, l'épaisseur totale du voussoir n'a pas à être augmentée et peut même être réduite par rapport à un voussoir non protégé contre les températures extrêmes.
La figure 2 représente une coupe d'un voussoir bicouche selon l'invention dont les deux couches sont rendues solidaires par la complémentarité de leur surface de contact. Les deux couches peuvent en outre être solidarisées par la présence d'éléments d'ancrage courts. De tels éléments d'ancrage courts peuvent s'avérer utiles lorsque les contraintes auxquelles sont soumises les pièces sont très fortes. De façon avantageuse, le voussoir présente une épaisseur totale (E+e) inférieure à l'épaisseur d'un voussoir de tunnel classique. En effet, un voussoir de tunnel classique a une épaisseur de 40 à 50 cm et le voussoir bi-couche conforme à l'invention permet de réduire l'épaisseur totale jusqu'à 30%, par exemple de 5 à 20%.
Le procédé de préparation d'éléments bi-couches selon l'invention comprend la préparation d'une couche principale (2) en béton armé et ou fibré comprenant une surface (2a) dotée de rainures continues ou discontinues, par exemple en forme de queue d'aronde, dans lesquelles sont éventuellement ancrés des éléments de fixation, le durcissement de la couche principale, le coulage sur la face (2a) comportant les rainures et éventuellement les éléments d'ancrage, du béton résistant 25 aux températures extrêmes. Les rainures utiles pour la bonne cohérence des deux couches peuvent avoir une forme quelconque, par exemple tenon-mortaise, queue d'aronde. Un autre procédé de prépartion comprend : 30 - la préparation d'une couche de protection (3) en béton résistant aux températures extrêmes, comprenant une surface (3a) dotée de rainures continues ou discontinues, par exemple en forme de queue d'aronde, dans lesquelles sont éventuellement ancrés des éléments de fixation, le durcissement de la couche de protection, le coulage sur la face (3a) comportant les rainures et 5 éventuellement les éléments d'ancrage, du béton armé ou fibré de la couche principale (2) Avantageusement, les deux couches ne sont pas solidarisées par des éléments d'ancrage mais par une liaison de type queue d'aronde ou similaire, tenon- 10 mortaise, qui est rendue possible par les capacités mécaniques du béton résistant aux températures extrêmes (résistance à la traction et au cisaillement en particulier). Selon un autre mode de réalisation et notamment dans le 15 cas où les pièces sont soumises à de très fortes contraites mécaniques, la liaison entre les 2 couches peut également se faire en utilisant en outre des pièces de jonction métalliques ou non, ou des connecteurs métalliques ou non, des armatures en attente sur lesquelles est coulée la 20 seconde couche. Les éléments de structure bi-couches selon l'invention sont non seulement utiles en tant que voussoirs de tunnel et éléments de tunnels, mais également comme éléments de centrales thermiques, centrales nucléaires, plateforme 25 pétrolière, bassin de rétention de produits chimiques, containers de déchêts, containers de déchêts radioactifs, raffinerie de pétrole, pompe à essence, parking souterrain, murs et plafonds anti-bruits pour voies de circulation. L'invention va être illustrée ci-après à l'aide des 30 exemples suivants qui ne sont pas limitatifs.
EXEMPLES Exemple 1 Des éprouvettes cylindriques de dimensions 104 mm X 300 mm ont été préparées en utilisant la composition de béton 5 suivante . -ciment : 936 kg/m3 de - fumée de silice : 142 kg/m3 mélange de sables de bauxite calcinée : 1277 kg/m3 présentant un Dmax de 7mm, un D50 de 35 microns, un D75 10 de 500microns et un D90 de 4500 microns. - Eau : 216 kg/m3 - Superplastifiant-réducteur d'eau : 44,6 kg/m3 - Fibres métalliques : 195 kg/m3 - Fibres Polypropylène commercialisées sous la marque 15 Confiber 23 : 3 kg/m3 (longueur 12 mm ou 6 mm) Le ciment utilisé est un ciment HTS Le Teil commercialisé par Lafarge. La fumée de silice est commercialisées par la Société ELKEM 20 sous la référence 983 U refractory grade. Les fibres de polypropylène sont utilisées de diamètre 18 microns et de longueur 6 mm ou 12 mm. Les fibres métalliques de renfort utilisées sont des fibres en acier droites de 0,3 mm de diamètre et de 20 mm de 25 longueur. Le superplastifiant réducteur d'eau est commercialisé par la société SIKA sous la dénomination Viscocrete 5400F. Sur ces éprouvettes, on a mesuré le coefficient de 30 dilatation thermique de 0 à 600 C. La courbe obtenue est représentée sur la Figure 1 sur laquelle apparaissent également les courbes théoriques réglementaires de dilatation DTU, EC2 Siliceux et EC2 Calcaire. Le coefficient de dilatation a été déduit de la courbe moyenne de déformation thermique par l'expression 5 suivante . Eth th a(Ti) i= Ti - Ti_1
10 On obtient ainsi une courbe du coefficient de dilatation en fonction de la température telle que représentée sur la figure 2.
15 Exemple 2 Les éprouvettes cylindriques de l'exemple 1 ont été soumises à une élévation rapide de température selon la courbe HCM (hydrocarbure majorée), qui est caractéristique d'un incendie de tunnel. 20 Il ressort de ces essais qu'après 1 heure, les éprouvettes ne présentent pas dephénomènes d'éclatement. L'aspect des éprouvettes reste stable jusqu'à une température de l'ordre de 900 C et 1000 C. Au-delà, une coloration brune des fibres métalliques apparaît. 25 Exemple 3 Avec le béton de l'exemple 1, on a préparé : deux colonnes Cl et C2 de section transversale 350 mm x 125 mm et de hauteur 1500 mm, précontraintes à 51 MPa, Cl avec 30 des fibres de PP de 6mm de longueur et C2 avec des fibres de PP de 12 mm de longueur; un mur de dimension 1950 x 1700 X 220, précontraint à 52 MPa, avec des fibres de PP de 12 mm de longueur ; une poutrelle en I de dimension 150 X 240 X 2500, précontrainte à 480kN, avec des fibres de PP de 12 mm de longueur ; un bloc de 700 X 700 x300 avec des fibres PP de 12 mm de 5 longueur. Pour chaque spécimen, a quantité de fibres de PP était de 3kg/m3, il s'agissait de fibres de marque Confiber de 18 microns de diamètre.
10 Les échantillons ont été exposés à un feu ISO-834. Aucun éclatement des échantillons ne s'est produit après une heure, et les seuls défauts observés étaient des fissures superficielles très finement distribuées et orientées dans la direction de la pré-compression. Il n'est pas apparu de 15 différence entre les échantillons avec des fibres de polypropylène (PP) de 6 mm et ceux avec des fibres PP de 12 mm Ces très bons résultats sont obtenus alors que leséchantillons ont été testés en charge. 20 Les figures 10 et 11 illustrent ces résultats. La figure 10 est une photographie de la poutrelle avant le test (figure l0a) et après le test (figure 10b). La figure 11 est une photographie du bloc avant le test (figure lla) et après le test (figure lib). 25 Ni les surfaces, ni les angles de ces pièces n'ont subi d'écaillement.
Exemple 4 : 30 Dans cet exemple, on décrit un voussoir bi-couche selon la figure 3. L'épaisseur totale du voussoir est de 35 cm la première couche représentant une épaisseur E de 29 cm et la couche résistant aux températures extrêmes présente une épaisseur e de 6 cm. La pièce en béton préfabriqué appelé voussoir (1) comprend : une paroi principale en béton B80MPa armé, (2) une couche mince (3) en béton B tel que défini dans l'exemple 1 (longueur des fibres de PP 12 mm), la couche mince assurant un rôle de protection mécanique et de protection thermique.
La liaison entre les 2 couches se fait sans utilisation de pièces de jonction métalliques ou non ou connecteurs métalliques ou non, armatures en attente, ce qui la distingue des autres procédés. Cette liaison de type queue d'aronde ou similaire, tenon-mortaise, est rendue possible par les capacités mécaniques du béton B, (résistance à la traction et au cisaillement en particulier). Elle est coulée dans un moule à voussoirs, en général extrados vers le haut, intrados en fond de moule.
L'intrados est muni de rainures (4) continues ou discontinues en queue d'aronde (5) obtenues par utilisation de réservations en caoutchouc, silicone ou tout autre matériau souple permettant le démoulage de la rainure. Ces réservations (6) sont fixées temporairement au fond de moule (figure 5). Après durcissement, on enlève la pièce (2) du moule et on extrait les rainures en matériau souple (6). On obtient ainsi la pièce (2) telle que représentée sur la figure 6.
On procède alors au bétonnage de la couche (3) en Béton B. Le bétonnage sera facilité par retournement de la pièce (2), que l'on pose à chant avant bétonnage de la pièce (3).
On pourra également remplir l'intervalle entre la pièce (2) et le coffrage (7) comme représenté sur la figure 7, par injection du Béton B. Après durcissement de la couche de Béton B (3), on procède 5 au démoulage et au stockage avant utilisation. Le Béton B ayant des propriétés mécaniques nettement supérieures au béton B80MPa qu'il protège, les parois intérieures des voussoirs sont plus résistantes aux chocs, à l'abrasion que sans protection. 10 L'indice CNR (Test effectué par la Compagnie Nationale du Rhône) de résistance aux chocs est : 150 à 250 pour le béton B80MPa de la paroi principale (2) 55 pour le Béton B de la couche (3) L'indice CNR de résistance à l'abrasion est : 15 2,8 pour le béton B80 MPa et de 0,8 à 0,9 pour le Béton B.
Exemple 5 : Un autre voussoir est préparé de la façon suivante, en utilisant du béton B (tel que décrit dans l'exemple 1 avec 20 longueur fibres de PP de 6 mm) en tant que béton de la couche de protection et un béton ordianire B30MPa. Ce voussoir est préparé de la façon suivante : la pièce (3) en Béton B est préalablement préfabriquée dans un coffrage séparé (figure 8) puis cette pièce est retirés du 25 moule et insérée au fond d'un moule 8 et le béton de la pièce (2) est coulé par-dessus (figure 9). Le béton B ayant des propriétés mécaniques nettement supérieures au béton qu'il protège, les parois intérieures des voussoirs sont plus résistantes aux chocs, à l'abrasion 30 que sans protection. L'indice CNR de résistance aux chocs est : 150 à 250 pour le béton de la couche principale (2) 66 pour le Béton B fibres synthétiques de la couche (3) L'indice CNR de résistance à l'abrasion est de 4 pour le béton ordinaire B30MPa et de 0,8 à 0,9 pour le Béton B.

Claims (21)

REVENDICATIONS
1. Utilisation d'un béton haute performance adjuvanté en fibres présentant un point de fusion inférieur à 300 C, de préférence inférieur à 250 C et de façon plus préférentielle encore inférieure à 200 C, pour la fabrication ou la protection d'éléments de structure résistants à des conditions extrêmes de température, ledit béton présentant une courbe de dilatation thermique présentant au moins un maximum et/ou comprenant des éléments granulaires en bauxite calcinée, ledit béton ne subissant pas d'éclatement lorsqu'il est soumis à une température d'au moins 950 C, de préférence d'au moins 1000 C, plus préférentiellement d'au moins 1300 C, pendant au moins 1 heure.
2. Utilisation selon la revendication 1, selon laquelle ledit béton présente une masse volumique de 2,2 à 5 kg/m3 à 20 C, de préférence de 2,5 à 4,5 kg/m3 à 20 C et plus préférentiellement de 2,7 à 2,9 kg/m3 à 20 C, par exemple de 2,75 à 2,85 kg/m3 à 20 C.
3. Utilisation selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, selon laquelle le béton comprend des fibres de renfort 25
4. Utilisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, selon laquelle le béton ne subit pas d'éclatement lorsqu'il est soumis à au moins l'une des conditions de températures choisies dans le groupe comprenant la norme ISO 834, la courbe 30 hydrocarbure, la courbe hydrocarbure majorée, la courbe RABT ZTV et la courbe RWS (Rijkswaterstaat).
5. Utilisation selon l'une quelconque des revendications 1, 3 à 4, dans laquelle le béton présente une courbe de dilatation thermique présentant ledit maximum entre 100 et 300 C.
6. Utilisation selon l'une quelconque des revendications 1, 3 à 5, dans laquelle la courbe de dilatation du béton présente un second maximum entre 300 et 500 C.
7. Utilisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle le béton est adjuvanté par 0,01 à 0,5% en volume, de préférence 0,05 à 0,4% en volume, plus préférentiellement encore 0,1 à 0,3% en volume de fibres de point de fusion inférieur à 300 C, de préférence inférieur à 250 C, et plus préférentiellement inférieur à 200 C.
8. Utilisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle le béton est adjuvanté par des fibres de polypropylène.
9. Utilisation selon l'une quelconque des revendications 3 à 8, dans laquelle les fibres de renfort sont des fibres métalliques ou des fibres organiques.
10. Utilisation selon l'une quelconque des revendications 3 à 9, selon laquelle le béton comprend de 2 à 12% en volume, de préférence de 4 à 10% en volume, et plus préférentiellement encore de 5 à 8 % en volume de fibres de renfort.
11. Utilisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, selon laquelle le béton comprend un mélange de sables de différentes granulométries, le sable le plus fin ayant une granulométrie moyenne inférieure à 1 mm et le sable le plus grossier ayant une granulométrie moyenne inférieure à 10 mm,ledit mélange de sables comprenant au moins un sable de bauxite calcinée
12. Utilisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 11 selon laquelle le béton comprend: - un ciment, - des particules ultra-fines choisies dans le groupe comprenant de la fumée de silice dont 40% des particules ont une dimension inférieure 1 m, le diamètre moyen étant 10 voisin de 0,2 m, de préférence 0,1 m, du carbonate de calcium dont les particules présentent une surface spécifique égale ou supérieure à 10 m2/g, de préférence égale ou supérieure à 15 m2/g, et mieux de l'ordre de 20 m2/g, ainsi qu'un indice de forme IF égal ou supérieur à 15 0,3, de préférence égal ou supérieur à 0,4, et leurs mélanges, - un mélange comprenant du sable de bauxite calcinée de différentes granulométries, le sable le plus fin ayant une granulométrie moyenne inférieure à 1 mmm et le sable le plus 20 grossier ayant une granulométrie moyenne inférieure à 10 mm, - un agent anti-mousse, - un superplastifiant réducteur d'eau, - des fibres présentant un point de fusion inférieur à 300 C, de préférence inférieur à 250 C et plus préférentiellement 25 encore inférieur à 200 C, - éventuellement, des fibres de renfort, - et de l'eau, le ciment, les sables et les particules ultrafines présentant une répartition granulométrique telle que l'on ait au moins 30 trois et au plus cinq classes granulométriques différentes, le rapport entre le diamètre moyen d'une classe granulométrique et de la classe immédiatement supérieure étant d'environ 10.
13. Utilisation selon la revendication 12, selon laquelle le béton comprend, en parties en poids: 100 de ciment; de 5 à 200, de préférence de 60 à 180 et plus préférentiellement encore de 80 à 160 de mélange de sables comprenant au moins un sable de bauxite calcinée; de 6 à 25, de préférence de 6 à 20, de fumée de silice; de 0,1 à 10, de préférence de 0,2 à 5 d'agent anti-mousse; de 0,1 à 10, de préférence de 0,5 à 5 de superplastifiant réducteur d'eau; de 0,01 à 1,0, de préférence de 0,1 à 0,4 de fibres de point de fusion inférieur à 300 C, de préférence inférieur à 250 C et plus préférentiellement encore inférieur à 200 C, de 0 à 50, de préférence de 2 à 25 de fibres de renfort; 15 et de 10 à 30, de préférence de 10 à 20 d'eau.
14. Utilisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, selon laquelle ledit béton est un béton très hautes performances ou un béton ultra-hautes performances.
15. Utilisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, selon laquelle ledit béton est disposé sur les surfaces de l'élément de structure qui sont soumises à des conditions extrêmes.
16. Pièce ou élément de structure bi-couche comprenant une première couche en béton armé ou fibré solidaire d'une seconde couche en béton selon l'une quelconque des revendications 1 à 15.
17. Pièce ou élément selon la revendication 16 qui est un voussoir de tunnel. 20 25 30
18. Pièce ou élément selon la revendication 17 dont l'épaisseur totale (E+e) est réduite jusqu'à 30% par rapport à l'épaisseur d'un voussoir de tunnel classique.
19. Procédé de fabrication de pièce ou élément de structure bi-couche selon l'une des revendications 16 à 18, qui comprend - la préparation d'une couche principale (2) en béton armé et ou fibré comprenant une surface (2a) dotée de rainures continues ou discontinues, par exemple en forme de queue d'aronde, dans lesquelles sont éventuellement ancrés des éléments de fixation, - le durcissement de la couche principale, le coulage sur la face (2a) comportant les rainures et éventuellement les éléments d'ancrage, du béton résistant 15 aux températures extrêmes.
20. Procédé de fabrication de pièce ou élément de structure bi-couche selon l'une des revendications 16 à 18, qui comprend - la préparation d'une couche de protection (3) en béton 20 résistant aux températures extrêmes, comprenant une surface (3a) dotée de rainures continues ou discontinues, par exemple en forme de queue d'aronde, dans lesquelles sont éventuellement ancrés des éléments de fixation, - le durcissement de la couche de protection, 25 - le coulage sur la face (3a) comportant les rainures et éventuellement les éléments d'ancrage, du béton armé ou fibré de la couche principale (2).
21. Utilisation d'éléments de structure bi-couches selon la 30 revendication 17, ou préparés selon la revendication 19 ou 20, pour voussoirs de tunnel, éléments de tunnels, centrales thermiques, centrales nucléaires, plateforme pétrolière, bassin de rétention de produits chimiques, containers dedéchêts, containers de déchêts radioactifs, raffinerie de pétrole, pompe à essence, parking souterrain, murs et plafonds anti-bruits pour voies de circulation.
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