FR3101271A1

FR3101271A1 - Coque structurelle en bfuhp

Info

Publication number: FR3101271A1
Application number: FR1910641A
Authority: FR
Inventors: Jean-Philippe Ricard; Bertrand Petit; Alain HUYNH-TUONG; Charles Bouyssou; Nicolas FABRY
Original assignee: Soletanche Freyssinet SA
Current assignee: Soletanche Freyssinet SA
Priority date: 2019-09-26
Filing date: 2019-09-26
Publication date: 2021-04-02
Anticipated expiration: 2039-09-26
Also published as: FR3101271B1

Abstract

Procédé de réalisation d’une coque en BFUHP comprenant une première étape consistant à réaliser un coffrage par impression 3D d’un BFUHP de coffrage, et une deuxième étape consistant à projeter un BFUHP de projection sur le coffrage.

Description

COQUE STRUCTURELLE EN BFUHP

L’invention concerne le domaine de la réalisation d’éléments de structures en bétons à hautes performances (BHP) et en bétons fibrés à ultra haute performance (BFUHP), en particulier les éléments de type coque et panneaux.

Les bétons regroupés sous l’appellation BHP sont des bétons haut de gamme dont le ciment, les agrégats et les adjuvants permettent d’atteindre une résistance caractéristique en compression fck (ou fc28) comprise entre 40 et 100 MPa.

Les bétons regroupés sous l’appellation BFUHP sont des bétons haut de gamme renforcés par des fibres métalliques, polymères ou minérales. Ces fibres, combinées à des agents plastifiants appropriés, interagissent avec la matrice cimentaire, permettent d’obtenir un comportement ductile en traction et de s’affranchir ou de limiter l’emploi d’armatures passives. Ces bétons présentent une plus grande résistance en traction et en compression que les bétons à hautes performance classiques avec une résistance caractéristique en compression fck (ou fc28) supérieure à 130 MPa

Afin de réaliser des éléments structurels en BFUHP, il est connu de recourir à un coffrage, typiquement un coffrage en bois, un coffrage métallique ou un coffrage en matériau polymère, que l’on remplit ensuite de BFUHP par coulage, ce qui n’est pas pleinement satisfaisant pour répondre à certains cahiers de charges.

La fabrication d’éléments de formes complexes fait de plus en plus souvent appel à des techniques d’impression tridimensionnelles, notamment de type fabrication additive.

La fabrication additive est un ensemble de techniques de fabrication couche par couche. La matière est donc déposée en strates.

L’intérêt majeur du procédé est qu’il permet de s’affranchir du recours à un coffrage, coffrage qui est nécessaire aussi bien pour un béton coulé que pour un béton projeté. Le procédé est donc particulièrement avantageux pour réaliser des éléments dont les formes sont complexes. Le procédé selon l’invention présente également une avantageuse rapidité d’exécution en réservant le recours à l’impression tridimensionnelle à la seule peau coffrante, par comparaison avec l’impression d’éléments volumiques complets.

Toutefois, l’adhésion entre les différentes strates doit être suffisante pour permettre une bonne stabilité de la structure. Une première difficulté surgit donc en raison d’un possible défaut de cohésion ou de tenue mécanique pouvant être lié à l’emprisonnement possible d’air entre deux couches adjacentes. Une deuxième difficulté inhérente aux techniques de fabrication additive provient du contrôle très précis qu’il convient d’avoir sur le niveau de séchage du béton. En effet, si le béton est encore frais il risque de s’affaisser, tandis que s’il a fait prise il y a un risque accru de décohésion des strates.

L’utilisation d’un béton fibré permet d’obtenir un matériau présentant des propriétés de résistance à la traction et à la compression au sein de chaque strate mais limite la résistance aux joints ou interfaces entre strates adjacentes. En effet, les fibres du béton d’une strate ne pénètrent généralement pas la strate précédente sur laquelle elle est déposée, de sorte qu’il n’existe aucune garantie concernant la continuité du réseau d’armature constitué par les fibres.

Les pièces en béton de l’état de l’art réalisées par fabrication additive sont donc des pièces destinées à être soumises principalement à des contraintes de compression : des sollicitations trop intenses en traction ou en cisaillement ne seraient pas compatibles avec les points de faiblesse localisés aux interfaces entre les différentes strates.

Sont également connus des procédés d’impression tridimensionnels dits indirects, qui regroupent l’ensemble des techniques faisant appel à la fabrication additive à une étape de la fabrication d’un produit en béton, sans pour autant constituer l’ensemble du procédé de fabrication. Il est par exemple connu de fabriquer un moule pour béton par fabrication tridimensionnelle. Cette solution nécessite de réaliser deux peaux de coffrage - interne et externe – entre lesquels le béton est ensuite coulé.

Dans le cas de la réalisation d’un élément en BFUHP, cette solution est problématique car elle supposerait une parfaite maitrise des flux du BFUHP frais lors du coulage afin d’éviter la formation de joints froids. Le terme de joint froid s’entend en ce qu’il correspond à une interface entre deux flux d’écoulement de BFUHP qui se rejoignent et viennent en contact, mais ne se marient pas intimement. La maitrise des flux de coulage serait également nécessaire pour l’alignement préférentiel des fibres de manière à obtenir une pièce aux propriétés conformes à celles calculées lors de son dimensionnement.

Il existe donc un besoin pour réaliser des pièces en BFUHP et en BHP présentant une géométrie complexe. En particulier, il n’existe pas de solution performante par recours à la seule fabrication additive (ou impression 3D).

À cet égard, la Demanderesse est parvenue à mettre au point un nouveau procédé permettant de résoudre ce problème.

Le procédé selon l’invention permet notamment d’utiliser les avantages des techniques de fabrication additive, en particulier la possibilité d’obtenir des objets de géométrie complexe, sans perdre le bénéfice des propriétés mécaniques du BHP ou du BFUHP, en particulier en compression, traction et en cisaillement.

Aussi, un premier objet de la présente invention consiste en un procédé de réalisation d’une coque en BFUHP et/ou en BHP comprenant une première étape consistant à réaliser une peau coffrante par impression 3D (de matériaux cimentaires) d’un BHP ou BFUHP de coffrage, et une deuxième étape consistant à projeter un BFUHP de projection sur la peau coffrante. Cette peau coffrante constitue ce qu’il est convenu d’appeler un coffrage perdu ou participant.

Par « coque » on désigne un solide délimité par deux surfaces localement parallèles (d’épaisseur constante, variant faiblement ou de façon régulière). Les surfaces sont généralement de forme gauche par opposition aux surfaces planes délimitant le volume d’une plaque. Le cas échéant, la « coque mince » désigne une coque d’élancement (i.e. rapport de la plus petite dimension curviligne à l’épaisseur) supérieur ou égal à une valeur plancher, par exemple 5.

La peau coffrante étant réalisé en BHP ou en BFUHP imprimé, elle présente des propriétés mécaniques suffisantes pour lui permettre de résister à la projection consécutive de BFUHP.

Le BHP ou le BFUHP utilisé dans la première étape d’impression 3D, présente de préférence la composition d’un mortier fin, par exemple dont la dimension caractéristique maximale des grains est inférieure à 2 mm. Dans les cas où le béton de coffrage est un BHP, celui-ci est de préférence chargé en fibres organiques pour offrir une résistance accrue à la fissuration. Par ailleurs, la composition du béton de coffrage comprend, de préférence, des composants favorisant son caractère écrouissant (« strain hardening cement composites »).

Ainsi, bien qu’il existe des joints d’interface entre strates (couches successives d’impression) de la peau coffrante qui pourraient compromettre les propriétés mécaniques intrinsèques du BHP ou du BFUHP la constituant, la masse de l’élément structurel est constitué d’un volume de BFUHP projeté d’un seul tenant, de sorte que les propriétés de l’élément structurel soumis à des contraintes de compression, de traction et de cisaillement sont très proches de celles du même élément constitué d’un volume monolithique de BFUHP, obtenu par projection avec une distribution homogène des fibres et une orientation prépondérante dans les directions parallèles à la surface de projection. Les points faibles n’existent que très localement sur la peau coffrante et sont compensés par les propriétés du BFUHP projeté constituant la masse de l’élément. Le procédé selon l’invention permet donc de bénéficier de la souplesse des techniques d’impression tridimensionnelle permettant notamment d’obtenir un élément de forme complexe, tout en s’affranchissant de ses inconvénients liés à la faiblesse potentielle des interactions inter-strates. De la même manière, l’invention permet de bénéficier des excellentes propriétés mécaniques des BHP et des BFUHP, sans pour autant être contraint d’utiliser un coffrage externe en un matériau différent, ou un moulage provisoire.

En outre, les pièces en BFUHP présentent, grâce au caractère monolithique du volume projeté et aux propriétés de sa matrice minérale, une très haute durabilité en particulier vis-à-vis de la pénétration des chlorures.

Par ailleurs, les pièces en BHP et BFUHP ont des capacités mécaniques homogènes, voire uniformes, qui sont prédictibles par calcul, ce qui permet leur dimensionnement conformément aux règlements de calcul en vigueur.

Enfin, le procédé selon l’invention présente une avantageuse rapidité d’exécution sans fabrication de coffrage ni coulage de béton.

Avantageusement le BFUHP de projection présente une teneur en fibres métalliques comprise entre 2 à 3,5% en volume de béton de façon à s’affranchir de l’emploi d’un réseau d’armatures passives et de réduire les temps de réalisation des pièces.

De préférence, le BFUHP de projection présente une fc28 supérieure à 130 MPa voire supérieure à 150 MPa. La fck ou fc28 désigne la résistance caractéristique à la compression du béton après 28 jours, il s’agit d’un paramètre standard pour évaluer les propriétés mécaniques du béton en compression. La valeur de 150 MPa est intéressante car il s’agit de la valeur seuil de la norme NF P 18-470 pour qu’un BFUHP soit considéré comme structurel. En deçà le BFUHP est architectonique si sa fck est supérieure à 130 MPa.

De préférence, le BHP ou BFUHP de coffrage est obtenu par fabrication additive. En effet, bien qu’il existe d’autres techniques d’impression tridimensionnelles qui conviennent à la fabrication du BHP ou BFUHP de coffrage selon l’invention, la fabrication additive permet une utilisation optimale de la matière et limite en particulier les pertes, ce qui est particulièrement intéressant dans le cas de matériaux onéreux tels que le BHP ou le BFUHP. Une autre méthode utilisable est par exemple la fabrication soustractive, qui consiste à tailler un bloc de BHP ou de BFUHP à l’aide d’une machine à commande numérique ou robot lisant un fichier informatique. La fabrication soustractive présente l’avantage d’éviter les limites de résistance mécanique aux joints inter-strates, mais s’accompagne d’une perte de matière significative, ajoutée au risque de fragiliser la surface taillée. De plus, la taille du béton doit être automatisable, ce qui suppose un contrôle très fin des propriétés du BHP ou du BFUHP et de sa cinétique de prise.

Avantageusement, le BHP ou le BFUHP de coffrage et le BFUHP de projection ont des matrices minérales de compositions identiques ou homogènes. En effet, deux bétons de compositions homogènes présenteront une meilleure cohésion à leur interface. De plus, utiliser deux bétons identiques ou homogènes permet de simplifier l’approvisionnement et la logistique inhérente à la mise en place du procédé selon l’invention.

Le procédé selon l’invention peut comprendre en outre une troisième étape de lissage. Le lissage peut concerner la surface projetée et/ou la surface imprimée visible/ En effet, l’état de surface et le rendu recherchés pour la surface extérieure (surface vue, exposée ou de parement) de l’élément structurel peuvent justifier le recours à cette étape de lissage. En outre, l’étape de lissage peut permettre de favoriser la bonne interpénétration entre strates successives, condition qui peut amener une amélioration des propriétés mécaniques de la peau coffrante.

Le procédé selon l’invention peut avantageusement comprendre en outre une étape de renforcement de l’interface entre la peau coffrante et le BFUHP de projection, soit concomitamment à la première étape, soit entre la première et la deuxième étape.

Ainsi, on pourra prévoir d’intégrer des éléments de fixation directement lors de la génération de la peau coffrante, ou après que le béton de coffrage a durci. Ces éléments permettent d’augmenter l’adhérence entre la peau coffrante et le béton projeté et ainsi de garantir une cohésion et une résistance mécanique durable.

Un autre objet de la présente invention consiste en un élément structurel présentant une coque en BHP ou en BFUHP obtenu par un procédé de réalisation selon l’invention.

Un tel élément présente l’avantage de pouvoir présenter une forme complexe, d’excellentes propriétés mécaniques, et de présenter un coût de fabrication réduit comparativement à des éléments équivalents.

Avantageusement, l’élément structurel selon l’invention peut présenter une bonne résistance à la pénétration des chlorures, de par sa compacité et sa faible fissuration en surface (faïençage). Cette résistance à la pénétration des chlorures est évaluée par détermination du coefficient de diffusion des ions chlorure à 90 jours noté DCl-90j (suivant la norme XP P 18-462). La résistance du BFUHP projeté est par exemple supérieure aux exigences de base de la norme NF 18-470 correspondant à une valeur de DCl-90j inférieure à la valeur seuil de 0.5×10^-12m²/s.

La résistance à la pénétration des chlorures est un paramètre particulièrement intéressant dans tous les cas d’applications présentant une forte exposition aux chlorures, tels que des bâtiments en atmosphère maritime, des structures de génie civil soumises à des sels de déverglaçage, etc.

De préférence l’élément selon l’invention présente une forme complexe comme celle des formes gauches (autres que polyèdres), non réglées, à double courbures ou plus généralement à courbure variable, les formes libres, les surfaces de Bézier, les formes non répétitives (i.e motifs ou panneaux tous différents).

L’élément selon l’invention présente de préférence une plus petite dimension, par exemple une épaisseur, comprise entre 3 et 15 cm.

En effet, si cette plus petite dimension est inférieure à 3 centimètres, la part de la peau coffrante dans l’élément structurel risque d’être significative voire prépondérante de sorte que le BFUHP projeté ne compense pas la résistance mécanique plus limité de la peau coffrante de manière aussi satisfaisante que dans le cas d’un élément présentant une plus petite dimension supérieure à 3 cm.

À l'inverse, il peut être nécessaire de limiter la plus petite dimension à 15cm soit une épaisseur projetée limitée à 10 fois la longueur typique des fibres, pour prévenir le risque d’effondrement de la couche de BFUHP projeté, qui existe, même lorsque la projection est réalisée en plusieurs passes.

L’homme du métier saura adapter le procédé selon l’invention de façon à le mettre en œuvre dans une grande variété de circonstances sans sortir du cadre d’icelle. Ainsi des cas où le BFUHP utilisé présente une teneur en fibres différente, des cas où les fibres sont plus longues ou de nature différente, ou encore des cas où le pompage du BFUHP nécessite des dispositions d’emploi particulières.

L’invention pourra être mieux comprise à l’aide de l’exemple de réalisation non limitatif décrit ci-après, et à l’examen du dessin annexé sur lequel ::

Fig. 1

est une représentation simplifiée d’une structure constituée pour une part d’éléments de structure selon l’invention;

Fig. 2

est une vue tridimensionnelle partielle d’un élément structurel en BHP et BFUHP selon l’invention, et;

Fig. 3

regroupe des représentations simplifiées de différentes interfaces entre une peau de coffrage et un béton à projeter sur cette peau.

L’exemple qui suit permettra de mieux appréhender la présente invention, sans pour autant en limiter la portée.

L’exemple illustré à la figure 1 consiste à réaliser une coque destinée à un ensemble de parement architectural d’un bâtiment.

Cette coque est constituée d’éléments structurels selon l’invention. Chaque élément de coque est préfabriqué suivant une géométrie issue de l’ensemble et d’un découpage prédéterminé.

Les éléments structurels sont assemblés sur une structure support qui peut être la structure primaire du bâtiment lui-même ou une structure dédiée (treillis métallique par exemple) à l’interface de cette structure primaire et du parement architectural.

Outre les gains effectifs pour la préfabrication de ces éléments, leur résistance mécanique propre améliorée permet de réduire la capacité, l’encombrement et l’emprise de la structure support de l’ensemble de parement.

L’exemple illustré à la figure 2 consiste à réaliser, dans un premier temps, une seule peau de coffrage en BHP ou en BFUHP par fabrication additive. Il s’agit d’un coffrage perdu constituant une face de l’élément structurel.

La peau de coffrage est donc réalisée strate par strate de façon à obtenir une forme complexe prédéterminée.

Après prise et durcissement de la peau constituant le coffrage perdu, dans un deuxième temps, on projette sur la peau de coffrage un BFUHP comportant 3.25% de fibres métalliques en volume de façon à réaliser un élément monolithique de type coque ayant une épaisseur voisine de 10cm ou 15cm, limitant l’épaisseur projetée à 10 fois la longueur typique des fibres.

Selon ce procédé, l’élément produit a la capacité de reprendre des charges et est donc susceptible d’être employé dans la construction de structures plus complexes, telles que la couverture ou l’habillage d’un bâtiment présentant des formes complexes gauches et non-polyédriques.

Cette peau coffrante peut constituer un parement visible ou -à l’inverse- une surface cachée, fixée sur une structure ou ossature par exemple, la couche de béton projeté constituant alors le parement. La coque imprimée ou la couche de béton projeté peuvent offrir une surface de parement lisse ou -à l’inverse- texturée.

Les éléments fabriqués sont des coques d’élancement Lc/Ep : rapport de la plus petite longueur développée (ou curviligne) Lc dans l’une des deux dimensions de la surface et de l’épaisseur moyenne totale Ep de l’élément structurel constitué de la coque imprimée et de la couche de BFUHP projeté. L’épaisseur Ep correspond à la somme des épaisseurs de la coque imprimée Ep1 d’une part et de la couche de BFUHP projeté Ep2 d’autre part : Ep=Ep1+Ep2.

L’interface entre la peau coffrante en béton imprimé 3D et la couche de BFUHP projeté sur cette coque peut nécessiter un dispositif spécifique afin de garantir sa bonne cohésion et une résistance mécanique durable.

Différentes possibilités sont envisageables.

On dispose d’une première famille de solutions pouvant être mises en œuvre directement lors de l’impression de la peau coffrante. Ainsi, on peut envisager d’utiliser des goujons métalliques, par exemple en acier, déposés par le bras d’impression lors de la génération de la peau coffrante sur la strate n-1 devant la buse d’impression déposant la strate n. Dans ce cas, la densité de goujons est par exemple comprise entre 1 et 20 goujons par m² tandis que la longueur des goujons est choisie en fonction de l’épaisseur Ep1 de la peau coffrante imprimée, et par exemple comprise entre 0.5×Ep1 et 2.0×Ep1. Ce mode de réalisation est illustré à la figure 3.1.

On peut également envisager de réaliser des goujons ou plots en béton frais déposés directement par la buse d’impression après la dépose d’une strate complète et avant la prise de la zone concernée, à l’image d’un plot déposé par une poche à douille de pâtissier. Ce mode de réalisation est illustré à la figure 3.2.

On dispose également d’une deuxième famille de solutions pouvant être mises en œuvre après que l’impression de la peau coffrante est terminée et que le béton imprimé a durci. On peut par exemple, comme illustré à la figure 3.3, prévoir l’installation de goujons ou boulons par perçage et/ou scellement, après prise et durcissement de la coque imprimée. Cette solution est appropriée notamment dans le cas où la coque imprimée n’est pas visible dans l’ouvrage final, le parement étant par exemple réalisé par le béton projeté.

Alternativement, il est possible de réaliser un traitement de surface de la peau coffrante, destinée à recevoir la couche de BFUHP projetée. Ce traitement de surface est par exemple un sablage destiné à préparer une rugosité de surface adaptée à une bonne reprise de bétonnage ou accroche du BFUHP sur cette coque imprimée.

Alternativement, on peut prévoir, comme illustré à la figure 3.4, d’enduire la peau coffrante d’une résine d’accroche, durcie ou souple, offrant une adhérence suffisante à la coque imprimée d’une part, à la couche de BFUHP projeté d’autre part. L’enduction peut par exemple être effectuée par application ou par projection. Il peut y avoir un avantage à préférer une résine souple pour l’interface, pour s’accommoder de dilatations thermiques différentielles entre coque imprimée et couche de BFUHP projeté, en limitant les contraintes mécaniques induites.

Enfin, comme illustré à la figure 3.5, on peut creuser des mortaises ponctuelles sensiblement circulaires dans la coque imprimée par des techniques d’usinage classiques. Le BFUHP projeté constitue alors les tenons associés par remplissage des mortaises.

La fabrication additive de la peau de coffrage permet de fabriquer à moindre coût et rapidement ce coffrage de forme complexe et de produire plus rapidement l’épaisseur de l’élément structurel par projection.

Dans le cas où la peau est en BHP ou en BFUHP, elle présente elle-même une résistance suffisante en compression pour lui permettre de résister aux pressions exercées lors de la projection consécutive de BFUHP.

La projection du BFUHP sur la peau coffrante permet d’obtenir de façon maîtrisée, un alignement prépondérant et préférentiel des fibres métalliques, majoritairement parallèles à la peau de coffrage et donc dans les directions des contraintes principales, et notamment de traction, sollicitant la coque, comme illustré à figure 2 qui est une représentation de la structure du BFUHP projeté.

Après projection, la surface est lissée (ou pas) pour obtenir un fini architectural spécifique et améliorer la cohésion inter-strate du coffrage.

Il est entendu que les modes de réalisation décrits ne sont pas limitatifs et qu’il est possible d’apporter des améliorations à l’invention sans sortir du cadre d’icelle.

À moins que le contraire ne soit précisé, le mot « ou » est équivalent à et/ou. De même, le mot « un » est équivalent à « au moins un » sauf si le contraire est précisé.

Claims

Procédé de réalisation d’une coque en BHP et/ou BFUHP comprenant une première étape consistant à réaliser une peau coffrante par impression 3D d’un BHP ou d’un BFUHP de coffrage, et une deuxième étape consistant à projeter un BFUHP de projection sur la peau coffrante.
Procédé de réalisation d’une coque en BHP et/ou BFUHP selon la revendication 1, dans laquelle le BFUHP de projection présente une teneur en fibres métalliques comprise entre 2 à 3,5% en volume de béton.
Procédé de réalisation d’une coque en BFUHP selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le BFUHP de projection présente une fc28 supérieure à 150MPa.
Procédé de réalisation d’une coque en BFUHP selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le BHP ou BFUHP de coffrage est obtenu par fabrication additive.
Procédé de réalisation d’une coque en BFUHP selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le BHP ou BFUHP de coffrage et le BFUHP de projection ont des matrices minérales de compositions homogènes.
Procédé de réalisation d’une coque en BFUHP selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre une troisième étape de lissage.
Procédé de réalisation d’une coque en BFUHP selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre une étape de renforcement de l’interface entre la peau coffrante et le BFUHP de projection, soit concomitamment à la première étape, soit entre la première et la deuxième étape.
Elément structurel présentant une coque en BFUHP obtenu par un procédé de réalisation selon l’une quelconque des revendications précédentes.
Elément structurel selon la revendication précédente présentant une résistance à la pénétration des chlorures telle que le coefficient de diffusion DCl-90j présente une valeur inférieure à la valeur seuil de 0.5×10^-12m²/s.
Elément structurel selon l’une des revendications 8 ou 9 présentant une forme complexe.
Elément structurel selon l’une des revendications 8 à 10 présentant une plus petite dimension, par exemple une épaisseur, comprise entre 3 et 15 cm.