LU88436A1

LU88436A1 - Béton armé de fibres d'acier présentant une résistance à la flexion élevée

Info

Publication number: LU88436A1
Application number: LU88436A
Authority: LU
Inventors: Dirk Nemegeer; Yves Vancraeynest
Original assignee: Bekaert Sa Nv
Priority date: 1992-05-08
Filing date: 1993-12-14
Publication date: 1994-09-09
Also published as: IL105465A0; DK51693D0; BR9305513A; ES2076129A1; DK174231B1; AU3846793A; WO1993023343A1; ES2076129B1; NO931669L; IT1261475B; SE510685C2; FI105679B; DE4315270A1; CH684794A5; JPH06115988A; FI932087A; KR100251670B1; DE4315270C2; ZA932992B; FI932087A0

Description

La présente ir.vert4 on concerne un béton renforcé avec des fibres d'acier, à résistance a la flexion améliorée, ainsi que les fibres d'acier mises en oeuvre. Les fibres d'acier pour le renforcement du béton sont suffisamment connues. Ces fibres sont incorporées dans un mélange pour la préparation du béton et bien mélangées jusqu'à ce qu'elles soient réparties de manière uniforme dans le mélange. Après durcissement du béton, elles agissent comme un renfort pour le béton.

Afin qu'elles conviennent pour le mélange et le renfort, les fibres d'acier présentent en général une épaisseur comprise entre 0,3 et 1,2 mm, en particulier entre 0,5 et 1 mm, un rapport longueur/épaisseur compris entre 30 et 150, en particulier entre 50 et 100, et une résistance à la traction

O comprise entre 500 et 1600 N/mnr*-, en particulier entre 900 et

O O 1300 N/mm^. Quand cette dernière est inférieure à 500 N/mnr1-, les fibres présentent une résistance trop faible à la déformation à la rupture^du béton, ce qui confère au béton un comportement de fragilisation à la rupture. Et quand elle est Λ supérieure à 1300 N/mm , le comportement de fragilisation à la rupture est pratiquement supprimé et la résistance améliorée de l'acier à la traction ne confère alors plus aucune augmentation de la résistance à la flexion du béton. L'effet renforçateur des fibres d'acier se manifeste spécifiquement par 1'augmentâtion de la résistance à la traction du béton, c'est-à-dire la résistance à la traction du béton à la rupture de la poutre, dans une poutre de béton soumise à une charge de flexion et à l'endroit où la tension maximale apparaît. Cela est caractérisé par ce qu'on appelle le "module de rupture", représenté par la valeur 7 obtenue par la formule: <r = o -, l x B.-'H2 dans laquelle: L est la portée entre les deux points de support d'une poutre d'essai chargée en flexion à l'aide d'une charge qui est appliquée, pour la moitié, à une distance d'un tiers de sa longueur à partir d'un ries points de support et, pour l'autre moitié, à une distance d'un tiers de la longueur à partir de l'autre point de support, B est la largeur de cette poutre d'essai, H est la hauteur de cette poutre d'essai, P est la somme des demi-charges -entionnées ci-dessus, à la rupture,

La valeur obtenue par cette formule correspond en fait à la tension à la rupture dans la partie sous tension de la poutre et qui est la plus éloignée du plan neutre, calculée comme si ladite rupture devait se situer encore dans la partie linéaire de la courbe de tension/dilatation. La présence des fibres fait cependant que le béton ne présente toujours pas de rupture par fragilisation après la première fissure, mais que la courbe de tension/dilatation tend encore d'une manière non linéaire vers un maximum, avec comme conséquence que le béton présente une résistance après fissure nettement plus grande que la résistance à la première fissure. De cette manière, les fibres produisent un accroissement de la résistance à la flexion beaucoup plus marqué, ainsi qu'on l'observe d'après le module de rupture.

On sait que la résistance à la flexion, produite par les fibres de métal, est donnée en première approximation par la formule: F = B x p x L/D Cl)), dans laquelle: B est une constante qui dépend du degré d'ancrage et de l'orientation des fibres dans le béton, et qui, en première approximation, ne dépend pas de la résistance à la traction de l'acier de la fibre, p est le pourcentage en volume des fibres du béton, L/D est le rapport longueur/diamètre de la fibre utilisée.

Il est connu d'utiliser das fibres ayant une forme.peur accrochage c'est-à-dire des fibres qui diffèrent de la forme droite à section constante sur toute la longueur, de manière à obtenir un degré d'ancrage des fibres qui soit aussi fort que possible. Ce sont p.ex. des fibres pourvues de courbures ou d'ondulations, soit sur tout ou partie de leur longueur, soit seulement à leurs extrémités, par exemple des courbures en forme de crochets. Ce sont également des fibres dont la section présente un profil qui varie sur toute leu-· longueur, avec des parties plus épaisses alternant avec des parties plus minces, ou bien un profil aplati alternant avec un profil arrondi, soit sur toute la longueur, soit seulement aux extrémités, p.ex. des épaississements sous forme de t§tes de clous à chacune des extrémités. Ces déformations peuvent §tre mises en oeuvre seules ou en combinaison les unes avec les autres. On peut augmenter le degré d'ancrage en utilisant de telles fibres ayant une forme pour accrochage, mais on peut aussi obtenir l'ancrage ou l'augmenter en grainant la surface de la fibre.

Outre le fait d'améliorer le degré d'ancrage, on sait également qu'on doit choisir un rapport L/D aussi élevé que possible, en tout cas supérieur à 50. Mais, quand des fibres sont fabriquées par réduction de section par écrouissage, p.ex. par laminage, étirage ou allongement à froid, avec un rapport supérieur à environ 120 à 130, alors le diamètre devient trop petit du point de vue de la viabilité économique, si on utilise une longueur de 2,5 à 10 cm acceptable pour le mélange. Le coût de production au kilogramme de la fibre augmente en fait quand la fibre devient plus mince. On ne peut donc pes indéfiniment accroître le rapport L/D.

Si on veut améliorer encore la résistance à la flexion du béton, en utilisant une fibre d'efficacité optimale, on devra, selon la formule Cil, introduire dans le béton une quantité p de fibres aussi grande que possible. On se heurte toutefois, là aussi, à une limite, déterminée par la miscibilité des fibres.

En fait, plus le rapport L/D est grand, plus les fibres seront difficiles à mélanger au sein du béton sans risque d'agglomération, ce qui signifie qu'un rapport L/D plus élevé correspond à un pourcentage maximal plus faible du volume pouvant être mélangé au béton. La limite de miscibilité peut être déterminée par l'expérience Ccf. à ce sujet, le brevet US 4224377), par la formule approchée: p x (L/D) ·* 'J = 1100 au maximum, dans laquelle cette valeur maximale peut ë'tre augmentée jusqu'à un certain point par des mesures spéciales prises pour améliorer la miscibilité, telles que p.ex. introduire les fibres sous une forme dans laquelle elles sont collées les unes aux autres, ainsi que l'enseigne ledit brevet· US.

Quand on prend en considération les limites mentionnées ci-dessus, il est établi que, pour des fibres qui sont obtenues par diminution de section par écrouissage, on obtient la meilleure adéquation entre la réduction de coût de fabrication et l'efficacité du béton pour un rapport L/D d'environ 70 à env. 100. Les pourcentages en volume correspondants se situent entre env. 1,3 V. et 1,1 7. respectivement, selon que l'on a pris des mesures ou non pour améliorer la miscibilité.

Le but de la présente invention est de fournir un béton renforcé par des fibres ainsi que lesdites fibres d'acier, la résistance à la flexion du béton étant encore aaugmentée, saris toutefois que le béton ne perde de sa ténacité et donc ne présente un comportement de'fragi 1isation à la rupture.

Selon la présente invention, on utilise toujours une fibre obtenue par réduction de section par écrouissage à froid et-présentant une forme pour accrochage telle que définie plus haut, avec un rapport L/D compris entre env. 60 et 120, de préférence entre env. 70 et 100, mais on utilise un béton de résistance à la compression P, sans fibres, d'au moins 80 N/mm*-, la résistance à la traction T de l'acier étant à ladite résistance à la compression P dans le rapport: T/P > 17.

Pour un béton de résistance à la compression 100 N/mm-", la résistance à la traction des fibres est par conséquent d'au

O moins 1700 N/mmx'. Si elle est inférieure, le béton risque de présenter un comportement trop marqué de rupture par fragilisation. Il n'est toutefois pas nécessaire que la résistance à la traction soit rie beaucoup plus de 30 % supérieure à la résistance à la traction minimale suivant la formule ci-dessus, car le supplément de résistance à la traction n'augmentera pas de manière appréciable la résistance à la flexion du béton. Bien que le choix de la valeur de la résistance au-dessus du minimum reste libre, on choisira, de préférence une résistance à la traction T, par rapport à ladite résistance à la compression P, telle que: T/P < 22.

La résistance à la traction T souhaitée peut aisément être obtenue, par le fait que les fibres sont en acier avec uns structure métallographique d'écrouissage, due à la réduction de section à froid par laminage ou par tréfilage. De cette manière, on obtient la résistance à la traction avec assez de précision, d'après le degré de réduction de section.

La résistance à la compression P d'un matériau de béton est la résistance mesurée par la norme ASTM C39-80 sur un cube de béton de 150 mm de coté, le cube étant comprimé entre deux surfaces parallèles jusqu'à rupture. La résistance à la compression est alors égale à la force de compression à la rupture, divisée par la surface d'une face du cube. Cette résistance à la compression apparaît être un facteur d'amélioration supplémentaire de l'efficacité de la fibre en ce qui concerne la résistance à la flexion. Dans du béton classique, cette résistance à la compression P atteint jusqu'ici env. 30 à 50 N/mm^, tandis que, avec la présente invention, on relève des valeurs supérieures à 80 N/mm . Il est toutefois nécessaire d'accroître la résistance à la traction T des fibres, en même temps que l'on augmente la résistance à la compression du matériau de béton, afin d'empêcher la fragilisation du béton.

Qn peut obtenir un béton dont la résistance à la compression est supérieure à 80 N/mm^, par des moyens connus qui sont mis en oeuvre en combinaison, à savoir: d'une part, on ajoute, en dehors de charges habituelles inertes, telles que sable, gravier et calcaire du sol, de 5 à 10 */., par rapport au poids du ciment, d'une charge très fine, telle que micropouzzolane et "fumée de silice", avec en plus une quantité suffisante de superplastifiant pour d'éliminer l'excès d'eau nécessité par le matériau de charge fin, et, d'autre part, on maintient le rapport eau/ciment au-dessous de 0,4, de préférence entre 0,30 et 0,35. Ladite "fumée de silice" est un matériau ultrafin, possédant une surface spécifique de plus de 5000 m~/kg, qui précipite dans les filtres à fumée des fourneaux électriques de fabrication du silicium et qui se compose essentiellement de S1O2 amorphe.

Les superplastifiants connus sont des adjuvants éliminateurs d'eau, tels qu'hydrates de carbone ou sels de métaux alcalins ou al calino-terreux d'acides 1ignosuïfoniques ou d'acides hydroxycarboxyliques.

Afin de déterminer l'épaisseur D des fibres de section non arrondie, on prend le diamètre du cercle de même surface que la section considérée. Quand cette section n'est pas la m?me sur toute la longueur de la fibre, on prend la surface moyenne de la section tout le long de ladite fibre.

La présente invention sera mieux expliquée à l'aide d'exemples, d'essais comparatifs et de dessins, dans lesquels: - la Figure 1 représente la forme d'une fibre d'acier, telle que celle utilisée dans l'essai comparatif décrit ci-dessous, - la Figure 2 représente le tracé de la courbe de résistance à la flexion en fonction du fléchissement, pour une poutre de béton à base du béton de l'Exemple 2 ci-dessous, qui présente une résistance insuffisante des fibres à la traction et où on peut observer une fragilisation, - la Figure 3 représente le tracé de la courbe de résistance à la flexion en fonction du fléchissement, pour une poutre de béton à base du béton de l'Exemple 3 ci-dessous, dans lequel les conditions de l'invention sont remplies.

Composi t i on de bét on :

Exemple 1 (Référence) Exemples 2 et 3

Ciment K40 75 kg Ciment F40 400 kg

Sable 0/2 300 kg Sable 0/5 640 kg 0/5 480 kg

Gravier 4/14 1000 kg Gravier 4/7 5S5 kg 4/28 200 kg Gravier 7/14 585 kg

Micropouzzolane S. F. 40 kg PIast i fiant

Pozzolitb 400N 2,5 %

Eau 180 kg Eau 132 kg

Fibres 40 kg Fibres 40 kg Résist. compress. Résist. compress. avec fibres avec fibres (N/mm2) 49,6 CN/mm2), Ex. 2 97,4

Ex3 101,8 sans fibres 99,9

Fibres: - Forme: suivant Figure 1: essentiellement droite, avec des extrémités incurvées (premier angle d'environ 45^0, puis, à env. 3 mm de distance, angle identique dans la direction opposée, puis encore 3 mm de longueur, dans la mfme direction que la portion centrale, ju'squ'à l'extrémité), - Section droite: ronde, avec un diamètre D de 0,8 mm, - Longueur: 60 mm (rapport L/D = 75),

O - Résistance à la traction: Ex. 1 et 2: 1175 N/mrrÊ·

Ex. 3: 2162 N/mm2.

O Résistance à la flexion obtenue (après de 28 j), (N/mfnA) . (charge de flexion sur une poutre soumise à deux charges égales, chacune appliquée à un tiers de la longueur de la portée, de chaque côté de la poutre)

Exemple 1: 4,2

Exemple 2: 7,5 (comportement de fragi1isation à la rupture: Figure 2)

Exemple 3: 8,95 (pas de fragilisation: Figure 3).

Il est clair que la présente invention ne se limite pas au type de déformation avec configuration en crochet aux extrémités, présentée ici, mais qu'on peut l'appliquer également à tous les autres types de déformation, pris séparément ou combinés entre eux, et en mettant en oeuvre toutes les autres sortes de grainage de surface, comme cela est décrit ci-dessus.

Le béton selon l'invention peut être utilisé pour toutes les sortes d'éléments structuraux auquel s on demande une grande résistance à la flexion en même temps qu'une très grande ténacité du béton, et plus particulièrement dans les poutres en béton pour batiments élevés, pour le revêtement des tabliers de ponts et pour les voûtes de tunnels.

Claims

1. Matériau en béton renforcé avec des fibres d'acier présentant une structure métallographique écrouie, un rapport 1ongueur/épaisseur compris entre GO et 120, de préférence entre 70 et 100, et une forme pour accrochage, caractérisé en ce que la composition de béton sans fibres présente une résistance O à la compression P d'au moins 80 N/mm^ et que les fibres d'acier ont une résistance à la traction T qui est en relation avec ladite résistance à la compression P dans un rapport répondant à la formule: T/P > 17.

2. Matériau en béton selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite résistance à.la traction T est en relation avec ladite résistance à la compression P dans un rapport répondant à la formule: T/P < 22.