WO2001058826A1 - Composition de beton ultra haute performance resistant au feu - Google Patents

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WO2001058826A1
WO2001058826A1 PCT/FR2001/000369 FR0100369W WO0158826A1 WO 2001058826 A1 WO2001058826 A1 WO 2001058826A1 FR 0100369 W FR0100369 W FR 0100369W WO 0158826 A1 WO0158826 A1 WO 0158826A1
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fibers
concrete
elements
volume
organic fibers
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PCT/FR2001/000369
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Gilles Orange
Evelyne Prat
André CASANOVA
Mouloud Behloul
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Rhodia Chimie
Bouygues Travaux Publics
Lafarge
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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 present invention belongs to the field of concrete, more particularly fiber concrete.
  • the present invention aims to obtain, for an ultra high performance concrete making it possible in particular to manufacture structural elements intended for the production of buildings and engineering structures, a high resistance to fire associated with a controllable rheology and high mechanical performance. It also relates to an improved concrete and having fire-fighting properties superior to those of the elements of the prior art.
  • Ductile concretes known as "ultra high performance" are used in particular for the construction of prestressed or non-prestressed concrete elements requiring superior mechanical properties, in particular a high resistance to compression. These concretes have a high flexural strength typically of at least 20 MPa, and a compressive strength at 28 days of at least 120 MPa, a modulus of elasticity at 28 days greater than 45 GPa, these values being given for concrete stored and maintained at 20 ° C.
  • WO 95/01 316 proposes incorporating metallic fibers in a controlled quantity and having dimensions chosen in predetermined proportions relative to that of the granular elements constituting the matrix of the concrete.
  • WO 99/28267 also relates to ultra high performance concretes comprising metallic fibers.
  • this document proposes to incorporate elements into the cement matrix improving toughness chosen from acicular elements or platelets having an average size of at most 1 mm.
  • the acicular elements mentioned are mineral fibers, such as wollastonite, bauxite, mullite, potassium titanate, silicon carbide, calcium carbonate, hydroxyapatite, or organic fibers derived from cellulose, these fibers possibly being able to have a surface coating in a polymeric organic compound.
  • WO 99/58468 relates to ultra high performance concretes comprising organic fibers as reinforcing fibers in order to improve the ductility of these concretes.
  • ultra high performance concretes are also envisaged in which part of the organic fibers is
  • REPLACEMENT SHEET (RULE 26) replaced by metallic fibers. It is also described that organic fibers modify the fire behavior of concrete.
  • US Patent 5,749,961 proposes to improve the fire resistance property of compositions for high performance concrete without fiber having compressive strengths of the order of 90 to 105 MPa by adding a combination of silica to these compositions. precipitate and fibers capable of forming by dissolution, softening, decomposition, shrinkage or fusion, a network of capillary pores with a diameter of at least 10 ⁇ m and a length of at least 5 mm.
  • refractory concretes which consists in introducing organic fibers into the concrete makes seriously on the one hand the mechanical resistances of hardened concrete because the fibers introduce a lower volume of elasticity than that of the matrix.
  • the rheological properties of concrete in the fresh state are seriously deteriorated by the presence of organic fibers in the composition, and are characterized by low spreading.
  • compositions for ultra high performance concretes having a range of rheology which can go from a plastic behavior to a fluid behavior.
  • Such concretes conventionally have a spreading value of at least 150 mm, the spreading value being measured by the shock table technique, a standardized technique generally used for mortars.
  • the present invention relates to an ultra high performance concrete containing metallic reinforcing fibers, having properties at least equivalent to those of similar concretes of the prior art, having a rheology of concrete in the uncured state which can range from a plastic behavior with fluid behavior and good fire resistance.
  • the present invention which consists in the use of organic fibers having a melting temperature below 300 ° C, an average length I greater than 1 mm, and a diameter 0 of at most 200 ⁇ m, in a ultra high performance concrete to improve the fire resistance of concrete, the quantity of organic fibers being such that their volume is between 0.1 and 3% of the volume of concrete after setting and the concrete having a characteristic resistance to compression at 28 days of at least 120 MPa, a characteristic flexural strength of at least 20 MPa, and a spreading value in the uncured state of at least 150 mm, these values being given for a preserved concrete and maintained at 20 ° C., said concrete consisting of a hardened cement matrix in which metallic fibers are dispersed, coming from the mixture with water of a composition comprising, in addition to the fibers:
  • the ratio R between the average length h of the metallic fibers and the size D 90 of the granular elements is at least 3, preferably at least 5.
  • the quantity of metallic fibers is such that their volume is less than 4% of the volume of the concrete after setting.
  • the invention also relates to an ultra high performance concrete fire resistant and having a characteristic compressive strength at 28 days of at least 120 MPa, a characteristic flexural strength of at least 20 MPa, and a value d 'spreading in the uncured state of at least 150 mm, these values being given for a concrete preserved and maintained at 20 ° C; said concrete consisting of a hardened cement matrix in which metallic fibers are dispersed, coming from the mixture with water of a composition comprising, in addition to the fibers:
  • the metallic fibers have an average length h of at least 2 mm, and a ratio 0 1 , 0- ⁇ being the diameter of the fibers, of at least 20;
  • the organic fibers have a melting point below 200 ° C, an average length I greater than 1 mm and a diameter 0 of at most
  • the ratio R between the average length of the metallic fibers and the size Dgo of the granular elements is at least 3, preferably at least 5;
  • the quantity of metallic fibers is such that their volume is less than 4% of the volume of the concrete after setting
  • the quantity of organic fibers is such that their volume is between 0, 1 and 3% of the volume of the concrete after setting.
  • this solution responds to the problem posed with this compromise mechanical properties / rheology / fire resistance.
  • cement matrix is meant the hardened cement composition excluding metallic fibers.
  • D 90 means that 90% by weight of the granular elements have a grain size less than or equal to 10 mm, the grain size being measured by the sizes of the mesh of the sieves, the passing of which constitutes 90% of the total weight of the grains.
  • D 75 means that 75% by weight of the granular elements have a grain size less than or equal to 10 mm, the grain size being measured by the sizes of the mesh of the sieves, the loop of which constitutes 75% of the total weight of the grains.
  • organic fibers any polymer fibers meeting the above conditions.
  • fiber diameter is also understood to mean the equivalent diameter when the fibers are of non-circular section.
  • flexural strength is meant the 4-point flexural strength measured on test pieces of dimensions 7 ⁇ 7 ⁇ 28 cm.
  • the organic fibers have a length I greater than 1.5 mm and at most equal to 12 mm.
  • the I / 0 ratio is advantageously between 20 and 500.
  • the diameter of the organic fibers is between 2 and 100 ⁇ m, preferably less than 80 ⁇ m.
  • the V ⁇ / V ratio is preferably at least 2.
  • the amount of organic fibers is preferably such that their volume is less than 2% of the volume of the concrete after setting, preferably less than 1%.
  • the organic fibers can consist of any homopolymer or copolymer having a melting temperature of at most 300 ° C, preferably a melting temperature of at most 275 ° C. According to a preferred embodiment, the melting point of the fibers is less than or equal to 200 ° C.
  • organic fibers which consist of a homopolymer or copolymer chosen from polyacrylamide, polyethersulfone, polyvinyl chloride, polyethylene, polypropylene, polystyrene, polyamide and polyvinyl alcohol, alone or as a mixture.
  • the organic fibers are polypropylene fibers with a length of 6 mm and a diameter of 18 ⁇ m.
  • metallic fibers these may be metallic fibers chosen from steel fibers such as steel fibers with high mechanical strength, amorphous steel fibers, or even stainless steel fibers.
  • the steel fibers can be coated with a non-ferrous metal such as copper, zinc, nickel (or their alloys).
  • the average length of the metal fibers is preferably in the range 5-30 mm.
  • the ratio h / 0 1 is preferably at most 200. It is possible to use metallic fibers with variable geometry. They can be crenellated, wavy or hooked at the ends. One can also play on the roughness of the fibers and / or use fibers with variable cross-section.
  • the fibers can be obtained by any suitable technique, including by braiding or wiring several metal wires forming a twist.
  • the quantity of metallic fibers is such that their volume is preferably less than 3.5% of the volume of the concrete after setting.
  • the average adhesion stress of the metallic fibers in the hardened cement matrix must be at least 10 MPa, preferably at least 15 MPa. This constraint is determined by an extraction test of a monofiber embedded in a concrete block.
  • the level of fiber / matrix adhesion can be controlled by several means which can be used individually or simultaneously.
  • the adhesion of the fibers in the cement matrix can be obtained by surface treatment of the fibers. This fiber treatment can be carried out by at least one of the following methods: - chemical attack on the fibers;
  • the chemical attack can be carried out, for example, by bringing the fibers into contact with an acid, then neutralization.
  • the deposition of metallic phosphate is generally obtained by a phosphating process, which consists in introducing the metallic fibers previously stripped into an aqueous solution comprising a metallic phosphate, preferably manganese or zinc phosphate, then in filtering the solution to recover the fibers. The fibers are then rinsed, neutralized, and then rinsed again. Unlike the usual phosphating process, the fibers obtained must not undergo an oily type finish. On the other hand, they can optionally be impregnated with an additive either to provide anti-corrosion protection or to facilitate their use with the cementitious medium.
  • the phosphating treatment can also be obtained by coating or spraying the metal phosphate solution on the fibers.
  • the adhesion stress of the fibers in the cementitious matrix can be obtained by introduction into the composition of at least one of the following compounds: the silica compounds mainly comprising silica, precipitated calcium carbonate, polyvinyl alcohol in aqueous solution, a latex or a mixture of said compounds.
  • silica compound mainly comprising silica is understood here to mean the synthetic products chosen from precipitation silicas, silica soils, pyrogenation silicas (aerosil type), silico-aluminates, for example Tixosil 28 sold by Rhône-Poulenc, or clay-type products (natural or derived): for example smectites, magnesium silicates, sepiolite, montmorillonite.
  • At least one precipitation silica is preferably used.
  • precipitation silica is meant here a silica obtained by precipitation from the reaction of an alkali metal silicate with an acid, generally inorganic, at an adequate pH of the precipitation medium, in particular a basic, neutral or slightly acidic; the mode of preparation of the silica can be any (addition of acid on a silicate base stock, total or partial simultaneous addition of acid or silicate on a base stock of water or silicate solution, etc.
  • the amount of precipitation silica introduced is between 0.1% and 5% by weight, expressed in dry terms, relative to the total weight of the concrete. Above 5%, rheology problems are usually observed during the preparation of the mortar.
  • the precipitation silica is introduced into the composition in the form of an aqueous suspension. It may especially be an aqueous suspension of silica having:
  • the cement (a) of the concrete according to the invention is advantageously a Portland cement such as Portland cements CPA PMES, HP, HPR, CEM I PMES, 52.5 or 52.5 R or HTS (high silica content).
  • the granular elements (b) are essentially sands or mixtures of sand, sieved or ground, which may advantageously include silica sands, in particular quartz flour.
  • the grain size D 75 of these elements is preferably at most 6 mm. These granular elements are generally present in an amount of 20 to 60% by weight of the cement matrix, preferably from 25 to 50% by weight of said matrix.
  • the fine elements with pozzolanic reaction (c) have a size of elementary particles preferably at least 0.1 ⁇ m and at most 20 ⁇ m, preferably at most 5 ⁇ m. They can be chosen from silica compounds, fly ash, blast furnace slag, clay derivatives such as kaolin. Silica can be silica fume from the zirconium industry rather than silica fume from the silicon industry.
  • the concretes described above optionally include reinforcing elements. These reinforcing elements are added to the composition forming the matrix in order to increase the toughness.
  • the toughness is expressed either in terms of stress (stress intensity factor: Kc), or in terms of energy (critical energy rate: Gc), using the formalism of Linear Mechanics of the Rupture.
  • the toughness of the cement matrix is at least 15 J / m 2 , advantageously at least 20 J / m 2 .
  • the method for measuring the toughness has been described in PCT patent application WO 99/28267.
  • the toughness of the cement matrix is advantageously obtained by adding to the cement composition reinforcing elements of average size of at most 1 mm, preferably at most 500 ⁇ m, which is in an acicular form or in the form of platelets . They are generally present in a volume proportion of less than 35%, in particular in the range 5-25% of the cumulative volume of the granular elements (b) and the pozzolanic reaction elements (c).
  • size of the reinforcing elements is meant the size of their largest dimension (in particular the length for the acicular forms). They can be natural or synthetic products.
  • the acicular-shaped reinforcing elements are advantageously chosen from fibers of length less than 1 mm, for example wollastonite fibers, bauxite fibers, mullite fibers, potassium titanate fibers, silicon carbide fibers, cellulose fibers or cellulose derivatives, such as cellulose acetate, carbon fibers, calcium carbonate fibers, hydroxapatite fibers and other calcium phosphates, or the derivatives obtained by grinding said fibers and mixtures of said fibers.
  • reinforcing elements are used whose acicularity, expressed by the length / diameter ratio, is at least 3 and preferably at least 5.
  • the reinforcing elements in the form of a wafer can be chosen from mica wafers, talc wafers, mixed silicate wafers
  • Mica platelets have worked well. It is possible to use combinations of these different shapes or types of reinforcing elements in the composition of the concrete according to the invention. These reinforcing elements may have an organic coating. This type of treatment is particularly recommended for reinforcing elements which are natural products. Such reinforcing elements are described in detail in patent applications WO 99/28267 and EP-A-372804.
  • the water / cement weight ratio can vary when using cement substitutes, which are in particular the pozzolanic reaction elements.
  • the weight ratio of the quantity of water (E) has therefore been defined with respect to the cumulative weight of the cement and the pozzolanic reaction elements.
  • this ratio is between 8 and 24% approximately, preferably between 13 and 20% approximately.
  • the W / C ratio of water to cement was used.
  • the composition according to the invention also comprises at least one dispersing agent (d).
  • This dispersing agent is generally! a fluidizing agent.
  • the fluidizing agent can be chosen from lignosulfonates, casein, polynaphthalenes, in particular polynaphthalenesulfonates of alkali metals, formaldehyde derivatives, polyacrylates of alkali metals, polycarboxylates of alkali metals and grafted polyethylene oxides.
  • the composition according to the invention comprises from 0.5 to 2.5 parts by weight of fluidizing agent per 100 parts by weight of cement.
  • additives can be added to the composition according to the invention, for example an anti-foaming agent.
  • an anti-foaming agent for example, antifoams based on polydimethyl siloxanes or propylene glycol can be used.
  • silicones in the form of a solution, of a solid, and preferably in the form of a resin, of an oil or of an emulsion, preferably in the water.
  • suitable very particularly silicone silicones comprising essentially M (RSiOo. ⁇ ) and D (R 2 SiC) units.
  • the radicals R which are identical or different, are more particularly chosen from hydrogen and alkyl radicals comprising 1 to 8 carbon atoms, the methyl radical being preferred.
  • the number of patterns is preferably in the range 30 to 120.
  • the amount of such an agent in the composition is generally at most 5 parts by weight per 100 parts of cement.
  • particle sizes are measured by TEM (transmission electron microscopy) or SEM (scanning electron microscopy).
  • the matrix may contain other ingredients as long as these do not disturb the expected performance of the concrete.
  • Concrete can be obtained according to any process known to those skilled in the art, in particular by mixing the solid constituents and water, shaping (molding, casting, injection, pumping, extrusion, calendering) then hardening.
  • the constituents of the cement matrix and the metal fibers are kneaded with the right amount of water.
  • the following order of mixing is respected:
  • the organic fibers are introduced before the addition of water.
  • Concrete is subject to maturation between 20 ° C and 100 ° C for the time necessary to obtain the desired mechanical characteristics. Maturation at a temperature close to ambient provides good mechanical properties, thanks to the selection of the constituents of the cement matrix. In this case, the concrete is left to mature, for example at a temperature close to 20 ° C. Curing can also involve heat treatment between 60 and 100 ° C at normal pressure on hardened concrete.
  • the concrete obtained can in particular be subjected to a heat treatment between 60 and 100 ° C for 6 hours to 4 days with an optimal duration of the order of 2 days, the treatment starting after the end of setting of the mixture or at least one day after the start of taking.
  • treatment times of 6 hours to 72 hours are sufficient, within the aforementioned temperature range.
  • the heat treatment is carried out in a dry or humid environment or in cycles which alternate the two environments, for example
  • This heat treatment is carried out on concretes having completed their setting, preferably aged at least one day, and even better aged at least approximately 7 days.
  • the addition of quartz powder can be useful when the concrete is subjected to the aforementioned heat treatment.
  • Concrete can be prestressed in pre-tension by adhering wire or by adhering strand, or prestressed in post-tension by greased sheathed monotorons or by cable or sheathed bar, the cable being made up of an assembly of wires or made up of strands .
  • Prestressing is particularly well suited to concrete products according to the invention.
  • the concretes obtained according to the present invention generally have a direct tensile strength Rt of at least 8 Mpa.
  • the concretes useful for the present invention have a characteristic compressive strength of at least 150 MPa and a characteristic bending strength 4 points Rf of at least 25 MPa.
  • the concretes obtained according to the invention exhibit good fire resistance as illustrated in the following examples while retaining good physical properties in the uncured and cured state.
  • the invention also relates to a composition in the form of a powder not containing metallic fibers which comprises the organic fibers and at least one of the elements chosen from cement, granular elements, pozzolanic reaction elements, dispersing agent and elements. reinforcements, these elements being as defined above, in a quantity such that during the addition of the metallic fibers and water to this composition, the concrete of the invention is obtained.
  • the composition in the form of powder not containing metallic fibers comprises the cement, the pozzolanic reaction elements, the dispersing agent and the organic fibers as defined above, in an amount such as during the addition of metallic fibers and water to this composition, the concrete of the invention is obtained.
  • the ultra high performance concrete used in the following examples is obtained from the following compounds: (i) Portland cement: high silica content, HTS type, from the company LAFARGE (FRANCE).
  • Sand BE31 quartz sand from SIFRACO (FRANCE) with a D 75 of 350 ⁇ m.
  • Quartz flour Quality C400 with 50% of grains less than 10 microns from the company SIFRACO (FRANCE)
  • Silica fumes vitreous microsilica from the manufacture of zirconium, "MST” type, with a "BET” surface of 12 m 2 / g from the company SEPR (FRANCE),
  • Adjuvant OPTIMA 100 fluidizer liquid from CHRYSO (France)
  • Metallic fibers are steel fibers having a length of 13 mm, a diameter of 200 microns and a tensile breaking strength of 2800 MPa, supplied by the company BEKAERT (Belgium). The quantities used are indicated in the table below
  • Organic fibers are polypropylene or polyvinyl alcohol fibers, the geometry and quantities of which are defined in the table below. The concrete described below is obtained by kneading the powdery constituents, introducing water and part of the adjuvant, kneading, introducing the remaining fraction of the adjuvant, kneading, introducing metallic fibers, kneading, the organic fibers being introduced into the mixture before the addition of water. In these tests, a high turbulence mixer with rotation of the tank was used, type EIRICH RV02.
  • the molds are filled with this composition, then vibrated according to the usual procedures.
  • the test pieces are removed from the mold 48 hours after casting. They then undergo a heat treatment consisting in storing them in an oven at 90 ° C for 48 hours at 100% humidity.
  • X and Y are the contents of metallic and organic fibers indicated in Table 1.
  • the compressive strength Rc is the value obtained in direct compression on a cylindrical specimen (diameter
  • Rc 4 F / ⁇ d 2 F representing the breaking force in N, and d the diameter of the samples.
  • the spreading value is measured by the shock table technique (20 strokes) according to standards ASTM C320, ISO 2768-1, EN 459-2.
  • test pieces (1) the characteristic 4 point bending strength remaining after the temperature of concrete test pieces, in the form of prisms 70x70x250 mm.
  • the test pieces are insulated on 2 sides and the 2 non-insulated sides are exposed to fire in a preheated oven (400 to 500 ° C) and mounted at
  • the polypropylene fibers are FIBERMESH 6130 fibers, the melting temperature of these fibers is 170 ° C.
  • the polyvinyl alcohol (PVA) fibers are KURARAY RMS 182 fibers, the melting temperature of which is 220 ° C.
  • polypropylene fibers are FIBRIN 623 fibers distributed in France by the company CHRYSO SA.
  • the fibers are KURARAY RF 350 fibers.
  • the rheology is very bad (spreading / 20 strokes: 140 mm).
  • the rheology is appreciably improved (spreading: 160 mm), but the fire resistance becomes very poor: presence of significant cracks and bursts.
  • the rheology remains correct (spreading 160 mm) and an acceptable fire resistance (no bursting).
  • the beam, having undergone a heat treatment is heated uniformly, and does not exhibit chipping after the test,
  • Example 4 • The concrete of Example 4 was also poured in a column with a cross section of 20 x 20 cm and a height of 90 cm.

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Abstract

Utilisation de fibres organiques présentant une température de fusion inférieure à 300°C, une longueur moyenne l supérieure à 1 mm et un diamètre d'au plus 200 νm, dans un béton ultra haute performance pour améliorer la résistance au feu du béton, la quantité de fibres organiques étant telle que leur volume est compris entre 0,1 et 3 % du volume du béton après la prise et le béton présentant une résistance à la compression à 28 jours d'au moins 120 MPa, une résistance à la flexion d'au mois 20 MPa, et une valeur d'étalement à l'état non durci d'au moins 150 mm, ces valeurs étant données pour un béton conservé et maintenu à 20°C, ledit béton étant constitué d'une matrice cimentaire particulière durcie dans laquelle sont dispersées des fibres métalliques.

Description

COMPOSITION DE BETON ULTRA HAUTE PERFORMANCE RESISTANT AU FEU
La présente invention appartient au domaine des bétons, plus particulièrement des bétons de fibres. En particulier, la présente invention vise à obtenir,, pour un béton ultra haute performance permettant notamment de fabriquer des éléments de structures destinés à la réalisation de bâtiments et d'ouvrages d'art, une tenue élevée au feu associée à une rhéologie contrôlable et des performances mécaniques élevées. Elle a aussi pour objet un béton amélioré et ayant des propriétés anti-feu supérieures à celles des éléments de la techniques antérieure.
Les bétons ductiles dits "ultra hautes performances" sont utilisés notamment pour la construction d'éléments en béton précontraints ou non nécessitant des propriétés mécaniques supérieures, notamment une résistance élevée à la compression. Ces bétons présentent une résistance élevée en flexion typiquement d'au moins 20 MPa, et une résistance à la compression à 28 jours d'au moins 120 MPa, un module d'élasticité à 28 jours supérieur à 45 GPa, ces valeurs étant données pour un béton conservé et maintenu à 20°C.
Pour améliorer les caractéristiques mécaniques de ces bétons, différentes solutions ont été préconisées.
Ainsi, WO 95/01 316 propose d'incorporer des fibres métalliques en une quantité contrôlée et ayant des dimensions choisies dans des proportions déterminées par rapport à celle des éléments granulaires constituant la matrice du béton.
WO 99/28267 a également pour objet des bétons ultra hautes performances comportant des fibres métalliques. Pour améliorer la tenue mécanique des bétons, notamment leur comportement à la fois vis à vis de l'apparition de microfissures et de la propagation de macrofissures, ce document propose d'incorporer à la matrice cimentaire des éléments améliorant la ténacité choisis parmi les éléments aciculaires ou plaquettaires ayant une taille moyenne d'au plus 1 mm.
Les éléments aciculaires mentionnés sont des fibres minérales, telles que wollastonite, bauxite, mullite, titanate de potassium, carbure de silicium, carbonate de calcium, hydroxyapatite, ou des fibres organiques dérivées de la cellulose, ces fibres pouvant éventuellement présenter un revêtement de surface en un composé organique polymère.
WO 99/58468 a pour objet des bétons ultra hautes performances comprenant des fibres organiques comme fibres renforts afin d'améliorer la ductibilité de ces bétons. Dans cette demande, on envisage aussi des bétons ultra hautes performances dans lesquels une partie des fibres organiques est
FEUILLE Dξ REMPLACEMENT (REGLE 26) remplacée par des fibres métalliques. Il est aussi décrit que les fibres organiques modifient le comportement au feu du béton.
Les bétons décrits ci dessus très performants par leurs propriétés mécaniques présentent cependant une résistance au feu insuffisante qui se traduit au mieux par un écaillage des structures exposées au feu et pouvant aller jusqu'à l'explosion de ces structures dues à la pression de la vapeur de l'eau fixée physiquement et chimiquement par les constituants de la matrice sous l'action de la chaleur.
Le brevet US 5 749 961 propose d'améliorer la propriété de résistance au feu de compositions pour bétons hautes performances sans fibre ayant des résistances à la compression de l'ordre de 90 à 105 MPa par addition dans ces compositions d'une combinaison de silice précipitée et de fibres capables de former par dissolution, ramollissement, décomposition, rétrécissement ou fusion, un réseau de pores capillaires d'un diamètre d'au moins 10 μm et d'une longueur d'au moins 5 mm. Cependant, un des moyens invoqué dans ce brevet et largement pratiqué dans les bétons réfractaires qui consiste à introduire des fibres organiques dans le béton font sérieusement chuter d'une part les résistances mécaniques du béton durci car les fibres introduisent un volume d'élasticité plus faible que celui de la matrice. D'autre part, les propriétés rhéologiques du béton à l'état frais se trouvent sérieusement détériorées par la présence des fibres organiques dans la composition, et se caractérisent par un étalement faible.
Il devient alors difficilement envisageable d'appliquer de telles solutions à des bétons ductiles ultra hautes performances tels que décrits dans les demandes de brevets WO 99/28267 et WO 99/58468 qui préconisent déjà des volumes de fibres de l'ordre de 2 %.
Il est important de pouvoir disposer de compositions pour bétons ultra hautes performances ayant une gamme de rhéologie pouvant aller d'un comportement plastique à un comportement fluide. De tels bétons présentent de façon conventionnelle une valeur d'étalement d'au moins 150 mm, la valeur d'étalement étant mesurée par la technique de la table à choc, technique normalisée utilisée généralement pour les mortiers.
Jusqu'à ce jour pourtant, de telles compositions de béton présentent le défaut d'une résistance médiocre au feu Jusqu'à ce jour, les tentatives pour améliorer les propriétés mécaniques des bétons ultra hautes performances ont eu des effets néfastes sur la résistance au feu. Inversement, les solutions proposées pour améliorer la tenue au feu des bétc ns en général ont pour effet de diminuer les propriétés mécaniques et/ou rhéc logiques de ces bétons à l'état non durci.
Il n'existe donc pas de solution satisfaisante au problème de la tenue au feu des bétons ultra hautes performances comprenant des fibres, compatibles avec les propriétés recherchées pour ces bétons, à savoir une résistance élevée en traction/flexion, une résistance élevée en compression et une rhéologie du béton à l'état non durci pouvant aller d'un comportement plastique à un comportement fluide.
La présente invention a pour objet un béton ultra haute performance contenant des fibres métalliques de renfort, possédant des propriétés au moins équivalentes à celles des bétons similaires de la technique antérieure, présentant une rhéologie du béton à l'état non durci pouvant aller d'un comportement plastique à un comportement fluide et une bonne tenue au feu. Ce but est atteint avec la présente invention qui consiste en l'utilisation de fibres organiques présentant une température de fusion inférieure à 300°C, une longueur moyenne I supérieure à 1 mm, et un diamètre 0 d'au plus 200 μm, dans un béton ultra haute performance pour améliorer la résistance au feu du béton, la quantité de fibres organiques étant telle que leur volume est compris entre 0,1 et 3 % du volume du béton après la prise et le béton présentant une résistance caractéristique à la compression à 28 jours d'au moins 120 MPa, une résistance caractéristique à la flexion d'au mois 20 MPa, et une valeur d'étalement à l'état non durci d'au moins 150 mm, ces valeurs étant données pour un béton conservé et maintenu à 20°C, ledit béton étant constitué d'une matrice cimentaire durcie dans laquelle sont dispersées des fibres métalliques, provenant du mélange avec de l'eau d'une composition comprenant outre les fibres :
(a) du ciment ;
(b) des éléments granulaires ayant une taille de grain D90 d'au plus 10 mm ;
(c) des éléments à réaction pouzzolanique ayant une taille de particules élémentaires comprise entre 0,1 et 100 μm,
(d) au moins un agent dispersant ; et répondant aux conditions suivantes : (1 ) le pourcentage en poids de l'eau par rapport au poids cumulé du ciment (a) et des éléments (c) est compris dans la gamme 8-24 % ; (2) les fibres métalliques présentent une longueur moyenne d'au moins 2 mm, et un rapport /01, 01 étant le diamètre des fibres, d'au moins 20 ;
(3) le rapport Vι V du volume V-i des fibres métalliques au volume V des fibres organiques est supérieur à 1 , et le rapport h/l de la longueur des fibres métalliques à la longueur des fibres organiques est supérieur à 1.
(4) le rapport R entre la longueur moyenne h des fibres métalliques et la taille D90 des éléments granulaires est d'au moins 3, de préférence d'au moins 5. (5) la quantité de fibres métalliques est telle que leur volume est inférieur à 4 % du volume du béton après la prise.
L'invention a également pour objet un béton ultra haute performance résistant au feu et présentant une résistance caractéristique à la compression à 28 jours d'au moins 120 MPa, une résistance caractéristique à la flexion d'au moins 20 MPa, et une valeur d'étalement à l'état non durci d'au moins 150 mm, ces valeurs étant données pour un béton conservé et maintenu à 20°C ; ledit béton étant constitué d'une matrice cimentaire durcie dans laquelle sont dispersées des fibres métalliques, provenant du mélange avec de l'eau d'une composition comprenant outre les fibres :
(a) du ciment ;
(b) des éléments granulaires ayant une taille de grain D90 d'au plus 10 mm ;
(c) des éléments à réaction pouzzolanique ayant une taille de particules élémentaires comprise entre 0,1 et 100 μm,
(d) au moins un agent dispersant ;
(e) des fibres organiques ; et répondant aux conditions suivantes :
(1 ) le pourcentage en poids de l'eau par rapport au poids cumulé du ciment (a) et des éléments (c) est compris dans la gamme 8-24 % ;
(2) les fibres métalliques présentent une longueur moyenne h d'au moins 2 mm, et un rapport 01, 0-ι étant le diamètre des fibres, d'au moins 20 ;
(3) les fibres organiques présentent un point de fusion inférieur à 200°C, une longueur moyenne I supérieure à 1 mm et un diamètre 0 d'au plus
200 μm ; (4) le rapport Vι/V du volume \ des fibres métalliques au volume V des fibres organiques est supérieur à 1 , et le rapport h/l de la longueur h des fibres métalliques à la longueur I des fibres organiques est supérieur à 1 ;
(5) le rapport R entre la longueur moyenne des fibres métalliques et la taille Dgo des éléments granulaires est d'au moins 3, de préférence au moins 5 ;
(6) la quantité de fibres métalliques est telle que leur volume est inférieur à 4 % du volume du béton après la prise ;
(7) la quantité de fibres organiques est telle que leur volume est compris entre 0, 1 et 3 % du volume du béton après la prise.
Ainsi, grâce à une conception nouvelle de la matrice cimentaire et de sa relation avec les fibres de renfort, cette solution répond au problème posé avec ce compromis propriétés mécaniques/rhéologie/tenue au feu.
Par "matrice cimentaire", on désigne la composition cimentaire durcie hors fibres métalliques.
D90 signifie que 90 % en poids des éléments granulaires ont une taille de grains inférieure ou égale à 10 mm, la taille de grains étant mesurée par les tailles des mailles des tamis dont le passant constitue 90 % du poids total des grains. D75 signifie que 75 % en poids des éléments granulaires ont une taille de grains inférieure ou égale à 10 mm, la taille de grains étant mesurée par les tailles des mailles des tamis dont le passant constitue 75 % du poids total des grains.
Par "fibres organiques", on entend toutes fibres polymères répondant aux conditions ci dessus.
Dans le cadre de l'invention, on entend aussi par diamètre des fibres, le diamètre équivalent lorsque les fibres sont de section non circulaire.
Par "résistance à la flexion", on entend la résistance à la flexion 4 points mesurée sur des éprouvettes de dimensions 7x7x28 cm. Avantageusement, les fibres organiques ont une longueur I supérieure à 1 ,5 mm et égale au plus à 12 mm.
Le rapport I/0 est avantageusement compris entre 20 et 500.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le diamètre des fibres organiques est compris entre 2 et 100 μm, de préférence inférieur à 80 μm. Le rapport Vι/V est de préférence d'au moins 2.
Selon une variante, la quantité de fibres organiques est de préférence telle que leur volume est inférieur à 2 % du volume du béton après la prise, de préférence inférieur à 1 %. Les fibres organiques peuvent consister en un homopolymère ou copolymère quelconque ayant une température de fusion d'au plus 300°C, de préférence une température de fusion d'au plus 275°C. Selon un mode de réalisation préféré, la température de fusion des fibres est inférieure ou égale à 200°C.
On peut citer notamment les fibres organiques qui consistent en un homopolymère ou copolymère choisis parmi des polyacrylamide, polyéthersulfone, chlorure de polyvinyle, polyéthylène, polypropylène, polystyrène, polyamide et polyvinylalcool, seul ou en mélange. Selon un mode de réalisation particulier, les fibres organiques sont des fibres polypropylène de longueur 6 mm et de diamètre de 18 μm.
Pour ce qui est des fibres métalliques, il peut s'agir de fibres métalliques choisies parmi les fibres d'acier telles que les fibres d'acier à haute tenue mécanique, les fibres d'acier amorphe, ou encore les fibres d'acier inoxydable. Eventuellement, les fibres d'acier peuvent être revêtues d'un métal non ferreux tel que le cuivre, le zinc, le nickel (ou leurs alliages).
La longueur moyenne des fibres métalliques est de préférence comprise dans la gamme 5-30 mm. Le rapport h/01 est de préférence d'au plus 200. On peut utiliser des fibres métalliques à géométrie variable. Elles peuvent être crénelées, ondulées ou crochetées aux extrémités. On peut également jouer sur la rugosité des fibres et/ou utiliser des fibres à section transversale variable. Les fibres peuvent être obtenues par toute technique appropriée, y compris par tressage ou câblage de plusieurs fils métalliques formant une torsade.
La quantité de fibres métalliques est telle que leur volume est de préférence inférieur à 3,5 % du volume du béton après la prise.
Avantageusement, la contrainte d'adhérence moyenne des fibres métalliques dans la matrice cimentaire durcie doit être d'au moins 10 MPa, de préférence d'au moins 15 MPa. Cette contrainte est déterminée par essai d'extraction d'une monofibre encastrée dans un bloc de béton.
Il a été observé que les bétons selon l'invention présentant de plus à la fois une telle contrainte d'adhérence des fibres et une ténacité de matrice élevée (de préférence d'au moins 15 J/m2) conduisent à de meilleures performances mécaniques, par synergie entre ces deux propriétés.
Le niveau d'adhérence fibre/matrice peut être contrôlé par plusieurs moyens que l'on peut utiliser individuellement ou simultanément. Selon un premier moyen, l'adhérence des fibres dans la matrice cimentaire peut être obtenue par traitement de surface des fibres. Ce traitement des fibres paut être effectué par au moins l'un des procédés suivants : - attaque chimique des fibres ;
- dépôt d'un composé minéral sur les fibres, notamment par dépôt d'un phosphate métallique.
L'attaque chimique peut être réalisée, par exemple, par mise en contact des fibres avec un acide, puis neutralisation. Le dépôt de phosphate métallique est généralement obtenu par un procédé de phosphatation, lequel consiste à introduire les fibres métalliques préalablement décapées dans une solution aqueuse comprenant un phosphate métallique, de préférence du phosphate de manganèse ou de zinc, puis à filtrer la solution pour récupérer les fibres. Les fibres sont ensuite rincées, neutralisées, puis rincées à nouveau. Contrairement au procédé habituel de phosphatation, les fibres obtenues ne doivent pas subir de finition de type grasse. On peut par contre les imprégner éventuellement d'un additif soit pour apporter une protection anticorrosion, soit pour faciliter leur mise en œuvre avec le milieu cimentaire. Le traitement de phosphatation peut également être obtenu en enduisant ou pulvérisant la solution de phosphate métallique sur les fibres.
Tout type de procédé de phosphatation peut être utilisé, on peut se reporter à ce sujet aux traitements décrits dans l'article de G. Lorin, "La phosphatation des métaux", 1973. Selon un deuxième moyen, la contrainte d'adhérence des fibres dans la matrice cimentaire peut être obtenue par introduction dans la composition d'au moins un des composés suivants : les composés de la silice comprenant majoritairement de la silice, du carbonate de calcium précipité, de l'alcool polyvinylique en solution aqueuse, un latex ou un mélange desdits composés.
Par composé de la silice comprenant majoritairement de la silice, on entend ici les produits de synthèse choisis parmi les silices de précipitation, les sols de silice, les silices de pyrogénation (type Aérosil), les silico- aluminates, par exemple le Tixosil 28 commercialisé par Rhône-Poulenc, ou les produits type argile (naturels ou dérivés) : par exemple les smectites, les silicates de magnésium, les sépiolites, les montmorillonites.
On utilise de manière préférée au moins une silice de précipitation. Par silice de précipitation, on entend ici une silice obtenue par précipitation à partir de la réaction d'un silicate de métal alcalin avec un acide, en général inorganique, à un pH adéquat du milieu de précipitation, en particulier un pH basique, neutre ou peu acide ; le mode de préparation de la silice peut être quelconque (addition d'acide sur un pied de cuve de silicate, addition simultanée totale ou partielle d'acide ou de silicate sur un pied de cuve d'eau ou de solution de silicate, etc..) et est choisi en fonction du type de silice que l'on souhaite obtenir ; à l'issue de l'étape de précipitation, on procède en général à une étape de séparation de la silice du milieu réactionnel selon tout moyen connu, filtre presse ou filtre sous vide par exemple ; on recueille ainsi un gâteau de filtration, lequel est lavé si nécessaire ; ce gâteau peut, éventuellement après délitage, être séché par tout moyen connu, notamment par atomisation, puis éventuellement broyé et/ou aggloméré.
En général, la quantité de silice de précipitation introduite est comprise entre 0,1 % et 5% en poids, exprimé en sec, par rapport au poids total du béton. Au delà de 5%, on observe habituellement des problèmes de rhéologie lors de la préparation du mortier.
De préférence, la silice de précipitation est introduite dans la composition sous forme d'une suspension aqueuse. Il peut notamment s'agir d'une suspension aqueuse de silice présentant :
- une teneur en matière sèche de 10 à 40% en poids ;
- une viscosité inférieure à 4.10"2 Pa.s pour un cisaillement de 50 s"1,
- une quantité de silice contenue dans le surnageant de ladite suspension, à 7500 trs/min pendant 30 min, de plus de 50% du poids de la silice contenue dans la suspension.
Cette suspension est plus particulièrement décrite dans la demande de brevet WO-A-96/01787. La suspension de silice Rhoxi at CS 60 SL commercialisée par Rhône-Poulenc convient particulièrement pour ce type de béton. Le ciment (a) du béton selon l'invention est avantageusement un ciment Portland tel que les ciments Portland CPA PMES, HP, HPR, CEM I PMES, 52,5 ou 52,5 R ou HTS (haute teneur en silice).
Les éléments granulaires (b) sont essentiellement des sables ou des mélanges de sable, tamisés ou broyés, pouvant avantageusement comprendre des sables silicieux, en particulier de la farine de quartz.
La taille de grain D75 de ces éléments est de préférence d'au plus 6 mm. Ces éléments granulaires sont en général présents à raison de 20 à 60 % en poids de la matrice cimentaire, de préférence de 25 à 50 % en poids de ladite matrice.
Les éléments fins à réaction pouzzolanique (c) présentent une taille de particules élémentaires de préférence au moins 0, 1 μm et d'au plus 20 μm, de préférence d'au plus 5 μm. Ils peuvent être choisis parmi les composés de silice, les cendres volantes, les laitiers de hauts-fourneaux, les dérivés d'argiles tels que le kaolin. La silice peut être une fumée de silice provenant de l'industrie du zirconium plutôt qu'une fumée de silice provenant de l'industrie du silicium.
Dans le cadre de l'invention, les bétons décrits précédemment comprennent de façon optionnelle des éléments de renfort. Ces éléments de renfort sont ajoutés à la composition formant la matrice afin d'en augmenter la ténacité. La ténacité est exprimée soit en termes de contrainte (facteur d'intensité de contrainte : Kc), soit en termes d'énergie (taux critique d'énergie : Gc), en utilisant le formalisme de la Mécanique Linéaire de la Rupture. De préférence, la ténacité de la matrice cimentaire est d'au moins 15 J/m2, avantageusement d'au moins 20 J/m2. La méthode de mesure de la ténacité a été décrite dans la demande de brevet PCT WO 99/28267.
La ténacité de la matrice cimentaire est avantageusement obtenue par ajout à la composition cimentaire d'éléments de renfort de taille moyenne d'au plus 1 mm, de préférence d'au plus 500 μm, se présentant sous une forme aciculaire ou sous forme de plaquettes. Ils sont en général présents dans une proportion volumique inférieure à 35 %, en particulier dans la gamme 5-25 % du volume cumulé des éléments granulaires (b) et des éléments à réaction pouzzolanique (c).
Par "taille" des éléments renforts, on entend la taille de leur dimension la plus grande (notamment la longueur pour les formes aciculaires). II peut s'agir de produits naturels ou de synthèse.
Les éléments renforts de forme aciculaire sont avantageusement choisis parmi des fibres de longueur inférieure à 1 mm par exemple les fibres de wollastonite, les fibres de bauxite, les fibres de mullite, les fibres de titanate de potassium, les fibres de carbure de silicium, les fibres de cellulose ou de dérivés de cellulose, tels que l'acétate de cellulose, les fibres de carbone, les fibres de carbonate de calcium, les fibres d'hydroxapatite et autres phosphates de calcium, ou les produits dérivés obtenus par broyage desdites fibres et les mélanges desdites fibres. De préférence, on utilise des éléments renforts dont l'acicularité, exprimée par le rapport longueur/diamètre, est au minimum de 3 et de préférence au minimum de 5.
Les fibres de wollastonite ont donné de bons résultats. Les éléments renforts sous forme de plaquette peuvent être choisis parmi les plaquettes de mica, les plaquettes de talc, les plaquettes de silicate mixtes
(argiles), les plaquettes de vermiculite, les plaquettes d'alumine et aluminates ou silicates mixtes et les mélanges desdites plaquettes.
Les plaquettes de mica ont donné de bons résultats. II est possible d'utiliser des combinaisons de ces différentes formes ou natures d'éléments renforts dans la composition du béton selon l'invention. Ces éléments de renfort peuvent présenter un revêtement organiques. Ce type de traitement est particulièrement recommandé pour les éléments renforts qui sont des produits naturels. De tels éléments renforts sont décrits en détails dans les demandes de brevet WO 99/28267 et EP-A-372804.
Le rapport en poids eau/ciment, traditionnel dans la technique du béton, peut varier lorsqu'on utilise des substituts du ciment, qui sont notamment les éléments à réaction pouzzolanique. Pour les besoins de la présente invention, on a donc défini le rapport pondéral de la quantité d'eau (E) vis-à-vis du poids cumulé du ciment et des éléments à réaction pouzzolanique. Ainsi défini, ce rapport est compris entre 8 et 24 % environ, de préférence entre 13 et 20 % environ. Dans la description des exemples, on a néanmoins utilisé le rapport E/C de l'eau au ciment.
La composition selon l'invention comprend également au moins un agent dispersant (d). Cet agent dispersant est en généra! un agent fluidifiant. L'agent fluidifiant peut être choisi parmi les lignosulfonates, la caséine, les polynaphtalènes, en particulier les polynaphtalènesulfonates de métaux alcalins, les dérivés du formaldéhyde, les polyacrylates de métaux alcalins, les polycarboxylates de métaux alcalins et les polyoxydes d'éthylène greffés. En général, la composition selon l'invention comprend de 0,5 à 2,5 parties en poids d'agent fluidifiant pour 100 parties en poids de ciment.
D'autres additifs peuvent être ajoutés dans la composition selon l'invention, par exemple un agent anti-mousse. A titre d'exemple, on peut utiliser les antimousses à base de polydiméthyl-siloxanes ou de propylène glycol.
Parmi ce type d'agents, on peut citer notamment les silicones sous la forme d'une solution, d'un solide, et de préférence sous la forme d'une résine, d'une huile ou d'une émulsion, de préférence dans l'eau. Conviennent tout particulièrement l s silicones comprenant essentiellement des motifs M (RSiOo.δ) et D (R2SiC ). Dans ces formules, les radicaux R, identiques ou différents, sont plus particulièrement choisis parmi l'hydrogène et les radicaux alkyles comprenant 1 à 8 atomes de carbone, le radical méthyle étant préféré. Le nombre de motifs est de préférence compris dans la gamme 30 à 120.
La quantité d'un tel agent dans la composition est généralement d'au plus 5 parties en poids pour 100 parties de ciment.
Sauf indication contraire, les tailles de particules sont mesurées par MET (microscopie électronique en transmission) ou MEB (microscopie électronique par balayage).
La matrice peut contenir encore d'autres ingrédients à conditions que ceux-ci ne perturbent pas les performances attendues du béton.
Le béton peut être obtenu selon tout procédé connu de l'homme du métier, notamment par gâchage des constituants solides et de l'eau, mise en forme (moulage, coulage, injection, pompage, extrusion, calandrage) puis durcissement.
Par exemple, pour préparer le béton, on malaxe les constituants de la matrice cimentaire et les fibres métalliques avec la quantité d'eau adéquate. Avantageusement, on respecte l'ordre de malaxage suivant :
- malaxage des constituants pulvérulents de la matrice (par exemple 2 minutes) ;
- introduction de l'eau et d'une fraction, par exemple la moitié des adjuvants ; - malaxage (par exemple 1 minute) ;
- introduction de la fraction restante des adjuvants ;
- malaxage (par exemple 3 minutes) ;
- introduction des fibres ,
- malaxage (par exemple 2 minutes), Selon une variante préférée, les fibres organiques sont introduites avant l'ajout d'eau.
Le béton est soumis à une maturation entre 20°C et 100°C pendant la durée nécessaire à l'obtention des caractéristiques mécaniques désirées. Une maturation à une température proche de l'ambiante fournit de bonnes propriétés mécaniques, et ce, grâce à la sélection des constituants de la matrice cimentaire. Dans ce cas, on laisse mûrir le béton, par exemple à une température voisine de 20°C. La maturation peut également faire intervenir un traitement thermique entre 60 et 100°C à pression normale sur le béton durci.
Le béton obtenu peut être notamment soumis à un traitement thermique entre 60 et 100°C pendant 6 heures à 4 jours avec une durée optimale de l'ordre de 2 jours, le traitement commençant après la fin de la prise du mélange ou au moins un jour après le début de la prise. En général, des durées de traitement de 6 heures à 72 heures suffisent, dans la gamme de températures précitée.
Le traitement thermique est réalisé en ambiance sèche ou humide ou suivant des cycles faisant alterner les deux ambiances, par exemple
24 heures en ambiance humide suivies de 24 heures en ambiance sèche.
On met en oeuvre ce traitement thermique sur des bétons ayant terminé leur prise, de préférence âgés d'au moins un jour, et encore mieux âgés d'au moins 7 jours environ. L'addition de poudre de quartz peut être utile lorsque le béton est soumis au traitement thermique précité.
Le béton peut être précontraint en pré-tension par fil adhérent ou par toron adhérent, ou précontraint en post-tension par monotorons gainés graissés ou par câble ou barre sous gaine, le câble étant constitué d'un assemblage de fils ou étant constitué de torons.
La précontrainte, qu'elle soit sous forme de pré-tension, ou sous forme de post-tension, est particulièrement bien adaptée à des produits en béton selon l'invention.
En effet, les câbles de pré-contrainte métalliques ont toujours des résistances à la traction très élevées, mal utilisées, parce que la fragilité de la matrice qui les contient ne permet pas d'optimiser les dimensions des éléments structurels en béton.
Les bétons obtenus selon la présente invention présentent en général une résistance en traction directe Rt d'au moins 8 Mpa. Selon un mode de réalisation préféré, les bétons utiles pour la présente invention présentent une résistance caractéristique à la compression d'au moins 150 MPa et une résistance caractéristique en flexion 4 points Rf d'au moins 25 MPa.
Les bétons obtenus selon l'invention présentent une bonne tenue au feu tel qu'illustrée dans les exemples suivants tout en conservant de bonnes propriétés physiques à l'état non durci et durci. L'invention concerne aussi une composition sous forme de poudre ne contenant pas de fibres métalliques qui comprend les fibres organiques et au moins un des éléments choisi parmi le ciment, les éléments granulaires, les éléments à réaction pouzzolanique, l'agent dispersant et les éléments renforts, ces éléments étant tels que définis précédemment, en quantité telle que lors de l'addition des fibres métalliques et de l'eau à cette composition, on obtient le béton de l'invention.
Selon un mode de réalisation particulier, la composition sous forme de poudre ne contenant pas de fibres métalliques comprend le ciment, les éléments à réaction pouzzolanique, l'agent dispersant et les fibres organiques tels que définis précédemment, en quantité telle que lors de l'addition des fibres métalliques et de l'eau à cette composition, on obtient le béton de l'invention.
On donnera ci-après des exemples de réalisation de bétons selon l'invention ainsi que des résultats de tenue au feu obtenus avec ces bétons.
Préparation des échantillons
Le béton ultra haute performance utilisé dans les exemples suivants est obtenu à partir des composés suivants : (i) Ciment Portland: à haute teneur en silice, type HTS, provenant de la société LAFARGE (FRANCE).
(ii) Sable : sable de quartz BE31 de la Société SIFRACO (FRANCE) ayant un D75 de 350 μm. (iii) Farine de Quartz: Qualité C400 avec 50% de grains inférieurs à 10 microns provenant de la Société SIFRACO (FRANCE)
(iv) Fumées de silice :microsilice vitreuse issue de la fabrication du zirconium, type " MST ", avec une surface " BET " de 12 m2/g provenant de la Société S.E.P.R. (FRANCE), (v) Adjuvant : fluidifiant OPTIMA 100 liquide provenant de la société CHRYSO (France)
(vi) Fibres métalliques : Les fibres métalliques sont des fibres d'acier ayant une longueur de 13 mm, un diamètre de 200 microns et une résistance de rupture en traction de 2800 MPa, fournies par la Société BEKAERT (Belgique). Les quantités mises en œuvre sont indiquées dans le tableau ci dessous
(vii) Fibres organiques : Les fibres organiques sont des fibres de polypropylène ou d'alcool polyvinylique dont la géométrie et les quantités mises en œuvre sont définies dans le tableau ci-dessous. Le béton décrit ci-après est obtenu par malaxage des constituants pulvérulents, introduction de l'eau et d'une partie de l'adjuvant, malaxage, introduction de la fraction restante de l'adjuvant, malaxage, introduction des fibres métalliques, malaxage, les fibres organiques étant introduites dans le mélange avant l'addition de l'eau. Dans ces essais, on a utilisé un malaxeur à haute turbulence avec rotation de la cuve, type EIRICH RV02.
Les moules sont remplis avec cette composition, puis vibres selon les procédures usuelles. Les éprouvettes sont démoulées 48 heures après le coulage. Elles subissent ensuite un traitement thermique consistant à les stocker en étuve à 90°C pendant 48 heures à 100 % d'humidité.
La formule du béton est donnée ci dessous
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X et Y sont les teneurs en fibres métalliques et organiques indiquées dans le tableau 1.
1ère série de Tests :
Les bétons sont analysés selon les méthodes d'analyse suivantes.
• La résistance à la compression Rc est la valeur obtenue en compression directe sur une éprouvette cylindrique (diamètre
70 mm/hauteur 140 mm) à 20°C.
Rc = 4 F/ π d2 F représentant la force à rupture en N, et d le diamètre des échantillons.
• La résistance en flexion 4 points est mesurée sur une éprouvette 70x70x280 mm montée sur appuis rotules, suivant les normes NFP 18-41 1 et NFP 18-409 et ASTM C 1018 selon la formule : Rf= 3Fmax(l-l')/2dw2 où Fmax représente la force maximale en N (force au pic), I = 210 mm et I' = I/3 et d = w = 70 mm. • La valeur d'étalement est mesurée par la technique de la table à choc (20 coups) selon les normes ASTM C320, ISO 2768-1 , EN 459-2.
« La tenue au feu est déterminée en mesurant
(1) la résistance caractéristique à la flexion 4 points résiduelle après la mise en température d'éprouvettes de béton, sous forme de prismes 70x70x250 mm. Les éprouvettes sont isolées sur 2 faces et les 2 faces non isolées sont exposées au feu dans un four pré-chauffé (400 à 500°C) et monté à
800°C en 20 minutes, puis maintenues 1h à 800°C,
(2) la résistance caractéristique à la compression résiduelle après la mise en température d'éprouvettes cubiques retaillées de 70 mm d'arête. (3) on observe aussi pour chaque échantillon la présence d'écaillage explosif.
Tableau 1.
Figure imgf000017_0001
Dans les exemples 1 et 2, les fibres de polypropylène (PP) sont des fibres FIBERMESH 6130, la température de fusion de ces fibres est de 170°C.
Dans l'exemple 3, les fibres d'alcool polyvinylique (APV) sont des fibres KURARAY RMS 182 dont la température de fusion est de 220°C.
Dans les exemples 4 et 5, les fibres de polypropylène sont des fibres FIBRIN 623 distribuées en France par la société CHRYSO SA.
Dans les exemples 6 et 7, les fibres sont des fibres KURARAY RF 350.
Les résultats obtenus montrent que les fibres de l'exemple 1 (polypropylène I = 19 mm) permettent une tenue au feu correcte pour un dosage de : 2%. Par contre, la rhéologie est très mauvaise (étalement /20 coups : 140 mm). Pour un dosage réduit (1 ,4%), la rhéologie est sensiblement améliorée (étalement : 160 mm), mais la tenue au feu devient très mauvaise : présence de fissures importantes et d'éclatements. Avec les fibres organiques de l'exemple 3 (alcool polyvinylique I = 6 mm°) et pour un dosage de 0,7%, la rhéologie reste correcte (étalement 160 mm) et une tenue au feu acceptable (pas d'éclatement).
Les meilleurs résultats sont obtenus avec les fibres des exemples 4 et 5 (polypropylène long. 6 mm). Pour un dosage réduit (0,5%), la rhéologie est excellente (étalement : 200 mm) et la tenue au feu est bonne. Les valeurs de tenue mécanique (compression, flexion) sont élevées.
Avec les bétons des exemples 6 et 7 qui ne contiennent que des fibres organiques, on obtient une bonne valeur d'étalement du béton, cependant ces bétons bien que n'explosant pas lors de l'exposition au feu, présentent des propriétés mécaniques fortement détériorées après exposition au feu.
2ème série de Tests. • Le béton préparé selon l'exemple 4 est coulé en divers éléments non chargés. Ces éléments sont les suivants : - dalles de dimensions : 400 x 300 x 25 mm3 - colonnes de dimensions: 300 x 300 x 700 mm3 ou 200 x 200 x
900 mm3 - et poutres en "I" de dimension 2100x150x240 mm3, ayant une âme de 50 mm d'épaisseur.
Certains des éléments subissent un traitement thermique identique à celui de la première série de tests (48h à 90°C et 100% d'humidité). Puis, l'ensemble des éléments traités ou non est soumis au feu selon la norme EN 1365-2 du
18/2/99 pendant 2 heures (soit une température de feu atteinte de 1050°C environ).
Les résultats des essais sont les suivants :
- les dalles, avec ou sans traitement thermique, chauffées uniquement sur la face inférieure et chargées à 42 daN transversalement à mi-longueur n'ont subi aucune détérioration,
- les colonnes, chauffées uniformément, ne présentent pas d'écaillage après l'essai au feu,
- la poutre, ayant subi un traitement thermique, est chauffée uniformément, et ne présente pas d'écaillage après l'essai,
• Le béton de l'exemple 4 a également été coulé en colonne de section 20 x 20 cm et de hauteur 90 cm.
Après traitement thermique (48h à 90°C et 100% d'humidité), deux colonnes ont été soumises à une charge de compression d'intensité 2000kN
(soit 43,6% de ce qu'aurait supporté l'élément), avec une excentricité de 14mm.
Ces échantillons ont été soumis au feu selon la norme EN 1365-2 du
18/2/99. L'une des colonnes a été capable de supporter la charge pendant 89 minutes et l'autre pendant 82 minutes (ce qui représente une température du feu d'environ 1000°C). Elles ont présenté un écaillage mineur avant la rupture.

Claims

REVENDICATIONS
1. Utilisation de fibres organiques présentant une température de fusion inférieure à 300°C, une longueur moyenne I supérieure à 1 mm et un diamètre 0 d'au plus 200 μm, dans un béton ultra haute performance pour améliorer la résistance au feu du béton, la quantité de fibres organiques étant telle que leur volume est compris entre 0,1 et 3 % du volume du béton après la prise et le béton présentant une résistance caractéristique à la compression à 28 jours d'au moins 120 MPa, une résistance caractéristique à la flexion d'au mois 20 MPa, et une valeur d'étalement à l'état non durci d'au moins 150 mm, ces valeurs étant données pour un béton conservé et maintenu à 20°C, ledit béton étant constitué d'une matrice cimentaire durcie dans laquelle sont dispersées des fibres métalliques, provenant du mélange avec de l'eau d'une composition comprenant outre les fibres :
(a) du ciment ;
(b) des éléments granulaires ayant une taille de grain Dg0 d'au plus 10 mm ;
(c) des éléments à réaction pouzzolanique ayant une taille de particules élémentaires comprise entre 0,1 et 100 μm,
(d) au moins un agent dispersant ; et répondant aux conditions suivantes :
(1 ) le pourcentage en poids de l'eau par rapport au poids cumulé du ciment (a) et des éléments (c) est compris dans la gamme 8-24 % ; (2) les fibres métalliques présentent une longueur moyenne h d'au moins 2 mm, et un rapport h/01, 01 étant le diamètre des fibres, d'au moins 20 ;
(3) le rapport Vι/V du volume Vi des fibres métalliques au volume V des fibres organiques est supérieur à 1 , et le rapport h/l de la longueur des fibres métalliques à la longueur des fibres organiques est supérieure à 1.
(4) le rapport R entre la longueur moyenne h des fibres métalliques et la taille D90 des éléments granulaires est d'au moins 3.
(5) la quantité de fibres métalliques est telle que leur volume est inférieur à 4 % du volume du béton après la prise.
2. Utilisation selon la revendication 1 caractérisée en ce que le béton comprend de plus des éléments renforts capables d'améliorer la ténacité de la matrice choisis parmi des éléments aciculaires ou plaquettaires ayant une taille moyenne d'au plus 1 mm, et présents dans une proportion volumique inférieure à 35 % du volume cumulé des éléments granulaires (b) et des éléments de réaction pouzzolanique (c).
3. Utilisation selon la revendication 1 ou 2 caractérisée en ce que le rapport I/0 des fibres organiques est compris entre 20 et 500.
4. Utilisation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les fibres organiques ont une longueur I supérieure à 1 ,5 mm et au plus égale à 12 mm.
5. Utilisation selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que les fibres organiques ont un diamètre inférieur à 80 μm.
6. Utilisation selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que le rapport V /V des fibres métalliques aux fibres organiques est d'au moins 2.
7. Utilisation selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que la quantité de fibres organiques est telle que leur volume est inférieur à 2 % du volume du béton après la prise.
8. Utilisation selon la revendication 7 caractérisée en ce que la quantité de fibres organiques est telle que leur volume est inférieur à 1 % du volume du béton après la prise.
9. Utilisation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les fibres organiques consistent en un homopolymère ou copolymère choisis parmi les groupes des polyacrylamide, polyéthersulfone, chlorure de polyvinyle, polyethylène, polypropylène, polystyrène polyamide et polyvinylalcool, seul ou en mélange.
10. Utilisation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les fibres organiques sont des fibres en polypropylène.
11. Utilisation selon la revendication 10 dans laquelle les fibres de polypropylène ont une longueur de 6 mm et un diamètre de 18 μm.
12. Utilisation selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que les fibres métalliques sont des fibres d'acier.
13. Utilisation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les fibres métalliques ont une longueur comprise dans la gamme de 5 à 30 mm.
14. Utilisation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la taille de grains D75 des éléments granulaires (b) est d'au plus 6 mm.
15. Utilisation selon l'une quelconque des revendications précédentes dans laquelle les fibres organiques ont une température de fusion inférieure ou égale à 200°C.
16. Béton ultra haute performance résistant au feu et présentant une résistance caractéristique à la compression à 28 jours d'au moins 120 MPa, une résistance caractéristique à la flexion d'au moins 20 MPa, et une valeur d'étalement à l'état non durci d'au moins 150 mm , ces valeurs étant données pour un béton conservé et maintenu à 20°C ; ledit béton étant constitué d'une matrice cimentaire durcie dans laquelle sont dispersées des fibres métalliques, provenant du mélange avec de l'eau d'une composition comprenant outre les fibres : (a) du ciment ;
(b) des éléments granulaires ayant une taille de grain Dg0 d'au plus 10 mm ;
(c) des éléments à réaction pouzzolanique ayant une taille de particules élémentaires comprise entre 0, 1 et 100 μm, (d) au moins un agent dispersant ;
(e) des fibres organiques ; et répondant aux conditions suivantes :
(1 ) le pourcentage en poids de l'eau par rapport au poids cumulé du ciment (a) et des éléments (c) est compris dans la gamme 8-24 % ; (2) les fibres métalliques présentent une longueur moyenne h d'au moins 2 mm, et un rapport h/01, 01 étant le diamètre des fibres, d'au moins 20 ; (3) les fibres organiques présentent une température de fusion inférieure à 200°C, une longueur moyenne I supérieure à 1 mm et un diamètre 0 d'au plus 200μm,
(4) le rapport Vι/V du volume Vi des fibres métalliques au volume V des fibres organiques est supérieur à 1 , et le rapport h/l de la longueur hdes fibres métalliques à la longueur I des fibres organiques est supérieure à 1.
(5) le rapport R entre la longueur moyenne h des fibres métalliques et la taille Dgo des éléments granulaires est d'au moins 3 ;
(6) la quantité de fibres métalliques est telle que leur volume est inférieur à 4 % du volume du béton après la prise ;
(7) la quantité de fibres organiques est telle que leur volume est compris entre 0,1 et 3 % du volume du béton après la prise.
17. Béton selon l'une des revendications 16, caractérisé en ce que les fibres organiques ont un diamètre inférieur à 80 μm.
18. Béton selon l'une des revendications 16 à 18 dans lequel le rapport I/0 des fibres organiques est compris entre 20 et 500.
19. Béton selon l'une des revendications précédentes 16 à 18 dans lequel le rapport volumique V-|/V des fibres métalliques aux fibres organiques est d'au moins 2.
20. Béton selon l'une des revendications 16 à 19 dans lequel les fibres organiques ont une longueur au plus égale à 12 mm.
21. Béton selon des revendications précédentes 16 à 20 dans lequel la quantité de fibres organiques est telle que leur volume est inférieur à 1 % du volume du béton après la prise.
22. Béton selon l'une des revendications précédentes 16 à 21 , caractérisé en ce que les fibres organiques sont des fibres en polypropylène ayant une longueur inférieure à 10 mm.
23. Béton selon la revendication 22 dans lequel les fibres de polypropylène ont une longueur de l'ordre de 6 mm et un diamètre de 18 μm.
24. Béton selon l'une des revendications précédentes 16 à 23 caractérisé en ce que 13s fibres métalliques sont des fibres d'acier.
25. Béton selon l'une des revendications précédentes 16 à 24 caractérisé en ce que les fibres métalliques ont une longueur comprise dans la gamme de 5 à 30 mm.
26. Béton selon l'une des revendications précédentes 16 à 25, caractérisé en ce qu il comprend de plus des éléments renforts capables d'améliorer la ténacité de la matrice choisis parmi des éléments aciculaires ou plaquettaires ayant une taille moyenne d'au plus 1 mm, et présents dans une proportion volumique inférieure à 35 % du volume cumulé des éléments granulaires (b) et des éléments de réaction pouzzolanique (c).
27. Béton selon l'une quelconque des revendications précédentes
16 à 26 caractérise en ce que les éléments renforts ont une taille moyenne d'au plus 500 μm et sont présents dans une proportion volumique comprise dans la gamme de 5 % à 25 % du volume cumulé des éléments granulaires (b) et des éléments à réaction pouzzolanique (c).
28. Béton selon l'une des revendications précédentes 16 à 27 caractérisé en ce que les éléments renforts sont des fibres de wollastonite.
29. Béton selon l'une des revendications précédentes 16 à 28 caractérisé en ce que les éléments renforts sont des plaquettes de mica.
30. Béton selon l'une des revendications précédentes 16 à 29 caractérisé en ce que la taille de grains D75 des éléments granulaires (b) est d'au plus 6 mm.
31. Béton selon l'une quelconque des revendications précédentes 16 à 30 caractérisé en ce qu'il est précontraint en pré-tension.
32. Béton selon l'une quelconque des revendications 16 à 30 précédentes caractérisé en ce qu'il est précontraint en post-tension.
33. Procédé de préparation d'un béton défini selon l'une quelconque des revendications 16 à 32 qui comprend le malaxage du ciment ; des éléments granulaires ayant une taille de grain D90 d'au plus 10 mm ; des éléments à réaction pouzzolanique ayant une taille de particules élémentaires comprise entre 0,1 et 100 μm, au moins un agent dispersant ;et des fibres organiques, avec la quantité d'eau adéquate, procédé dans lequel les fibres sont introduites dans le mélange avant l'addition d'eau.
34. Composition sous forme de poudre ne contenant pas de fibres métalliques qui comprend des fibres organiques et au moins un des éléments choisi parmi le ciment, les éléments granulaires, les éléments à réaction pouzzolanique, l'agent dispersant et les éléments renforts, ces éléments et les fibres organiques étant tels que définis dans l'une quelconque des revendications 16 à 32, en quantité telle que lors de l'addition de fibres métalliques et d'eau à cette composition, on obtient un béton ultra haute performance résistant au feu et présentant une résistance caractéristique à la compression à 28 jours d'au moins 120 MPa, une résistance caractéristique à la flexion d'au moins 20 MPa, et une valeur d'étalement à l'état non durci d'au moins 150 mm , ces valeurs étant données pour un béton conservé et maintenu à 20°C.
35. Composition selon la revendication 35 qui comprend le ciment, les éléments à réaction pouzzolanique, l'agent dispersant et les fibres organiques.
36. Composition selon la revendication 35 ou 36 dans laquelle la température de fusion des fibres organiques est inférieure à 200°C.
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