La présente invention est relative à des éléments filiformes, appelés fibres, pouvant servir pour le renforcement de matériaux moulables ! liant du type hydraulique ou non.
En ce qui concerne le renforcement des matériaux moulables à liant hydraulique, la technique du renforcement du béton par fibres métalliques, éléments filiformes de courte longueur en acier par exemple, est actuellement d'utilisation courante; les propriétés du béton renforcé par ces fibres sont désormais bien connues et plusieurs types de fibres de provenances différentes destinées à des applications bien spécifiques sont actuellement disponibles.
Ces différents types de fibres sont caractérisables par leur effet de renforcement sur le matériau composite , effet provoqué par leurs caractéristiques géométriques et mécaniques.
De manière à pouvoir objectivement comparer plusieurs types différents de fibres, il est utile de rappeler le comportement et le processus de renforcement d'un matériau composite à matrice fragile, renforcé par des fibres en matériau ductile.
Ce comportement dépend de l'effet du renfort fibreux dans la matrice au voisinage d'une
<EMI ID=1.1>
matrice , la fissure ayant été provoquée par un dépassement de la contrainte de traction de rupture dû à des variations dimensionnelles
(thermiques, hygrométriques) ou à des sollicitations de flexion ou traction.
Idéalement, le renforcement par fibres apporte un accroissement d'énergie de rupture du matériau composite par rapport au matériau- matrice fragile.
<EMI ID=2.1>
et à la rupture du renfort fibreux.
Cette explication de l'intervention du renfort fibreux fait bien comprendre la nécessité de réaliser une solidarisation parfaite entre les fibres ductiles et la matrice fragile.
Par application de ces principes, il est facile de caractériser les différents types de fibres disponibles actuellement :
- Les fibres longues et droites représentées en figure 1.
Seules les tensions d'adhérence régnant le long de l'interface fibre - matrice peuvent provoquer un ancrage de la fibre dans la matrice.
On montre que pour pouvoir solliciter la fibre en traction jusqu'à atteindre une tension de traction voisine de la rupture de celle-ci, il faudrait que son diamètre soit au moins 200 fois plus petit que sa longueur; pour des raisons pratiques de mise en oeuvre, il est exclu d'utiliser des fibres qui auraient une telle caractéristique géométrique.
Les fibres longues munies de crochets en leurs extrémités.
Trois types différents sont représentés en figure
2. La présence de crochets aux extrémités permet de réaliser un accrochage de la fibre à la matrice.
Le comportement de la fibre dépend de la tenue des crochets dans la matrice.
On constate expérimentalement que quelle que soit la géométrie des crochets (nombre de courbures opposées , rayon de courbure), l'énergie nécessaire à les déplier est toujours plus faible que l'énergie de rupture par traction de la fibre; il s'en suit que souvent les fibres munies de crochets ne sont pas amenées dans un état voisin de la rupture dans une fissure de la matrice mais sont déchaussées par dépliage des crochets.
Comme conclusion, on admet que les crochets aux extrémités, s'ils améliorent considéra blement la tenue du matériau composite , ne sont pas suffisants pour obtenir le comportement idéal.
Les fibres munies d'ondulations sinusoïdales réparties sur toutes leur longueur.
Dans ce cas, l'énergie de dépliage est à nouveau bien inférieure à l'énergie de rupture par traction de la fibre ; le nombre d'ondulations le long d'une fibre ne compense pas le trop grand rayon de courbure de chaque ondulation.
Ces fibres sont représentées en figure 3.
Les fibres lisses droites comprenant dans leur longueur des parties aplaties pouvant également être localisées en leurs extrémités.
Ces fibres sont représentées sur la figure 4.
Dans ce cas, l'accrochage réalisé sans les pliages induisant des pertes de raideur, est limite dans ses performances parce qu'il est trop agressif pour la matrice.
En effet, comme il est constaté expérimentalement lorsque la fibre est soumise à un effort de traction, la matrice peut être cisaillée par les parties aplaties il en résulte le déchaussement néfaste.
Les fibres rugueuses droites ou non.
Ces fibres sont représentées sur la figure 5.
Dans ce cas, la rugosité et/ou les courbures sont insuffisantes pour réaliser un accrochage.
La comparaison raisonnée des différentes fibres disponibles actuellement aide à bien comprendre le problème posé :
- Concevoir une fibre s'accrochant parfaitement à la motrice c'est-à-dire ne se déchaussant <EMI ID=3.1>
du fait d'une rupture de la matrice au voisinage du moyen d'ancrage.
Avec un tel type de fibre, l'énergie de rupture du matériau composite serait celle de la matrice fragile, augmentéede celle du renfort fibreux.
La présente invention est relative à une fibre en acier par exemple, destinée à renforcer un matériau- matrice, le béton par exemple en ne se déchaussant jamais hors de celui-ci, ni du fait de la fibre elle-même, ni du fait de la matrice par rupture de celle-ci au voisinage de l'ancrage.
A cet effet, la fibre de renforcement comporte à chaque extrémité selon l'invention un dispositif d'ancrage constitué d'un ou plusieurs volumes de formes quelconques dont toutes les dimensions transversales sont supérieures au diamètre du corps filiforme.
Le dispositif d'ancrage peut être constitué à chaque extrémité d'un seul volume appelé tête, pouvant présenter une forme de plus en plus enflée vers les extrémités de la fibre et même présenter une partie à symétrie de révolution.
<EMI ID=4.1>
La courbe génératrice de ce solide de révolution peut être telle que l'intersection de la tangente en tout point de cette courbe avec la surface latérale extérieure du corps filiforme de la fibre se trouve toujours dans le volume même de la tête ;
les têtes peuvent toutefois être aussi en partie ou en totalité de forme cylindrique.
Soit une fibre type dessinée sur la figure 6 A., à tête schématique dessinée sur la figure
6 6 ; .et <EMI ID=5.1>
principal du corps filiforme.
<EMI ID=6.1>
régnant dans la tête le long de la surface S, prolongement dans la tête de la surface latérale extérieur du corps filiforme.
<EMI ID=7.1>
corps filiforme de la fibre.
On peut écrire une équation d'équilibre interne
de la fibre :
<EMI ID=8.1>
On en déduit la condition de comportement qui exprime qu'on désire obtenir la rupture par traction du corps filiforme de la fibre.
L'indice R caractérisant l'état de rupture, soit :
<EMI ID=9.1>
Or pour un acier quelconque, si on admet que :
<EMI ID=10.1>
Il faudra donc que la longueur de la tête soit approximativement au moins égale à la moitié du rayon du corps filiforme.
. On peut également écrire une équation de comportement de la tête de fibre au sein de la matrice fragile.
Une fibre 3 tête cylindrique donne lieu à l'équation suivante :
<EMI ID=11.1>
cisaillement de la matrice
<EMI ID=12.1>
A étant l'indice caractérisant la fibre, M étant l'indice caractérisant la matrice avoisinante
On en déduit la condition de comportement en exprimant qu'il y ait rupture de fibre par traction avant rupture de la matrice av oisinante par cisaillement.
<EMI ID=13.1>
R étant l'indice caractérisant la rupture.
<EMI ID=14.1>
<EMI ID=15.1>
<EMI ID=16.1>
Ce qui donne finalement :
<EMI ID=17.1>
soit :
<EMI ID=18.1>
donc :
<EMI ID=19.1>
Application numérique :
<EMI ID=20.1>
Une fibre de diamètre 0,6 mm.
de longueur 60 mm.
Alors
<EMI ID=21.1>
Une telle application numérique montre que la tête devrait être d'un diamètre double de celui
<EMI ID=22.1>
présentant la caractéristique donnée ci-dessus.
Pour des fibres en acier à caractéristiques mécaniques plus élevées, il faudrait encore augmenter le diamètre de la tête.
Une telle augmentation risquerait de provoquer des difficultés de mise en oeuvre par agglomération des fibres entre elles dans le mélange.
Ce qui précède, permet de comprendre qu'en tenant compte de la facilité de mise en oeuvre du matériau composite, il n'est pas possible pour
<EMI ID=23.1>
d'assurer l'ancrage de la tête de fibre dans la matrice â cause de la faiblesse en cisaillement de celle-ci, lorsque la tête est cylindrique.
De plus, la zone de transition du corps filiforme à la tête cylindrique constitue bien souvent dans la fibre une zone de rupture due � la présence éventuelle d'amorces de rupture en cet endroit.
En conséquence, il faut doter la tête de fibre d'une forme telle que lorsqu'elle est soumise à un effort de traction, celle-ci vienne comprimer la matrice avoisinante en exerçant une compression importante sur la surface probable de rupture par cisaillement.
Un calcul simplifié permet de se rendre compte de l'effet de cette mise en compression de la matrice dans une région où elle pourrait se rompre par cisaillement.
La figure 8 illustre le principe dans le cas d'une tête tronconique schématisée.
L'effort normal exercé sur la matrice, par une demi-tête par rapport à un plan diamétral du corps filiforme peut s'exprimer par la relation :
<EMI ID=24.1>
<EMI ID=25.1>
On peut calculer la contrainte de compression moyenne s sur la matrice exercée par la tête de la fibre
<EMI ID=26.1>
Or S latérale =
<EMI ID=27.1>
donc:
<EMI ID=28.1>
Une application numérique fera comprendre l'effet de renforcement de la matrice provoqué par la forme géométrique de la tête.
<EMI ID=29.1>
<EMI ID=30.1>
<EMI ID=31.1>
induit une contrainte de compression sur matrice de 1414 kg/cm2.
Cet angle de tête de valeur 45[deg.], induit une compression très élevée, peut être limite, sur la matrice tout en ne dépassant pas 6.000 kg/cm2 de contrainte de traction sur le corps filiforme. On en déduit que pour profiter de qualités mécaniques plus élevées de la fibre, il faudra
<EMI ID=32.1>
bien comprendre le principe.
<EMI ID=33.1>
<EMI ID=34.1>
<EMI ID=35.1>
<EMI ID=36.1>
filiforme.
Pour obtenir une valeur de s = 700 kg/cm2 correspondant à la contrainte de compression localement admissible il faut :
<EMI ID=37.1>
<EMI ID=38.1>
le corps filiforme valant :
<EMI ID=39.1>
148 Kg/mm2 mettant en évidence
la possibilité d'utiliser comme matériau constitutif de la fibre des aciers à caractéristiques mécaniques plus élevées que dans
<EMI ID=40.1> <EMI ID=41.1>
extrémités d'une tête dont la partie intérieure, c'est-à-dire la partie en contact avec le corps filiforme, soit de forme solide de révolution tel que l'angle entre la tangente en tout point de la courbe génératrice et l'axe du corps filiforme ait une valeur .maximale comprise entre 20 et 60[deg.]. La valeur de cet angle dépendra pour, obtenir le comportement idêal,de la nature du matériau constituant la fibre.
Comme exemple, l'acier, pour des qualités mécaniques de plus en plus faibles exige des angles de tête de plus en plus élevés et pour des qualités mécaniques de plus en plus élevées exige des angles de tête de plus en plus faibles.
Les éléments filiformes appelés "fibres" décrits ci-avant peuvent se fabriquer par l'utilisation de plusieurs procédés.
En effet, suivant un procédé, un élément filiforme de longueur indéfinie de diamètre égal à la plus grande dimension transversale de tête subit, par passage entre un couple de cylindres de laminage rainurés, dont les rainues sont pourvues d'encoches espacées les unes des autres, une réduction de diamètre sur toute sa longueur sauf que des têtes se forment aux emplacements des encoches taillées le long des rainures des cylindres de laminage.
L'étape suivante de ce procédé consiste 3 couper régulièrement l'élément filiforme continu laminé de manière à produire des fibres de longueur précise munies à chaque extrémité d'une tête.
Un autre procédé se réalise par frappe d'un marteau sur chaque extrémité d'un élément filiforme, sans tête, ayant un diamètre égal � celui du corps de la fibre, chaque extrémité étant maintenue lors de la frappe par une matrice de manière à obtenir une tête de forme souhaitée.
Les procédés inventés sont maintenant décrits de manière plus détaillée en faisant référence aux dessins ci-annexés dans lesquels :
- les figures 9A et 9B représentent schématiquement un appareil suivant l'invention.
- la figure 10 représente le détail X de la figure 9A.
- la figure 11 représente en vue frontale le couple de cylindre de la figure 9A.
- la figure 12 représente en coupe le détail Y de la figure 9B.
- la figure 13 représente en perspective quelques <EMI ID=42.1>
procédés utilisés
Dans ces différentes figures, les mêmes notations de référence désignent les mêmes éléments.
Comme illustré en figure 9A, le fil bobiné désigné généralement par la notation de référence 1 est tiré vers un appareil de laminage 2 constitué d'un couple de cylindres de laminage à canelures pourvues régulièrement sur leur longueur d'encoches matrices des têtes de fibre dont les figures 10 et 11 donnent un exemple de manière à réduire le diamètre du fil comme matériau de base jusqu'au diamètre du corps filiforme de la fibre excepté à l'endroit des têtes de ces fibres.
Cet appareil de laminage 2 fournit un fil de diamètre inférieur au diamètre initial et muni â espacement régulier d'enflures.
Le dispositif 4 de cisaillage, sectionne le fil ainsi obtenu à mi-volume de chaque enflure pour créer les fibres munies de leurs têtes.
Comme illustré en figure 9B, le fil bobiné désigné généralement par la notation de référence 1 est tiré vers un appareil de cisaillage produisant des éléments filiformes 6 droits de courte longueur constante devant être saisis individuellement, pinces à leurs extrémités entre deux matrices, comme en figure 12, engendrant avec l'aide des marteaux de frappe les têtes désirées dans leur forme exacte.
Le fil bobiné utilisable dans la présente invention peut être obtenu par découpage d'une
<EMI ID=43.1>
Il est bien entendu que l'invention n'est pas limitée aux détails décrits plus haut.
Elle peut subir de nombreuses modifications qui n'en changent pas la portée.
The present invention relates to filiform elements, called fibers, which can be used for the reinforcement of moldable materials! hydraulic type binder or not.
With regard to the reinforcement of moldable materials with a hydraulic binder, the technique of reinforcing concrete with metal fibers, filiform elements of short length in steel for example, is currently in common use; the properties of concrete reinforced with these fibers are now well known and several types of fibers from different sources intended for very specific applications are currently available.
These different types of fibers can be characterized by their reinforcing effect on the composite material, an effect caused by their geometric and mechanical characteristics.
In order to be able to objectively compare several different types of fibers, it is useful to recall the behavior and the reinforcement process of a composite material with a brittle matrix, reinforced by fibers of ductile material.
This behavior depends on the effect of the fibrous reinforcement in the matrix in the vicinity of a
<EMI ID = 1.1>
matrix, the crack having been caused by exceeding the breaking tensile stress due to dimensional variations
(thermal, hygrometric) or to bending or tensile stresses.
Ideally, fiber reinforcement provides an increase in the breaking energy of the composite material compared to the brittle matrix material.
<EMI ID = 2.1>
and rupture of the fibrous reinforcement.
This explanation of the intervention of the fibrous reinforcement makes it clear the need to achieve a perfect connection between the ductile fibers and the fragile matrix.
By applying these principles, it is easy to characterize the different types of fibers currently available:
- The long and straight fibers shown in Figure 1.
Only the adhesion tensions prevailing along the fiber-matrix interface can cause the fiber to anchor in the matrix.
It is shown that in order to be able to urge the fiber in tension until reaching a tensile tension close to the breaking of the latter, its diameter would have to be at least 200 times smaller than its length; for practical reasons of implementation, it is excluded to use fibers which would have such a geometric characteristic.
Long fibers with hooks at their ends.
Three different types are shown in the figure
2. The presence of hooks at the ends makes it possible to attach the fiber to the matrix.
The behavior of the fiber depends on the behavior of the hooks in the matrix.
It has been found experimentally that whatever the geometry of the hooks (number of opposite curvatures, radius of curvature), the energy necessary to unfold them is always lower than the energy of rupture by traction of the fiber; it follows that often the fibers provided with hooks are not brought into a state close to rupture in a crack in the matrix but are released by unfolding the hooks.
As a conclusion, it is admitted that the hooks at the ends, if they considerably improve the behavior of the composite material, are not sufficient to obtain the ideal behavior.
Fibers with sinusoidal undulations distributed over their entire length.
In this case, the unfolding energy is again much lower than the breaking energy by traction of the fiber; the number of undulations along a fiber does not compensate for the too large radius of curvature of each undulation.
These fibers are shown in Figure 3.
Straight smooth fibers comprising in their length flattened parts which can also be located at their ends.
These fibers are shown in Figure 4.
In this case, the attachment carried out without the folds inducing stiffness losses, is limited in its performance because it is too aggressive for the matrix.
Indeed, as it is experimentally observed when the fiber is subjected to a tensile force, the matrix can be sheared by the flattened parts, resulting in harmful loosening.
Rough fibers, straight or not.
These fibers are shown in Figure 5.
In this case, the roughness and / or the curvatures are insufficient to achieve a hooking.
The reasoned comparison of the various fibers currently available helps to understand the problem posed:
- Design a fiber that clings perfectly to the motor, that is to say does not take off <EMI ID = 3.1>
due to a rupture of the matrix in the vicinity of the anchoring means.
With such a type of fiber, the breaking energy of the composite material would be that of the fragile matrix, increased by that of the fibrous reinforcement.
The present invention relates to a steel fiber for example, intended to reinforce a matrix material, concrete for example by never removing shoes from it, neither because of the fiber itself, nor because of the matrix by breaking it in the vicinity of the anchor.
To this end, the reinforcing fiber comprises at each end according to the invention an anchoring device consisting of one or more volumes of any shape whose all transverse dimensions are greater than the diameter of the filiform body.
The anchoring device can be constituted at each end of a single volume called the head, which can have a shape which is increasingly swollen towards the ends of the fiber and even have a part with symmetry of revolution.
<EMI ID = 4.1>
The generating curve of this solid of revolution can be such that the intersection of the tangent at any point of this curve with the external lateral surface of the filiform body of the fiber is always in the very volume of the head;
the heads can however also be partly or entirely of cylindrical shape.
Or a typical fiber drawn in Figure 6 A., with a schematic head drawn in the figure
6 6; .and <EMI ID = 5.1>
main body of the filiform body.
<EMI ID = 6.1>
prevailing in the head along the surface S, extension in the head of the outer lateral surface of the filiform body.
<EMI ID = 7.1>
filiform body of the fiber.
We can write an internal equilibrium equation
fiber:
<EMI ID = 8.1>
We deduce the behavioral condition which expresses that we want to obtain the rupture by traction of the filiform body of the fiber.
The index R characterizing the rupture state, that is:
<EMI ID = 9.1>
Now for any steel, if we admit that:
<EMI ID = 10.1>
The length of the head must therefore be approximately at least equal to half the radius of the filiform body.
. One can also write an equation of behavior of the fiber head within the fragile matrix.
A fiber 3 cylindrical head gives rise to the following equation:
<EMI ID = 11.1>
matrix shear
<EMI ID = 12.1>
A being the index characterizing the fiber, M being the index characterizing the neighboring matrix
One deduces from it the condition of behavior by expressing that there is rupture of fiber by traction before rupture of the surrounding matrix by shearing.
<EMI ID = 13.1>
R being the index characterizing the rupture.
<EMI ID = 14.1>
<EMI ID = 15.1>
<EMI ID = 16.1>
Which ultimately gives:
<EMI ID = 17.1>
is :
<EMI ID = 18.1>
so :
<EMI ID = 19.1>
Digital Application :
<EMI ID = 20.1>
A 0.6 mm diameter fiber.
60 mm long.
So
<EMI ID = 21.1>
Such a digital application shows that the head should be twice the diameter
<EMI ID = 22.1>
having the characteristic given above.
For steel fibers with higher mechanical characteristics, the head diameter would have to be further increased.
Such an increase would risk causing processing difficulties by agglomerating the fibers together in the mixture.
The above makes it possible to understand that taking into account the ease of implementation of the composite material, it is not possible for
<EMI ID = 23.1>
to ensure the anchoring of the fiber head in the matrix because of the weakness in shearing thereof, when the head is cylindrical.
In addition, the transition zone from the filiform body to the cylindrical head often constitutes in the fiber a zone of rupture due to � the possible presence of primers of rupture in this place.
Consequently, it is necessary to endow the fiber head with a shape such that when it is subjected to a tensile force, it comes to compress the neighboring matrix by exerting a significant compression on the probable surface of rupture by shearing.
A simplified calculation makes it possible to realize the effect of this setting in compression of the matrix in a region where it could break by shearing.
FIG. 8 illustrates the principle in the case of a diagrammatic tapered head.
The normal force exerted on the matrix by a half head relative to a diametrical plane of the filiform body can be expressed by the relation:
<EMI ID = 24.1>
<EMI ID = 25.1>
We can calculate the average compression stress s on the matrix exerted by the fiber head
<EMI ID = 26.1>
Or S lateral =
<EMI ID = 27.1>
so:
<EMI ID = 28.1>
A digital application will explain the strengthening effect of the matrix caused by the geometric shape of the head.
<EMI ID = 29.1>
<EMI ID = 30.1>
<EMI ID = 31.1>
induces a compression stress on a matrix of 1414 kg / cm2.
This head angle of value 45 [deg.], Induces a very high compression, can be limited, on the matrix while not exceeding 6,000 kg / cm2 of tensile stress on the filiform body. We deduce that to take advantage of higher mechanical qualities of the fiber, it will be necessary
<EMI ID = 32.1>
understand the principle.
<EMI ID = 33.1>
<EMI ID = 34.1>
<EMI ID = 35.1>
<EMI ID = 36.1>
threadlike.
To obtain a value of s = 700 kg / cm2 corresponding to the locally admissible compressive stress it is necessary:
<EMI ID = 37.1>
<EMI ID = 38.1>
the filiform body being worth:
<EMI ID = 39.1>
148 Kg / mm2 highlighting
the possibility of using steels with higher mechanical characteristics as the constituent material of the fiber than in
<EMI ID = 40.1> <EMI ID = 41.1>
ends of a head of which the inner part, that is to say the part in contact with the filiform body, is of solid form of revolution such that the angle between the tangent at any point of the generating curve and the axis of the filiform body has a maximum value between 20 and 60 [deg.]. The value of this angle will depend, to obtain the ideal behavior, on the nature of the material constituting the fiber.
As an example, steel, for increasingly weak mechanical qualities requires increasingly higher head angles and for increasingly high mechanical qualities requires increasingly weak head angles.
The filiform elements called "fibers" described above can be manufactured by the use of several methods.
In fact, according to a method, a filiform element of indefinite length with a diameter equal to the largest transverse dimension of the head is subjected, by passage between a couple of grooved rolling cylinders, the grooves of which are provided with notches spaced from one another. , a reduction in diameter over its entire length except that heads are formed at the locations of the notches cut along the grooves of the rolling rolls.
The next step in this process is to regularly cut the continuous laminated filiform element so as to produce fibers of precise length provided at each end with a head.
Another process is carried out by striking a hammer on each end of a filiform element, without head, having an equal diameter � that of the fiber body, each end being held during striking by a matrix so as to obtain a head of desired shape.
The invented methods are now described in more detail with reference to the attached drawings in which:
- Figures 9A and 9B schematically show an apparatus according to the invention.
- Figure 10 shows the detail X of Figure 9A.
- Figure 11 shows in front view the cylinder pair of Figure 9A.
- Figure 12 shows in section the detail Y of Figure 9B.
- Figure 13 shows in perspective some <EMI ID = 42.1>
processes used
In these different figures, the same reference notations designate the same elements.
As illustrated in FIG. 9A, the wound wire generally designated by the reference notation 1 is drawn towards a rolling apparatus 2 made up of a pair of fluted rolling cylinders regularly provided over their length with matrix slots of the fiber heads, of which FIGS. 10 and 11 give an example so as to reduce the diameter of the wire as a base material up to the diameter of the filiform body of the fiber except at the location of the heads of these fibers.
This rolling apparatus 2 provides a wire of diameter smaller than the initial diameter and provided with regular spacing of swellings.
The shearing device 4 cuts the wire thus obtained at mid-volume of each swelling to create the fibers provided with their heads.
As illustrated in FIG. 9B, the wound wire generally designated by the reference notation 1 is pulled towards a shearing apparatus producing straight filiform elements 6 of short constant length which must be gripped individually, pliers at their ends between two dies, as in figure 12, generating with the help of hammers striking the desired heads in their exact shape.
The wound wire usable in the present invention can be obtained by cutting a
<EMI ID = 43.1>
It is understood that the invention is not limited to the details described above.
It can undergo many modifications which do not change its scope.