FR2640962A1 - Composite concrete of very high performance and process for its use - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention est relative à une composition de béton à très hautes performances et à son procédé de mise en oeuvre. Plus particulièrement, elle concerne un béton composite apte à limiter la pénétration de projectiles. The present invention relates to a very high performance concrete composition and its method of implementation. More particularly, it relates to a composite concrete capable of limiting the penetration of projectiles.
Lorsqu'un projectile de type militaire pénètre dans un matériau i matrice cimentaire, tel que du béton, celui-ci est essentiellement sollicité en traction, en compression et en cisaillement. Lorsque le projectile militaire est une bombe ou un obus perforant, celui-ci peut pénétrer jusqutå environ 2 m dans du béton ordinaire (type B35), comme celui utilisé traditionnellement en génie civil. Le béton montre alors des décohésions provoquées par le choc, qui génère des propagations d'ondes tant en traction quten compression, conduisant ainsi à une explosion de la face arrière du béton (face opposée a celle de l'impact). Ce phénomène est connu sous le nom d'effet de scabbing.Pour y remédier, il faudrait avoir un béton - qui présente des propriétés mécaniques aussi élevées
que possible avec une excellente résistance a la
traction et à la compression - qui peut freiner et limiter le plus possible la
propagation des fissures de Hertz (effet de
scabbing) - qui absorbe le plus possible l'énergie propre du
projectile, en en limitant la pénétration - qui doit présenter un comportement pseudo ductile,
mEme après avoir été endommagé par le projectile.When a military-type projectile penetrates a cementitious matrix material, such as concrete, it is essentially stressed in tension, compression and shear. When the military projectile is a bomb or a piercing shell, it can penetrate up to about 2 m into ordinary concrete (type B35), like that traditionally used in civil engineering. The concrete then shows decohesions caused by the shock, which generates wave propagation both in tension and compression, thus leading to an explosion of the rear face of the concrete (face opposite to that of the impact). This phenomenon is known as the effect of scabbing.To remedy this, it would be necessary to have a concrete - which has such high mechanical properties
as possible with excellent resistance to
traction and compression - which can slow down and limit as much as possible the
propagation of Hertz cracks (effect of
scabbing) - which absorbs as much as possible the clean energy of the
projectile, by limiting the penetration - which must exhibit pseudo ductile behavior,
even after being damaged by the projectile.
Les matériaux a matrice cimenta ire ou bétons de type connu ne satisfont pas i ces conditions, car ils sont i rupture fragile. Une solution consisterait à protéger le béton par un blindage métallique, mais celui-ci serait difficile A mettre en place, à-cause de son poids et de l'éventuelle complexité de la forme du béton à protéger. Il serait également possible d'augmenter l'épaisseur du béton, mais celle-ci deviendrait telle que sa mise en oeuvre se heurterait à de grandes difficultés. Cementitious matrix materials or concretes of known type do not satisfy these conditions because they are fragile brittle. One solution would be to protect the concrete with a metal shield, but it would be difficult to implement, because of its weight and the possible complexity of the shape of the concrete to protect. It would also be possible to increase the thickness of the concrete, but it would become such that its implementation would encounter great difficulties.
La présente invention a pour objet une composition de béton qui remédie à ces inconvénients. The present invention relates to a concrete composition that overcomes these disadvantages.
Ce béton composite à très hautes performances, du type comprenant un liant hydraulique, des agrégats, de l'eau, des adjuvants et des fibres métalliques, est caractérisé en ce qu'il comprend, en parties en poids pour 100 parties de liant hydraulique - un liant hydraulique constitué par du ciment (100
parties) - des agrégats de dureté élevée et de géométrie
particulaire, soit ronde, soit angulaire (120 à 200
parties) - des agrégats de grande finesse (40 à 65 parties) - de la microsilice (3 à 15 parties) - de l'eau (25 à 35 parties) - des adjuvants constitués par des fluidifiants (1,5 à
5 parties) et un anti-mousse (0 à 0,5 parties) - des fibres métalliques, à raison de 6 à 15 % en poids
par rapport à la matrice.This high performance composite concrete, of the type comprising a hydraulic binder, aggregates, water, admixtures and metal fibers, is characterized in that it comprises, in parts by weight per 100 parts of hydraulic binder - a hydraulic binder consisting of cement (100
parts) - aggregates of high hardness and geometry
particle, either round or angular (120 to 200
parts) - aggregates of great fineness (40 to 65 parts) - microsilica (3 to 15 parts) - water (25 to 35 parts) - additives consisting of fluidifiers (1.5 to
5 parts) and antifoam (0 to 0.5 parts) - metal fibers, 6 to 15% by weight
relative to the matrix.
L'invention a également pour objet un procédé pour la mise en oeuvre de ce béton, du type suivant lequel les matières sèches sont mélangées dans un malaxeur, puis on ajoute l'eau et les adjuvants, on coule la pâte obtenue pour en faire une pièce qui est démoulée après environ 24 heures de mûrissement et on la soumet à un traitement thermique entre 50 et 60'C à 100 % d'humidité relative, suivi d'un mûrissement à température ambiante puis d'un étuvage sec à une température comprise entre 200 et 250'C. The subject of the invention is also a process for the use of this concrete, of the type in which the dry materials are mixed in a kneader, then the water and the adjuvants are added, the paste obtained is cast to make it piece which is demolded after about 24 hours of ripening and is subjected to a heat treatment between 50 and 60'C at 100% relative humidity, followed by a ripening at room temperature and dry drying at a temperature included between 200 and 250 ° C.
On obtient ainsi un béton extrêmement résistant à la pénétration de projectiles tout en étant facile à mettre en oeuvre. This gives a concrete extremely resistant to the penetration of projectiles while being easy to implement.
Le béton à très hautes performances selon l'invention est constitué de la manière suivante (les quantités étant exprivèes en parties pour 100 parties en poids de ciment) : a) un liant hydraulique qui est de préférence un ciment
de type CPA 55 ou HPR ; b) des agrégats de dureté élevée, présentant une
géométrie particulaire, soit ronde, soit
angulaire, à raison de 120 à 200 parties.Ces
agrégats peuvent être des alliages métalliques,
de dureté au moins égale à 50 Rc, comme l'acier ou
la fonte, des oxydes métalliques, ou du carbure de
silicium, ces deux catégories ayant une dureté Knoop
au moins égale a 2000 kgimm2. De préférence, parmi
les oxydes métalliques, on choisit le corindon. I1
est préférable de réunir deux granulométries, même
si une seule peut convenir : la première
granulométrie est comprise entre 600 et 2 000
microns, la seconde couvrant l'invervalle 70 à
350 microns. Les proportions respectives en poids de
ces deux granulométries sont de 60 à 70 t pour la
première et de 40 à 30 t pour la seconde.Si une
seule granulométrie doit être utilisée, il est
préférable qu'elle soit comprise entre 300 et 1 000
microns ; c) des agrégats de grande finesse, tels que du
corindon, du quartz cristallin broyé, ou du carbure
de silicium, i raison de 40 à 65 parties, dont la
granulométrie est inférieure à 15 microns ; d) de la microsilice, telle que de la silice thermique,
de granulométrie inférieure à 5 microns, à raison de
3 a 15 parties ; e) de l'eau, entre 25 et 35 parties f) des adjuvants classiques, tels que fluidifiants ou
superfluidifiants, à raison de 1,5 à 5 parties et un
anti-mousse, à raison de O à 0,5 partie. The very high performance concrete according to the invention is constituted in the following manner (the quantities being exprivées in parts per 100 parts by weight of cement): a) a hydraulic binder which is preferably a cement
CPA 55 or HPR type; (b) aggregates of high hardness with
particle geometry, either round or
angular, 120 to 200 parts.
aggregates can be metal alloys,
of hardness of not less than 50 Rc, such as steel or
cast iron, metal oxides, or carbide
silicon, these two categories having a Knoop hardness
at least 2000 kgimm2. Preferably, among
the metal oxides, the corundum is chosen. I1
It is better to combine two granulometries, even
if only one is suitable: the first
particle size is between 600 and 2,000
microns, the second covering the invervalle 70 to
350 microns. The respective proportions by weight of
these two granulometries are 60 to 70 t for the
first and 40 to 30 t for the second.
only granulometry should be used, it is
preferably between 300 and 1,000
microns; (c) aggregates of great fineness, such as
corundum, crushed crystalline quartz, or carbide
silicon, 40 to 65 parts, of which
particle size is less than 15 microns; d) microsilica, such as thermal silica,
particle size less than 5 microns, at the rate of
3 to 15 parts; e) water, between 25 and 35 parts f) conventional adjuvants, such as fluidifying or
superfluidifiers at the rate of 1.5 to 5 parts and one
antifoam, at a rate of 0 to 0.5 parts.
Tous ces composants constituent la matrice, à laquelle sont ajoutées des fibres métalliques, à raison de 6 à 15 t en poids par rapport à la matrice. Ces fibres métalliques sont de préférence en acier, et elles présentent un diamètre de 100 à 500 microns et une longueur de 1 à 5 mm. Eventuellement, on peut remplacer 15 à 50 % en poids des fibres d'acier par des fibres de fonte amorphe, telles que celles obtenues suivant le procédé décrit dans le brevet FR 2 500 851. All these components constitute the matrix, to which are added metal fibers, in a proportion of 6 to 15 t by weight relative to the matrix. These metal fibers are preferably made of steel, and they have a diameter of 100 to 500 microns and a length of 1 to 5 mm. Optionally, 15 to 50% by weight of the steel fibers can be replaced by amorphous pig iron fibers, such as those obtained according to the process described in Patent FR 2,500,851.
Ces fibres se présentent sous forme de rubans de longueur inférieure à 15 mm. En variante, il est possible d'ajouter des fibres de polypropylène dans des proportions comprises entre 0,1 et 0,5 % en volume de la matrice.These fibers are in the form of ribbons less than 15 mm in length. Alternatively, it is possible to add polypropylene fibers in proportions of between 0.1 and 0.5% by volume of the matrix.
Le béton suivant l'invention est obtenu par mélange de toutes les matières sèches dans un malaxeur à haut cisaillement, puis on ajoute l'eau et les adjuvants. On poursuit le malaxage jusqu'd obtenir une parfaite homogénéité de la pâte, qui conduit à la pièce finale par la technique du coulé-vibré en moule. Après le coulage, la pièce est démoulée après environ 24 heures de mûrissement, puis subit un traitement thermique de soit 1 jour à 60'C à 100 % d'humidité relative, soit 2 jours à 50 C, également à 100 d'humidité relative. La suite-du traitement consiste en un mûrissement d'au plus 5 jours à température ambiante sans précaution particulière d'humidité, suivi d'un étuvage sec de 36 heures à au moins 200 C, et de préférence de l'ordre de 205 à 210 C. I1 est souhaitable de ne pas dépasser 250'C. The concrete according to the invention is obtained by mixing all the dry materials in a high-shear mixer, and then the water and the adjuvants are added. The mixing is continued until a perfect homogeneity of the dough is obtained, which leads to the final piece by the technique of cast-vibrated mold. After casting, the part is demolded after about 24 hours of ripening, then undergoes a heat treatment of 1 day at 60 ° C. at 100% relative humidity, ie 2 days at 50 ° C., also at 100 relative humidity. . The following-treatment consists of a maturing of not more than 5 days at room temperature without special precautions of humidity, followed by dry parboiling of 36 hours at least 200 C, and preferably of the order of 205 to C. It is desirable not to exceed 250 ° C.
On constate que les propriétés mécaniques, telles que la résistance à la compression et à la flexion, restent inaltérées jusqu'd une température voisine de 300 à 400 C. Le tableau de la page suivante rassemble les résultats avantageux des essais comparatifs subits par trois compositions différentes, numérotées 1 à 3, du béton suivant l'invention et un béton correspondant au béton classique haut de gamme fabriqué actuellement, dit "béton HP". A titre d'exemple, la résistance à la compression des bétons utilisés couramment dans les grands ouvrages de génie civil varie entre 40 et 60 MPa, et atteint très exceptionnellement 70 MPa. It is found that the mechanical properties, such as compressive and flexural strength, remain unaltered up to a temperature in the region of 300 to 400 C. The table on the following page brings together the advantageous results of the comparative tests undergone by three compositions. different, numbered 1 to 3, concrete according to the invention and a concrete corresponding to conventional high-end concrete currently manufactured, called "HP concrete". For example, the compressive strength of concretes commonly used in large civil engineering works varies between 40 and 60 MPa, and very exceptionally reaches 70 MPa.
Dans ce tableau, les proportions des différents constituants sont exprimées en parties en poids pour 100 parties de ciment, à l'exception des fibres métalliques qui sont indiquées en pourcentage en poids par rapport a la matrice.
Composition <SEP> 1 <SEP> Composition <SEP> 2 <SEP> Composition <SEP> 3 <SEP> Béton <SEP> HP
<tb> Ciment <SEP> CPA <SEP> 55 <SEP> 100 <SEP> 100 <SEP> 100 <SEP> 100
<tb> Grenaille <SEP> 300-1 <SEP> 000 <SEP> m <SEP> 158 <SEP> 166,7 <SEP> 158 <SEP>
Quartz <SEP> C <SEP> 600 <SEP> 47 <SEP> 60 <SEP> 20,2 <SEP>
Quartz <SEP> C <SEP> 400 <SEP> - <SEP> - <SEP> 26,6 <SEP>
Gravier <SEP> 4/8 <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> 250
<tb> Sable <SEP> 0/2 <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> 132,5
<tb> Microsilice <SEP> 11 <SEP> 14 <SEP> 11 <SEP> 5
<tb> Eau <SEP> 31,6 <SEP> 26,7 <SEP> 29,1 <SEP> 37,5
<tb> Fluidifiants <SEP> 4,5 <SEP> 3,5 <SEP> 4,4 <SEP> 1
<tb> Antimousse <SEP> 0,1 <SEP> 0,2 <SEP> 0,1 <SEP>
Fibres <SEP> métalliques <SEP> 11 <SEP> 11 <SEP> 11 <SEP>
Cure <SEP> 1 <SEP> jour <SEP> 20 C, <SEP> 100 <SEP> % <SEP> HR <SEP> + <SEP> 2 <SEP> jours <SEP> 50 C <SEP> sous <SEP> eau <SEP> 28 <SEP> jours <SEP> 20 C,
<tb> + <SEP> 1 <SEP> jour <SEP> 200 C <SEP> sec <SEP> 100 <SEP> % <SEP> HR
<tb> #compression <SEP> (#C) <SEP> 215 <SEP> MPa <SEP> 215 <SEP> MPa <SEP> 205 <SEP> MPa <SEP> 70 <SEP> MPa
<tb> #flexion <SEP> (#f) <SEP> 23,5 <SEP> MPa <SEP> 25 <SEP> MPa <SEP> 30,8 <SEP> MPa <SEP> 5 <SEP> MPa
<tb> #f/#c <SEP> 0,109 <SEP> 0,116 <SEP> 0,150 <SEP> 0,071
<tb> E/C <SEP> 0,34 <SEP> 0,34 <SEP> 0,32 <SEP> 0,38
<tb>
On constate que la composition 3, dont le rapport E/C est très faible, présente une résistance à la compression très améliorée, d'environ 200 MPa, par rapport à 70 MPa pour les meilleurs bétons type HP utilisés en génie civil. Sa résistance i la flexion est de 30 MPa contre 5 MPa pour les meilleurs bétons HP. De même, l'apport de fibres donne de la ductilité au matériau, et étant compris entre 1 et 3 pour 1 000 alors que pour un béton sans fibres, #f est généralement voisin de 0,1 à 0,5 pour 1 000, où représente l'allongement a la rupture en flexion.Composition <SEP> 1 <SEP> Composition <SEP> 2 <SEP> Composition <SEP> 3 <SEP> Concrete <SEP> HP
<tb> Cement <SEP> CPA <SEP> 55 <SEP> 100 <SEP> 100 <SEP> 100 <SEP> 100
<tb> Grenaille <SEP> 300-1 <SEP> 000 <SEP> m <SEP> 158 <SEP> 166.7 <SEP> 158 <SEP>
Quartz <SEP> C <SEP> 600 <SEP> 47 <SEP> 60 <SEP> 20.2 <SEP>
Quartz <SEP> C <SEP> 400 <SEP> - <SEP> - <SEP> 26.6 <SEP>
Gravel <SEP> 4/8 <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> 250
<tb> Sand <SEP> 0/2 <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> 132.5
<tb> Microsilica <SEP> 11 <SEP> 14 <SEP> 11 <SEP> 5
<tb> Water <SEP> 31.6 <SEP> 26.7 <SEP> 29.1 <SEP> 37.5
<tb> Fluidifiers <SEP> 4,5 <SEP> 3,5 <SEP> 4,4 <SEP> 1
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Metallic <SEP> Fibers <SEP> 11 <SEP> 11 <SEP> 11 <SEP>
Cure <SEP> 1 <SEP> day <SEP> 20 C, <SEP> 100 <SEP>% <SEP> HR <SEP> + <SEP> 2 <SEP> days <SEP> 50 C <SEP> under <SEP > water <SEP> 28 <SEP> days <SEP> 20 C,
<tb> + <SEP> 1 <SEP> day <SEP> 200 C <SEP> sec <SEP> 100 <SEP>% <SEP> HR
<tb>#compression<SEP>(#C)<SEP> 215 <SEP> MPa <SEP> 215 <SEP> MPa <SEP> 205 <SEP> MPa <SEP> 70 <SEP> MPa
<tb>#flexion<SEP>(#f)<SEP> 23.5 <SEP> MPa <SEP> 25 <SEP> MPa <SEP> 30.8 <SEP> MPa <SEP> 5 <SEP> MPa
<tb># f / # c <SEP> 0.109 <SEP> 0.116 <SEP> 0.150 <SEP> 0.071
<tb> E / C <SEP> 0.34 <SEP> 0.34 <SEP> 0.32 <SEP> 0.38
<Tb>
It is found that composition 3, whose E / C ratio is very low, has a very improved compressive strength, of about 200 MPa, compared to 70 MPa for the best HP-type concretes used in civil engineering. Its flexural strength is 30 MPa against 5 MPa for the best HP concrete. Similarly, the fiber supply gives ductility to the material, and being between 1 and 3 per 1,000, whereas for a fiber-free concrete, #f is generally close to 0.1 to 0.5 per 1,000, where is the elongation at break in flexion.
De plus, le rapport de la résistance à la flexion #f à la résistance à la compression #c doit être le plus élevé possible : l'amélioration obtenue grâce à l'invention est d'au moins 50 % et même de l'ordre de 100 % pour la composition 3. In addition, the ratio of the flexural strength #f to the compressive strength #c must be as high as possible: the improvement obtained by virtue of the invention is at least 50% and even of the order 100% for the composition 3.
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