FR2751008A1 - Metal reinforcement fibres for concrete - Google Patents
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Abstract
Description
FIBRES METALLIQUES, UTILISABLES NOTAMMENT POUR LE
RENFORCEMENT DU BETON, LEUR PROCEDE DE FABRICATION ET LEUR
UTILISATION.METALLIC FIBERS, ESPECIALLY USEFUL FOR
REINFORCEMENT OF CONCRETE, THEIR MANUFACTURING PROCESS AND THEIR
USE.
La présente invention concerne de nouvelles fibres métalliques, utilisables notamment pour le renforcement du béton. L'invention concerne également un procédé de fabrication de ces fibres et leur utilisation pour renforcer du béton. The present invention relates to new metallic fibers which can be used in particular for reinforcing concrete. The invention also relates to a process for manufacturing these fibers and their use for reinforcing concrete.
On sait que le béton brut est un matériau fragile, qui n'accepte qu'une très faible déformation avant sa rupture. We know that raw concrete is a fragile material, which only accepts very little deformation before it breaks.
Pour le renforcer et le rendre moins fragile, et pour lui donner un comportement beaucoup plus ductile, on lui a depuis longtemps incorporé des fibres métalliques relativement courtes, de l'ordre de quelques centimètres.To strengthen it and make it less fragile, and to give it a much more ductile behavior, it has long been incorporated relatively short metal fibers, of the order of a few centimeters.
Ces fibres peuvent être des copeaux métalliques, des éléments de tôle emboutie, ou bien des fils d'acier (fibres tréfilées). Ces fibres sont réparties au hasard dans le béton, sans orientation préférentielle. Les quantités utilisées par m3 varient entre 20 et 100 kg.These fibers can be metal chips, stamped sheet metal elements, or steel wires (drawn fibers). These fibers are randomly distributed in the concrete, without preferential orientation. The quantities used per m3 vary between 20 and 100 kg.
L'efficacité des fibres comme renforcement du béton dépend de la nature de l'acier qui les compose, de la quantité de fibres par m3 de béton et de leur capacité à s'ancrer dans la matrice béton. En l'état actuel de la technique, on constate que les fibres qui ont la meilleure efficacité sont les fibres tréfilées à haute résistance mécanique (contrainte limite de rupture supérieure à 1200 N/mm2), possédant un système d'ancrage à la matrice béton. Cet ancrage peut être assuré par des ondulations sur toute leur longueur (fibres ondulées commercialisées sous l'appellation EUROSTEEL), par un système de crochets à leurs extrémités (fibres commercialisées sous l'appellation
DRAMIX) ou par des têtes coniques à leurs extrémités (fibres commercialisées sous 1'appellation TWINCONE).The effectiveness of fibers as reinforcement of concrete depends on the nature of the steel which composes them, the quantity of fibers per m3 of concrete and their capacity to anchor in the concrete matrix. In the current state of the art, it can be seen that the fibers which have the best efficiency are drawn fibers with high mechanical strength (breaking stress greater than 1200 N / mm2), having an anchoring system to the concrete matrix. . This anchoring can be ensured by undulations over their entire length (wavy fibers sold under the name EUROSTEEL), by a system of hooks at their ends (fibers sold under the name
DRAMIX) or by conical heads at their ends (fibers sold under the name TWINCONE).
Tous les modes d'ancrage par ondulations ou par crochets sont réalisés à partir d'une fibre droite, qui est déformée dans un même plan. L'ancrage n'est cependant pas parfait, lorsque la fibre est fortement sollicitée ; la rupture s'effectue par désadhérence de l'acier et du béton, puis par glissement de la fibre dans la matrice de béton. Les butées constituées par exemple par les sommets des ondulations ne compensent pas l'effort d'arrachement. All methods of anchoring by corrugations or by hooks are made from a straight fiber, which is deformed in the same plane. The anchoring is not perfect, however, when the fiber is highly stressed; failure occurs through the release of steel and concrete, then by sliding the fiber through the concrete matrix. The stops constituted for example by the tops of the corrugations do not compensate for the tearing off force.
La fibre TWINCONE, contrairement aux fibres ondulées et à crochets, présente un ancrage qui tend à être parfait. La rupture ne s'effectue pas en général par déformation des cônes, mais par rupture du fil métallique. TWINCONE fiber, unlike corrugated and hook fibers, has an anchoring which tends to be perfect. The rupture does not generally take place by deformation of the cones, but by rupture of the metal wire.
Dans le brevet US-A-2 677 955, en particulier, est suggéré l'emploi d'une fibre hélicoïdale, mais, outre le fait que le procédé de fabrication est très coûteux, on retrouve le même inconvénient qu'avec les fibres ondulées, à savoir une géométrie parfaitement symétrique par rapport à l'axe de la sollicitation, ce qui limite l'ancrage et facilite la déformation. In US-A-2 677 955, in particular, the use of a helical fiber is suggested, but, in addition to the fact that the manufacturing process is very expensive, there is the same drawback as with wavy fibers. , namely a perfectly symmetrical geometry with respect to the axis of the stress, which limits anchoring and facilitates deformation.
La présente invention vise également à proposer une fibre métallique tréfilée, à haute résistance à la rupture (1200 N/mm2), mais qui possède un dispositif d'ancrage sur toute sa longueur, par ondulation dans deux plans perpendiculaires entre eux. The present invention also aims to provide a drawn metal fiber, with high resistance to breakage (1200 N / mm2), but which has an anchoring device over its entire length, by undulation in two planes perpendicular to each other.
L'invention a par conséquent pour objet une fibre en un métal écroui, utilisable notamment pour le renforcement du béton, présentant une succession de déformations, caractérisée en ce que ces déformations ont une forme tridimensionnelle obtenue par une première phase d'ondulation d'une fibre rectiligne dans un premier plan passant par la fibre, suivie d'une seconde phase d'ondulation de la fibre ainsi ondulée dans un second plan perpendiculaire au précédent. The subject of the invention is therefore a fiber made of a hardened metal, usable in particular for reinforcing concrete, having a succession of deformations, characterized in that these deformations have a three-dimensional shape obtained by a first wave phase of a rectilinear fiber in a first plane passing through the fiber, followed by a second phase of undulation of the fiber thus corrugated in a second plane perpendicular to the previous one.
Le nombre d'ondulations par unité de longueur pourra être le même dans les deux plans, mais, de préférence, ce nombre sera différent. De façon encore plus préférée, le nombre des ondulations par unité de longueur dans un plan sera le double du nombre des ondulations dans le plan perpendiculaire. The number of undulations per unit of length may be the same in both planes, but preferably this number will be different. Even more preferably, the number of corrugations per unit of length in a plane will be twice the number of corrugations in the perpendicular plane.
Du fait de la double ondulation dans deux plans différents, avec de préférence des fréquences d'ondes différentes dans les plans, la fibre conforme à l'invention va assurer un bien meilleur ancrage dans le béton. En effet, les diverses ondulations n'agissent pas dans le même plan, ni dans la même direction, et elles vont constituer des butées successives, augmentant considérablement l'effort de traction nécessaire à la déformation et à l'extraction totale de la fibre de la matrice de béton. Plus l'effort exercé est important, meilleure est la ductilité du béton, ce qui est le but recherché. Due to the double ripple in two different planes, preferably with different wave frequencies in the planes, the fiber according to the invention will ensure much better anchoring in concrete. Indeed, the various undulations do not act in the same plane, nor in the same direction, and they will constitute successive stops, considerably increasing the tensile force necessary for the deformation and for the total extraction of the fiber of the concrete matrix. The greater the force exerted, the better the ductility of the concrete, which is the aim sought.
La rupture du béton renforcé par les fibres conformes à l'invention ne sera pas brutale, du fait de l'ancrage amélioré par la double ondulation des fibres, sans être cependant parfait. Le déchaussement de la fibre dans la matrice de béton nécessitera beaucoup plus d'énergie qu'avec les fibres traditionnelles. The rupture of the fiber reinforced concrete according to the invention will not be sudden, due to the improved anchoring by the double waving of the fibers, without however being perfect. The heaving of the fiber in the concrete matrix will require much more energy than with traditional fibers.
La présente invention permettra en outre d'augmenter la ductilité du béton, car les capacités de déformation (allongement) de la fibre selon la présente invention sont proportionnelles au nombre d'ondulations qui, ici, est plus important que pour les fibres ondulées dans un seul plan. The present invention will also make it possible to increase the ductility of the concrete, because the deformation capacities (elongation) of the fiber according to the present invention are proportional to the number of corrugations which, here, is greater than for the corrugated fibers in a single plan.
En plus de ses propriétés mécaniques avantageuses pour le renforcement du béton, la fibre conforme à l'invention peut être réalisée de façon simple et économique par un procédé facile à mettre en oeuvre, qui constitue un autre objet de la présente invention. In addition to its advantageous mechanical properties for reinforcing concrete, the fiber according to the invention can be produced in a simple and economical manner by a process which is easy to implement, which constitutes another object of the present invention.
Selon ce procédé, on procède à deux déformations successives d'un fil métallique rectiligne écroui, en imposant à celui-ci une première série d'ondulations dans un premier plan, puis une seconde série d'ondulations dans un second plan perpendiculaire au précédent, le fil étant ensuite découpé en tronçons correspondant à la longueur désirée pour les fibres. According to this process, two successive deformations are carried out of a work-hardened straight metal wire, by imposing on it a first series of undulations in a first plane, then a second series of undulations in a second plane perpendicular to the previous one, the wire then being cut into sections corresponding to the desired length for the fibers.
Dans la pratique, la fibre conforme à l'invention sera fabriquée à partir d'un fil rectiligne, qui passera dans un premier temps à travers un système de roues dentées apte à imposer une première série d'ondulations dans un premier plan, puis dans un deuxième dispositif à roues dentées, lui imprimant une deuxième série d'ondulations dans le plan perpendiculaire à celui de la première ondulation. In practice, the fiber in accordance with the invention will be manufactured from a straight wire, which will first pass through a system of toothed wheels capable of imposing a first series of undulations in a first plane, then in a second geared device, giving it a second series of undulations in the plane perpendicular to that of the first undulation.
Un tel procédé sera, à l'évidence, beaucoup plus facile à mettre en oeuvre et, par conséquent, beaucoup moins coûteux que les procédés de fabrication des fibres à profil hélicoïdal ou des fibres rectilignes, comprenant une tête conique à chacune de leurs extrémités. Obviously, such a method will be much easier to implement and, consequently, much less costly than the methods of manufacturing helical profile fibers or straight fibers, comprising a conical head at each of their ends.
Un troisième objet de l'invention est enfin l'utilisation de ces fibres pour le renforcement du béton. A third object of the invention is finally the use of these fibers for the reinforcement of concrete.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la description détaillée qui va suivre, d'une forme de réalisation de celle-ci. Dans cette description, on se réfèrera aux dessins annexés, sur lesquels
Les figures 1 à 4 sont des vues en plan de quatre fibres métalliques de la technique antérieure
La figure 5 est un diagramme illustrant de façon schématique des essais de flexion d'une poutre en béton non renforcé par des fibres et en le même béton renforcé par les fibres de la technique antérieure
la figure 6 est une vue en perspective d'une fibre métallique conforme à l'invention.Other characteristics and advantages of the invention will appear in the detailed description which follows, of an embodiment thereof. In this description, reference will be made to the appended drawings, on which
Figures 1 to 4 are plan views of four metallic fibers of the prior art
FIG. 5 is a diagram schematically illustrating bending tests of a beam of concrete not reinforced by fibers and in the same concrete reinforced by fibers of the prior art
Figure 6 is a perspective view of a metal fiber according to the invention.
La fibre 1 représentée sur la figure 1 est une fibre métallique ondulée d'un type connu évoqué ci-dessus, qui comprend une succession d'ondulations dans un unique plan. The fiber 1 represented in FIG. 1 is a corrugated metallic fiber of a known type mentioned above, which comprises a succession of undulations in a single plane.
Une telle fibre, commercialisée notamment sous l'appellation
EUROSTEEL, est facile à réaliser, mais présente un ancrage médiocre dans le béton, lorsqu'elle est soumise à des sollicitations dans son plan.Such a fiber, sold in particular under the name
EUROSTEEL, is easy to carry out, but has a poor anchoring in concrete, when it is subjected to stresses in its plan.
La fibre 2 représentée sur la figure 2 est une autre fibre métallique de la technique antérieure, à profil hélicoïdal. Comme indiqué ci-dessus, cette fibre présente le même inconvénient que la fibre de la figure 1. Elle est en outre coûteuse à réaliser. The fiber 2 represented in FIG. 2 is another metallic fiber of the prior art, with a helical profile. As indicated above, this fiber has the same drawback as the fiber of FIG. 1. It is also expensive to produce.
La fibre 3 de la figure 3, également connue et commercialisée sous l'appellation TWINCONE, qui est rectiligne et présente à chacune de ses extrémités une tête tronconique 4, présente, elle, un excellent ancrage dans le béton, mais son coût de réalisation est très élevé. The fiber 3 of FIG. 3, also known and marketed under the name TWINCONE, which is rectilinear and has at each of its ends a frustoconical head 4, has, it, an excellent anchoring in the concrete, but its cost of realization is very high.
La fibre 5 représentée sur la figure 4 est également d'un type connu, commercialisé sous l'appellation DRAMIX. The fiber 5 shown in FIG. 4 is also of a known type, sold under the name DRAMIX.
Elle présente à chaque extrémité une partie recourbée en forme de crochet, destinée à assurer une bonne résistance à l'arrachement. Elle présente les mêmes limitations que les fibres des figures 1 et 2.It has at each end a curved hook-shaped part, intended to ensure good resistance to tearing. It has the same limitations as the fibers in FIGS. 1 and 2.
L'incidence de l'incorporation de telles fibres dans un béton est en général mesurée en soumettant une poutre de béton de dimensions 15 cm x 15 cm x 60 cm, reposant sur deux appuis distants de 40 cm environ, à des essais de traction par flexion sous des charges croissantes. The incidence of the incorporation of such fibers in a concrete is generally measured by subjecting a concrete beam of dimensions 15 cm x 15 cm x 60 cm, resting on two supports spaced about 40 cm apart, to tensile tests by bending under increasing loads.
Les résultats obtenus varient suivant le type du béton et des fibres utilisées et suivant la nature des fibres incorporées, mais les courbes relevées sont généralement du type représenté sur la figure 5, où les déformations sont portées en abscisses et les charges en ordonnées. La courbe référencée A se rapporte au béton dépourvu de fibres de renfort, la courbe B concerne le même béton renforcé avec des fibres de type à ondulations dans un plan (fibres de la figure 1) ou à crochets aux extrémités (fibres de la figure 4), et la courbe C se rapporte au même béton renforcé avec des fibres comportant une tête conique à chaque extrémité (fibres de la figure 3). The results obtained vary according to the type of concrete and the fibers used and according to the nature of the fibers incorporated, but the curves noted are generally of the type represented in FIG. 5, where the deformations are plotted on the abscissa and the loads on the ordinate. The curve referenced A relates to concrete devoid of reinforcing fibers, the curve B relates to the same concrete reinforced with fibers of the type with undulations in a plane (fibers of FIG. 1) or with hooks at the ends (fibers of FIG. 4 ), and curve C relates to the same concrete reinforced with fibers comprising a conical head at each end (fibers of FIG. 3).
Dans le cas des fibres à ondulation ou à crochets (courbe B), on voit que la déformation des fibres est engendrée par un effort qui tend vers zéro lorsque la fibre est totalement déformée, et que la rupture du béton n'est donc pas brutale. In the case of corrugated or hooked fibers (curve B), it can be seen that the deformation of the fibers is generated by a force which tends towards zero when the fiber is completely deformed, and that the failure of the concrete is therefore not abrupt. .
Dans le cas des fibres à têtes coniques aux extrémités (Courbe C), on constate que, juste après la fissuration de la matrice de béton, on a un meilleur comportement que précédemment, avec une résistance importante à la charge, mais que, dès que l'on atteint la déformation correspondant à la limite d'allongement élastique de la fibre, une rupture brutale se produit. In the case of fibers with conical heads at the ends (Curve C), we note that, just after the cracking of the concrete matrix, we have a better behavior than previously, with a significant resistance to the load, but that, as soon as the deformation corresponding to the elastic elongation limit of the fiber is reached, a sudden rupture occurs.
La fibre 7 conforme à l'invention, représentée sur la figure 6, comporte des spires tridimensionnelles, comme la fibre de la figure 2, mais est beaucoup moins coûteuse que celle-ci. The fiber 7 according to the invention, shown in Figure 6, has three-dimensional turns, like the fiber of Figure 2, but is much less expensive than the latter.
Pour la réaliser, on part d'un fil métallique écroui, auquel on imprime une première série d'ondulations dans un premier plan, en le faisant passer dans un dispositif à roues dentées, puis une seconde série d'ondulations, dans un plan perpendiculaire au précédent, en le faisant passer dans un second dispositif à roues dentées. To achieve this, we start with a hardened metal wire, to which we print a first series of undulations in a first plane, by passing it through a device with cogwheels, then a second series of undulations, in a perpendicular plane to the previous one, by passing it through a second geared device.
La longueur des fibres conformes à l'invention sera d'environ 30 à 70 mm et leur diamètre d'environ 0, 5 à environ 1,2 mm. Le nombre d'ondulations dans chaque plan sera avantageusement compris entre 5 et 10 et l'amplitude de chaque ondulation par rapport à l'axe neutre sera de l'ordre de 0,5 à 3 mm. De préférence, le nombre d'ondulations par unité de longueur dans un plan sera le double de celui des ondulations dans le plan perpendiculaire
Les fibres destinées à renforcer le béton doivent avoir une bonne maniabilité, c'est-à-dire ne pas avoir tendance à se mettre en boule et à s'emmêler les unes dans les autres (phénomène dit "du hérisson"). De ce point de vue, les fibres hélicoïdales, du fait de leur forme, s'enchevêtrent facilement les unes dans les autres, ce qui, en cours d'utilisation, crée de sérieux problèmes de démêlage. En revanche, les fibres ondulées dans un plan, à têtes coniques ou à crochets aux extrémités, ou les fibres conformes à l'invention, ne présentent pas ce problème.The length of the fibers according to the invention will be approximately 30 to 70 mm and their diameter from approximately 0.5 to approximately 1.2 mm. The number of undulations in each plane will advantageously be between 5 and 10 and the amplitude of each undulation relative to the neutral axis will be of the order of 0.5 to 3 mm. Preferably, the number of corrugations per unit of length in a plane will be twice that of the corrugations in the perpendicular plane.
The fibers intended to reinforce the concrete must have good maneuverability, that is to say not have a tendency to curl up and become entangled one in the other (phenomenon called "hedgehog"). From this point of view, the helical fibers, due to their shape, easily become entangled with one another, which, in use, creates serious problems of disentangling. On the other hand, fibers wavy in a plane, with conical heads or hooks at the ends, or the fibers according to the invention, do not present this problem.
Les fibres conformes à l'invention seront mélangées au béton par les procédés de la technique antérieure et suivant les mêmes proportions (25 à 100 kg de fibres par mètre cube de béton). The fibers according to the invention will be mixed with the concrete by the processes of the prior art and in the same proportions (25 to 100 kg of fibers per cubic meter of concrete).
Les fibres conformes à l'invention se distinguent donc avantageusement des fibres de la technique antérieure par un excellent ancrage dans le béton et un coût de fabrication réduit. The fibers according to the invention are therefore advantageously distinguished from the fibers of the prior art by an excellent anchoring in concrete and a reduced manufacturing cost.
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