FR2806404A1 - Reinforced composite cement structure for production of thin concrete structures comprises metal fiber reinforced matrix formed from cement, granular elements, fine pozzolanic reaction elements and fluidizing additive - Google Patents

Abstract

Thin cement-fibre composite structure has a cement matrix with compression strength above 150 MPa, resistance to uniaxial traction greater than or equal to 6 MPa, and a water/binder ratio less than or equal to 0.25, and is reinforced by a single type of metal fibres of length 5-10 mm and diameter of 0.15-0.2 mm. The thickness of the structure is less than two times the length of the fibre in a volumetric percentage of between 6-15%. The matrix of the structure comprises a mixture of cement, granular elements, fine pozzolanic reaction elements of dimensions 0.1-1 microns , and a fluidizing additive.

Description

L'invention concerne le domaine des bétons fibrés ultraperfor- mants permettant notamment de réaliser des éléments de structures de génie civil pour bâtiments et d'ouvrages d'art et ayant des propriétés supérieures à celles des éléments de la technique antérieure. The invention relates to the field of high-performance fiber-reinforced concretes making it possible in particular to produce elements of civil engineering structures for buildings and of engineering structures and having properties superior to those of the elements of the prior art.

Elle concerne plus spécialement un composite cimentaire fibré dont matrice cimentaire a une résistance en compression supérieure à 150 MPa et une résistance en traction uniaxiale supérieure ou égale à 6 MPa, cette matrice ayant un rapport eau/liant inférieur ou égal à 0,25 et étant constituée d'un mélange de ciment, d'éléments granulaires, d'éléments fins à réaction pouzzolanique dont les particules ont dimensions comprises entre 0,1 Nm et 1 pm, et d'un agent fluidifiant composite comportant un renfort constitué de fibres métalliques noyées dans la matrice cimentaire. It relates more particularly to a fiber cementitious composite of which the cementitious matrix has a compressive strength greater than 150 MPa and a uniaxial tensile strength greater than or equal to 6 MPa, this matrix having a water / binder ratio of less than or equal to 0.25 and being consisting of a mixture of cement, granular elements, pozzolanic reaction fine elements whose particles have dimensions of between 0.1 Nm and 1 μm, and a composite fluidifying agent comprising a reinforcement consisting of embedded metallic fibers in the cement matrix.

Par matrice cimentaire, on désigne la composition cimentaire durcie hors fibres métalliques. Cementitious matrix refers to the cured cementitious composition excluding metal fibers.

L'addition de fibres métalliques dans des matrices cimentaires permet d'améliorer la ductilité des bétons. Cette technique a éte développée depuis plusieurs années. On peut citer entre autres - les bétons commercialisés sous le nom de CRC (Compact Reinforced Composites) qui contiennent entre 5 et 10 % en volume fibres métalliques, ayant une longueur de 6 mm et un diamètre égal à 0,15 mm; - les bétons commercialisés sous le nom de BPR (Beton de Poudres réactives) ou RPC (Reactive Powder Concrete) qui contiennent au maximum 2,5 % en volume de fibres métalliques ayant une longueur de 13 mm et un diamètre de 0,16 mm; et - les bétons appelés CCM (Composites Cimentaires Multiéchelles) et développés par la demanderesse, qui comportent mélanges de fibres métalliques courtes et longues ; les fibres métalliques courtes ont une longueur de 5 mm et un diamètre de 0,25 mm, les fibres métalliques longues ont une longueur de 25 mm et un diamètre 0,3 mm ; le pourcentage de fibres incorporées dans la matrice est de 5 en volume de fibres courtes et de 2 % en volume de fibres longues, soit un total de 7 % en volume de fibres. The addition of metal fibers in cementitious matrices makes it possible to improve the ductility of concretes. This technique has been developed for several years. There may be mentioned inter alia - concretes sold under the name CRC (Compact Reinforced Composites) which contain between 5 and 10% by volume metal fibers, having a length of 6 mm and a diameter equal to 0.15 mm; concretes marketed under the name BPR (Beton de Poudres Reactive) or RPC (Reactive Powder Concrete) which contain at most 2.5% by volume of metal fibers having a length of 13 mm and a diameter of 0.16 mm; and - concretes called CCM (Multi-scale Cement Composites) and developed by the applicant, which comprise mixtures of short and long metal fibers; the short metal fibers have a length of 5 mm and a diameter of 0.25 mm, the long metal fibers have a length of 25 mm and a diameter of 0.3 mm; the percentage of fibers incorporated in the matrix is 5 by volume of short fibers and 2% by volume of long fibers, for a total of 7% by volume of fibers.

Le choix d'un pourcentage élevé de fibres (entre 5 et 1 %) dans les CRC ne peut conduire qu'à un accroissement des caractéris- tiques mécaniques en traction matériau en ce qui concerne la résis tance et la ductilité, mais ne peut intervenir de manière significative sur la capacité portante et la ductilité d'une structure à l'exception des éléments très minces de la structure. conséquence, pour les éléments structurels plus épais, de type poutre ou dalle, le CRC est utilisé avec un très fort pourcentage d'armatures classiques de béton armé. En effet, le pourcentage élevé de fibres courtes augmente plus la résistance en traction du matériau que sa ductilité. Aussi, est-il nécessaire, pour construire une structure ductile avec ce type de béton, d'utiliser un pourcentage élevé d'armatures. Mais on fragilise une structure quand on dépasse un seuil en pourcentage d'armatures, d'une part parce que l'on crée alors des concentrations de contrainte très importantes à la surface des structures, induisant ainsi nombreuses fissures, et d'autre part, parce qu'il existe un effet de groupe négatif entre les armatures qui fonctionnent individuellement beaucoup moins bien. Il se produit une fissuration importante autour armatures. Les fibres courtes vont à la fois permettre la maîtrise des fissures de surface et des fissures autour des armatures. L'association de deux renforts, armature et fibres courtes, à deux échelles différentes est donc excellente. Mais le CRC présente malgré tout quelques inconvénients. II s'agit notamment d'une solution technique très sérieuse, à la fois en coût matière, et en coût de main- d'oeuvre. Les fibres métalliques utilisées dans les BPR sont deux fois plus longues que celles utilisées dans les CRC, alors que le diamètre est le même. Ce choix conduit à utiliser des fibres ayant une grande surface spécifique et a deux conséquences la première conséquence est que, pour une même maniabilité du matériau avant la prise, on peut guère introduire que 2,5 % de fibres en volume dans les BPR, alors que pour les CRC, on introduit entre 5 et 10 % en volume de fibres courtes. Ce pourcentage de fibres relative ment faible conduit à deux aspects négatifs du comportement mécanique des BPR. Tout d'abord, les fibres n'améliorent pas la résistance en traction uniaxiale de la matrice atteint environ 8 MPa. Ensuite dans une matrice aussi fragile, le pourcentage de fibres n'étant pas suffisam ment élevé, on observe une dispersion très importante relative au comportement post-fissuration matériau. Ceci montre qu'en introduisant qu'une seule dimension fibres métalliques dans une matrice ultrarésistante, on ne peut intervenir efficacement aux deux échelles, celle du matériau et celle de la structure. The choice of a high percentage of fibers (between 5 and 1%) in the CRCs can only lead to an increase in the mechanical properties in tensile material with regard to resistance and ductility, but can not intervene significantly on the bearing capacity and ductility of a structure with the exception of the very thin elements of the structure. Consequently, for thicker structural elements, such as beam or slab, CRC is used with a very high percentage of conventional reinforced concrete reinforcements. Indeed, the high percentage of short fibers increases the tensile strength of the material more than its ductility. Also, it is necessary, to build a ductile structure with this type of concrete, to use a high percentage of reinforcement. But one weakens a structure when one exceeds a threshold in percentage of reinforcement, on the one hand because one creates then very important concentrations of stress on the surface of the structures, thus inducing numerous cracks, and on the other hand, because there is a negative group effect between frames that work individually much less well. There is a significant cracking around frames. The short fibers will both allow the control of surface cracks and cracks around reinforcements. The combination of two reinforcements, reinforcement and short fibers, at two different scales is excellent. But the CRC still has some disadvantages. This is a very serious technical solution, both in terms of material cost and labor cost. The metal fibers used in BPR are twice as long as those used in CRC, while the diameter is the same. This choice leads to the use of fibers having a large specific surface area and has two consequences. The first consequence is that, for the same handling of the material before setting, it is possible to introduce only 2.5% of fibers by volume in the BPRs, while that for the CRC is introduced between 5 and 10% by volume of short fibers. This relatively low percentage of fibers leads to two negative aspects of the mechanical behavior of the BPRs. First, the fibers do not improve the uniaxial tensile strength of the matrix reaches about 8 MPa. Then in such a fragile matrix, the percentage of fibers is not sufficiently high, there is a very significant dispersion relative to the behavior post-cracking material. This shows that by introducing only one dimension of metal fibers in an ultra-resistant matrix, one can not intervene effectively at both scales, that of the material and that of the structure.

La deuxième conséquence est que l'adhérence entre la fibre la matrice est bien meilleure dans le cas des BPR que des CRC, bien les matrices des BPR et des CRC soient similaires. Les fibres peuvent alors agir les fissures les plus ouvertes et on aboutit à un meilleur comportement de la structure en termes de capacité portante et ductilité. Avec les BPR, on peut utiliser des taux d'armatures classiques inférieurs ceux utilisés avec les CRC, pour aboutir à des structures ductiles. The second consequence is that the adhesion between the fiber matrix is much better in the case of RPGs than CRC, although the matrices of the RPBs and CRCs are similar. The fibers can then act the most open cracks and leads to a better behavior of the structure in terms of bearing capacity and ductility. With RPBs, conventional reinforcement rates lower than those used with CRCs can be used to achieve ductile structures.

Dans les CCM les fibres sont constituées d'un mélange de fibres courtes et de fibres plus longues, ce qui permet d'intervenir à la fois à l'échelle du matériau, grâce à l'augmentation de la résistance en traction, et à l'échelle de structure au niveau de la capacité portante et de la ductilité. faisant, on parvient sans problème, c'est-à-dire avec une bonne maniabilité, à introduire un pourcentage total de fibres élevé qui peut atteindre plus de 7 % en volume. Le comportement en traction uniaxiale alors à écrouissage positif et peut atteindre sans problème 15 MPa. De plus amples informations sur le comportement des CCM sont données dans "Bulletin des Laboratoires des Ponts et Chaussées - 204 - Juillet-Août 1998 - REF. 4025 - PP. 87-95". In the TLCs, the fibers consist of a mixture of short fibers and longer fibers, which makes it possible to intervene both at the material scale, thanks to the increase in the tensile strength, and at the same time. structural scale in bearing capacity and ductility. in doing so, it is easy to achieve, that is to say with good maneuverability, to introduce a high total percentage of fibers which can reach more than 7% by volume. The uniaxial tensile behavior then with positive hardening and can reach without problem 15 MPa. Further information on the behavior of CCMs can be found in "Bulletin des Laboratoires des Ponts et Chaussées - 204 - July-August 1998 - REF 4025 - PP 87-95".

FR-A-2 771 406 concerne un béton comportant une matière cimentaire aussi compacte que celle du BPR et incluant des microfibres de wollastonite et des fibres métalliques ayant de préférence une longueur de 13 mm et un diamètre de 0,16 mm. Ces fibres en acier tréfilé et cylindriques présentent donc une grande surface spécifique.  FR-A-2 771 406 relates to a concrete comprising a cementitious material as compact as that of the BPR and including microfibers of wollastonite and metal fibers preferably having a length of 13 mm and a diameter of 0.16 mm. These drawn and cylindrical steel fibers therefore have a large specific surface area.

Cette caractéristique géométrique des fibres métalliques a une double conséquence - ces fibres ont une très grande adhérence à la matrice, ce leur permet d'agir. efficacement sur des fissures ayant des ouvertures allant de la dizaine de micron à la centaine de micron. Elles apportent beaucoup de ductilité au composite cimentaire après fissuration la matrice sans fibres, serait très fragile. This geometrical characteristic of metal fibers has a twofold consequence - these fibers have a very high adhesion to the matrix, which allows them to act. effectively on cracks having openings ranging from the ten micron to the hundred micron. They bring a lot of ductility to the cementitious composite after cracking the matrix without fibers, would be very fragile.

Elles induisent des frottements très importants entre elles et la matrice à l'état frais, ce qui conduit à des difficultés de mise en oeuvre du composite cimentaire quand le pourcentage volumique dépasse une limite que l'on peut fixer à 3 %. They induce very high friction between them and the matrix in the fresh state, which leads to difficulties of implementation of the cementitious composite when the volume percentage exceeds a limit that can be set at 3%.

Les fibres de wollastonite sont des fibres naturelles de type aciculaire qui ont une longueur de 300 pm et un diamètre moyen de 20 pm, ou des fibres issues d'un broyage dont la longueur moyenne est de 8 Nm. Le pourcentage volumique de fibres naturelles introduites dans la matrice peut atteindre 35 %. The wollastonite fibers are natural fibers of acicular type which have a length of 300 μm and a mean diameter of 20 μm, or fibers resulting from grinding, the average length of which is 8 Nm. The volume percentage of natural fibers introduced in the matrix can reach 35%.

Les caractéristiques géométriques ainsi que le pourcentage volumique de fibres naturelles introduites dans la matrice, selon l'enseignement de FR-A-2 771 406, ont une conséquence mécanique évidente. En effet, ces fibres agissent de manière très efficace sur les nombreuses microfissures de la pâte de ciment, c'est-à-dire sur les fissures ayant des ouvertures inférieures au micron. Cette action conduit à une augmentation d'environ 25 % de la résistance en traction de la matrice. The geometric characteristics and the percentage by volume of natural fibers introduced into the matrix, according to the teaching of FR-A-2 771 406, have an obvious mechanical consequence. Indeed, these fibers act very effectively on the many microcracks of the cement paste, that is to say on the cracks having openings less than one micron. This action leads to an increase of about 25% in the tensile strength of the matrix.

Malgré cette intervention du renfort à deux échelles dans le processus de fissuration de la matrice, la résistance en traction du béton selon FR-A-2 771 406 reste modeste et ne dépasse pas 15 MPa. Ceci est la conséquence d'un choix non optimisé des dimensions des fibres introduites dans la matrice, ceci au regard du processus de fissuration en traction de celle-ci. Despite this intervention of the two-ladder reinforcement in the process of cracking of the matrix, the tensile strength of the concrete according to FR-A-2 771 406 remains modest and does not exceed 15 MPa. This is the consequence of a non-optimized choice of the dimensions of the fibers introduced into the matrix, this with regard to the process of tensile cracking thereof.

En effet, le processus de fissuration se décompose schémati quement en trois étapes Au cours de l'étape 1, un très grand nombre de microfissures apparaissent de manière aléatoire dans tout le volume de matériau soumis à contrainte de traction ; ces microfissures ont des ouvertures qui n'excèdent pas le micron. In fact, the cracking process is decomposed schematically in three steps. During step 1, a very large number of microcracks appear randomly throughout the volume of material subjected to tensile stress; these microcracks have openings that do not exceed one micron.

cours de l'étape 2 du processus de fissuration certaines microfissures créées lors de l'étape 1 se propagent alors que autres se referment - ces nouvelles fissures atteignent des ouvertures qui n'excèdent 10 -Pm. During Stage 2 of the cracking process, some of the microcracks created during Stage 1 propagate while others close - these new cracks reach apertures that do not exceed 10 μm.

Parmi les fissures qui se sont propagées lors l'étape 2, quelques-unes poursuivent leur propagation au cours de l'étape 3 pour former des macrofissures qui ont des ouvertures supérieures à 10 pm qui se propagent de manière instable pour conduire à la rupture du béton. Il s'agit alors de fissures dites "structurelles" dont l'ouverture au moment de la rupture dépend des dimensions du volume du béton soumis à la traction et peut donc atteindre plusieurs millimètres. Of the cracks that propagated in step 2, some continue to propagate in step 3 to form macrofissures that have openings greater than 10 μm that propagate unstably to rupture the concrete. These are so-called "structural" cracks whose opening at the time of rupture depends on the dimensions of the volume of the concrete subjected to traction and can therefore reach several millimeters.

Lorsque les fibres introduites dans la matrice cimentaire agissent efficacement vis-à-vis des fissures créées au cours de l'étape 2 de fissuration, le composite a un comportement écrouissant positif en traction uniaxiale, c'est-à-dire que les fibres sont capables reprendre une contrainte de traction, après fissuration de la matrice, supérieure à celle qui a provoqué la fissuration de la matrice. When the fibers introduced into the cementitious matrix act effectively against the cracks created during the step 2 of cracking, the composite has a positive working behavior in uniaxial tension, that is to say that the fibers are able to recover a tensile stress, after cracking of the matrix, higher than that which caused the cracking of the matrix.

Dans le cas du béton selon FR-A-2 771 406, renforts choisis ne peuvent intervenir efficacement que lors des phases 1 et 3 du processus fissuration en traction de la matrice. Les fibres naturelles interviennent principalement et efficacement lors de l'étape 1, les fibres métalliques lors de l'étape 3. Or, vis-à-vis de la résistance en traction, c'est surtout au cours de l'étape 2 que les renforts doivent intervenir effi cacement. En effet, c'est lors de cette étape 2 que les fissures susceptibles de se propager de manière instable sont créées. In the case of concrete according to FR-A-2 771 406, selected reinforcements can only effectively intervene during phases 1 and 3 of the tensile cracking process of the matrix. The natural fibers mainly and effectively intervene during step 1, the metallic fibers during step 3. However, vis-à-vis the tensile strength, it is especially during the step 2 that the reinforcements must intervene effi ciently. Indeed, it is during this step 2 that the cracks likely to propagate unstably are created.

Cette action de couture des fissures créées lors de l'étape 2 du processus fissuration aurait pu être accomplie efficacement par les fibres métalliques si elles avaient été en plus grand nombre regard du nombre de fissures créées. This sewing action of the cracks created during step 2 of the cracking process could have been accomplished effectively by the metal fibers if they had been in greater number compared to the number of cracks created.

le choix d'une fibre qui a un petit diamètre pour agir sur les fissures nombreuses apparaissant au cours de l'étape 2, et longueur suffisante pour agir sur les macrofissures produites au cours de l'étape 3, conduit à ne pouvoir introduire qu'un volume restreint dans la matrice, du fait de leur surface spécifique importante, d'où l'efficacité insuffisante vis- à-vis des fissures générées au cours de l'étape 2. the choice of a fiber which has a small diameter to act on the numerous cracks appearing during step 2, and of sufficient length to act on the macrocracks produced during step 3, leads to being able to introduce only a small volume in the matrix, because of their large specific surface, hence the insufficient efficiency vis-à-vis the cracks generated in step 2.

Le but de l'invention est de proposer un composite cimentaire fibré, tel que mentionné en introduction, qui ait une résistance en traction uniaxiale nettement améliorée. The object of the invention is to provide a fiber cement composite, as mentioned in the introduction, which has a significantly improved uniaxial tensile strength.

Le but est atteint selon l'invention par le fait que le renfort est constitué d'au moins trois types de fibres a) des fibres longues en acier tréfilé ayant une résistance de rupture en traction supérieure à 1 500 MPa, une longueur comprise entre 15 et 25 mm et un diamètre compris entre 0,25 et 0,30 mm, dans un pourcentage volumique compris entre 0,5 et 3 % ; b) des fibres moyennes en acier tréfilé ayant une résistance de rupture en traction supérieure à 1 500 MPa, une longueur comprise entre 5 et 10 mm et un diamètre compris entre 0,15 et 0,2 mm, dans un pourcentage volumique compris entre 4 et 7 % ; c) des fibres métalliques courtes et fines ayant une longueur inférieure à 3 mm, dans un pourcentage volumique compris entre 1,5 % et <B>5%.</B> The object is achieved according to the invention in that the reinforcement consists of at least three types of fibers a) long drawn steel fibers having a tensile strength of greater than 1500 MPa, a length of between 15 and 25 mm and a diameter of between 0.25 and 0.30 mm, in a volume percentage of between 0.5 and 3%; (b) medium drawn steel fibers having a tensile strength of greater than 1,500 MPa, a length of between 5 and 10 mm and a diameter of between 0,15 and 0,2 mm, in a volume percentage of between 4 and 7%; (c) short and fine metal fibers with a length of less than 3 mm, in a volume percentage between 1,5% and <5%. </ B>

Selon une première variante de réalisation, les fibres courtes se présentent sous la forme de laine d'acier doux provenant du rabotage, en continu d'un fil et du passage dans un broyeur pour obtenir une poudre composée de fins copeaux, dont la résistance de rupture en traction est supérieure à 800 MPa. According to a first embodiment, the short fibers are in the form of mild steel wool from the planing, continuous yarn and the passage in a mill to obtain a powder composed of fine chips, the resistance of which tensile rupture is greater than 800 MPa.

Selon une deuxième variante de réalisation, les fibres courtes sont fibres cylindriques en acier de résistance supérieure à 2 500 MPa, ces fibres ayant une longueur sensiblement égale à 2 mm et un diamètre sensiblement égal à 0,1 mm. According to a second variant embodiment, the short fibers are cylindrical fibers made of steel with a strength greater than 2500 MPa, these fibers having a length substantially equal to 2 mm and a diameter substantially equal to 0.1 mm.

Ainsi dans le composite proposé, chaque type de fibres correspond à une étape du processus de fissuration. Thus in the proposed composite, each type of fiber corresponds to a step of the cracking process.

Les fibres courtes agissent sur les fissures relatives l'étape 1 de fissuration. Le nombre de fissures créées au cours de l'étape 1 étant très grand, le nombre de fibres courtes doit être grand. L'action de ces fibres métalliques courtes a deux conséquences - elles retardent la propagation des fissures de l'étape 1 et donc la création de fissures de l'étape 2 dont la propagation gouverne la résistance en traction de la matrice. Ce faisant, elles permettent d'augmenter la résistance en traction du composite cimentaire mais de façon moins importante que l'amélioration obtenue par fibres moyennes; - elles accroissent l'homogénéité mécanique du composite cimentaire, par diminution de la dispersion relative à la résistance en traction. The short fibers act on the cracks relating to step 1 cracking. The number of cracks created during step 1 being very large, the number of short fibers must be large. The action of these short metal fibers has two consequences - they delay the propagation of cracks in step 1 and thus the creation of cracks in step 2, the propagation of which governs the tensile strength of the matrix. In doing so, they make it possible to increase the tensile strength of the cementitious composite but to a lesser extent than the improvement obtained by medium fibers; they increase the mechanical homogeneity of the cementitious composite, by reducing the dispersion relative to the tensile strength.

Les fibres moyennes, qui ont une longueur comprise entre 5 et 10 mm et un diamètre compris entre 0,15 et 0,2 mm, se trouvent en très grand nombre dans le composite cimentaire proposé du fait du pour centage en volume compris entre 4 et 7 lo. Ces fibres agissent efficacement sur les fissures génerées lors de la phase 2 de fissuration. The average fibers, which have a length of between 5 and 10 mm and a diameter of between 0.15 and 0.2 mm, are found in very large numbers in the proposed cementitious composite due to the volume percentage of between 4 and 7 lo. These fibers act effectively on the cracks generated during cracking phase 2.

Les fibres longues et de diamètre plus important sont destinées à agir sur les fissures créées au cours de l'étape 3 de fissuration. The long fibers of greater diameter are intended to act on the cracks created during the step 3 of cracking.

Le composite fibré proposé a une résistance traction supérieure ou égale à 30 MPa et il confère un comportement ductile aux structures dans lesquelles il est utilisé. The proposed fiber composite has a tensile strength greater than or equal to 30 MPa and provides ductile behavior to the structures in which it is used.

Il est préférentiellement autoplaçant, c'est-à-dire qu'il peut être mis en place sans aucune vibration. It is preferentially self-compacting, that is to say it can be put in place without any vibration.

L'introduction dans la matrice, de trois dimensions différentes de fibres métalliques, constitue une approche optimisée au regard des trois étapes de fissuration en traction du composite. Il est toutefois possible d'introduire une quatrième et même une cinquième dimension de fibres, dont les dimensions en termes de rapport longueur/diamètre ne sont pas optimales vis-à-vis des fissures correspondant aux étapes 2 et 3 de fissuration. Par contre, on peut introduire ces fibres, qui sont individuellement moins efficaces pour agir sur deux échelles de fissures, à un dosage volumique total supérieur à celui qui est possible quand on utilise les trois dimensions de fibres. The introduction into the matrix of three different dimensions of metal fibers constitutes an optimized approach with regard to the three stages of tensile cracking of the composite. It is however possible to introduce a fourth and even a fifth dimension of fibers, the dimensions of which in terms of length / diameter ratio are not optimal with respect to the cracks corresponding to steps 2 and 3 of cracking. By cons, we can introduce these fibers, which are individually less effective to act on two scales of cracks, at a total volumetric dosage greater than that which is possible when using the three dimensions of fibers.

Ce choix a une double conséquence - moindre efficacité mécanique individuellement des fibres peut être compensée, vis-à-vis du comportement en traction, par leur nombre plus important ; - nombre plus important de fibres conduit généralement à une meilleure homogénéité mécanique en traction, du fait de la moindre dispersion, tant que la matrice n'est pas saturée en fibres. Ce dernier aspect peut etre très important, car on prend en compte, dans le dimen- sionnement des structures en béton fibré ultraperformant, une valeur caractéristique de la traction dudit béton, et non pas une valeur moyenne. This choice has a twofold consequence - lesser mechanical efficiency of individual fibers can be compensated, with respect to the tensile behavior, by their greater number; - Greater number of fibers generally leads to a better mechanical homogeneity in traction, due to less dispersion, as long as the matrix is not saturated with fibers. This last aspect can be very important, because in the dimensioning of the fiber-reinforced concrete structures, a characteristic value of the traction of said concrete is taken into account, and not an average value.

Pour simplifier ce qui a été dit précédemment, on peut avancer que, pour aboutir à un composite cimentaire très résistant et conduisant à un comportement ductile des structures ou éléments structuraux dans lequel il est utilisé, il est indispensable, d'une part, qu'un grand nombre de fibres agissent efficacement sur les fissures créées lors de l'étape 2 du processus de fissuration et que, d'autre part, des fibres agissent efficace ment sur les fissures créées lors de l'étape 3. Dans le cas où il s'agit d'une structure mince en composite cimentaire fibré ayant la même matrice cimentaire que celle décrite en introduction, on peut choisir une fibre ayant des dimensions adaptées aux deux étapes 2 et 3 de fissuration, à condition que, au moment de la rupture béton, l'ouverture de la fissure structurelle relative l'étape 3 de fissuration ne soit pas de plusieurs ordres de grandeur supérieure à celle relative à l'étape 2 de fissuration. To simplify what has been said above, it can be argued that, to achieve a very strong cementitious composite and leading to a ductile behavior of structures or structural elements in which it is used, it is essential, on the one hand, that a large number of fibers act effectively on the cracks created during step 2 of the cracking process and that, on the other hand, fibers act effectively on the cracks created in step 3. In the case where it is a thin fiber cement composite structure having the same cement matrix as that described in the introduction, it is possible to choose a fiber having dimensions adapted to the two stages 2 and 3 of cracking, provided that at the moment of rupture concrete, the opening of the structural crack relative to the step 3 of cracking is not several orders of magnitude higher than that relating to the step 2 of cracking.

D'autre part dans le cas d'une structure mince qui rompt en flexion, l'ouverture de la fissure correspondant à l'étape 3 de la fissuration dépend directement de l'épaisseur de cette structure. On the other hand, in the case of a thin structure which breaks in flexion, the opening of the crack corresponding to step 3 of the cracking depends directly on the thickness of this structure.

L'invention se rapporte également à une structure mince en composite cimentaire fibré dont la matrice cimentaire a une résistance en compression supérieure à 150 MPa et une résistance en traction uniaxiale supérieure ou égale à 6 MPa, cette matrice ayant un rapport eau/liant inférieur égal à 0,25 et étant constituée d'un mélange de ciment, d'éléments granulaires, d'éléments fins à réaction pouzzolanique dont les particules ont des dimensions comprises entre 0,1 pm et 1 pm, et d'un agent fluidifiant, ce composite comportant un renfort constitué de fibres métalliques noyées dans la matrice cimentaire. The invention also relates to a thin fibrous cementitious composite structure whose cement matrix has a compressive strength greater than 150 MPa and a uniaxial tensile strength greater than or equal to 6 MPa, this matrix having a lower water / binder ratio equal to at 0.25 and consisting of a mixture of cement, granular elements, pozzolanic reaction fine elements whose particles have dimensions of between 0.1 μm and 1 μm, and a fluidifying agent, this composite comprising a reinforcement consisting of metal fibers embedded in the cement matrix.

Cette structure mince est caractérisée par le fait que le renfort est constitué d'un seul type de fibres métalliques ayant une longueur comprise entre 5 et 10 mm et un diamètre compris entre 0,15 et 0,2 mm et par le fait que l'épaisseur de ladite structure est inférieure à deux fois la longueur de la fibre dans un pourcentage volumique compris entre 6<B>15%.</B> This thin structure is characterized in that the reinforcement consists of a single type of metal fiber having a length of between 5 and 10 mm and a diameter of between 0.15 and 0.2 mm and that the thickness of said structure is less than twice the length of the fiber in a volume percentage of between 6 <B> 15%. </ B>

Le fait de limiter l'utilisation de composites cimentaires monofibrés aux structures minces dans lesquelles la dimension la plus petite excède pas deux fois la longueur de la fibre a plus une conséquence importante au regard de l'efficacité mécanique du renfort fibré. effet, les fibres sont alors préférentiellement orientées perpendi culairement à la plus petite dimension de la structure, et donc une action mécanique optimisée vis-à-vis des fissures qui, elles, se propagent, de par fonctionnement de ces structures, préférentiellement perpendi culairement à cette petite dimension. Le ciment utilisé est avantageusement un ciment Portland tels que les ciments Portland CPA PMES, HP, HPR, CEM 1 PMES, 52,5 ou 52,5R ou HTS (Haute teneur en silice). Limiting the use of monofibrous cementitious composites to thin structures in which the smallest dimension does not exceed twice the length of the fiber has an important consequence with regard to the mechanical efficiency of the fiber reinforcement. Indeed, the fibers are then preferably oriented perpendicularly to the smallest dimension of the structure, and therefore an optimized mechanical action with respect to the cracks which, they, propagate, by operation of these structures, preferably perpendicularly to this small dimension. The cement used is advantageously a Portland cement such as CPA Portland cements PMES, HP, HPR, CEM 1 PMES, 52.5 or 52.5R or HTS (High silica content).

Les éléments granulaires présents dans la matrice cimentaire sont des grains dont la grosseur maximale est préférentiellement inférieure à 0,4 fois la longueur de la plus petite fibre constituant le renfort. The granular elements present in the cement matrix are grains whose maximum size is preferably less than 0.4 times the length of the smallest fiber constituting the reinforcement.

Les éléments fins à réaction pouzzolanique sont choisis parmi les composés de silice, notamment les fumées de silice, les cendres volantes, les laitiers de hauts-fourneaux, les dérivés d'argile tels que le kaolin. La silice peut être une fumée de silice provenant de l'industrie du zirconium préférentiellement à une fumée de silice provenant de l'industrie du silicium. The fine elements pozzolanic reaction are selected from silica compounds, including silica fumes, fly ash, blast furnace slags, clay derivatives such as kaolin. The silica may be silica fume from the zirconium industry, preferentially silica fume from the silicon industry.

L'agent fluidifiant peut être choisi parmi les lignosulfonates, la caséine, les polynaphtalènes, en parti culier les polynaphtalènesulfonates de métaux alcalins, les dérivés formaldéhyde, les polyacrylates de métaux alcalins, les polycarboxylates de métaux alcalins et les polyoxydes d'éthylène greffés. The fluidizing agent may be chosen from lignosulfonates, casein, polynaphthalenes, in particular alkali metal polynaphthalenesulfonates, formaldehyde derivatives, alkali metal polyacrylates, alkali metal polycarboxylates and grafted ethylene polyoxides.

D'autres additifs peuvent être ajoutés dans la composition matrice. Other additives may be added to the matrix composition.

Dans ce qui suit, sont présentés 3 exemples de béton fibré ultraperformant (BFUP) dont la conception repose sur ce qui précédemment. In what follows, are presented 3 examples of high performance fiber concrete (UHPF) whose design is based on what previously.

La composition respective de ces 3 BFUP est donnée ci-après.

The respective composition of these 3 UHPCs is given below.

Compositions <SEP> en <SEP> kglm3
<tb> Constituants <SEP> BFUP <SEP> 1 <SEP> BFUP <SEP> 2 <SEP> BFUP <SEP> 3
<tb> Ciment <SEP> CPA <SEP> CEM <SEP> 1 <SEP> 52,5 <SEP> HTS <SEP> 1013 <SEP> 1013 <SEP> 3
<tb> Fumée <SEP> de <SEP> silice <SEP> d'Anglefort <SEP> 313 <SEP> 313 <SEP> 313
<tb> Sable <SEP> Fontainebleau <SEP> 493 <SEP> 601 <SEP> 466
<tb> Eau <SEP> 207 <SEP> 207 <SEP> 207
<tb> Superplastifiant <SEP> Chryso <SEP> Superplast <SEP> 19,5 <SEP> 19,5 <SEP> 19,5
<tb> (extrait <SEP> sec)
<tb> Fibre <SEP> 1 <SEP> 780 <SEP> 468
<tb> Fibre <SEP> 2 <SEP> 468
<tb> Fibre <SEP> 3 <SEP> 156
<tb> Fibre <SEP> 4 <SEP> 234 Les fibres 1, 2 et 3 sont des fibres tréfilées en acier ayant une résistance en traction supérieure à 1 500 MPa. Les dimensions respectives de chaque fibre sont les suivantes -<U>Fibre 1</U> : longueur: 5 mm ; diamètre : 0,15 mm -<U>Fibre 2</U> : longueur: 10 mm; diamètre: 0,2 mm -<U>Fibre 3</U> : longueur: 25 mm ; diamètre : 0,3 mm, munie de crochets à ces extrémités. Compositions <SEP> in <SEP> kglm3
<tb> Constituents <SEP> BFUP <SEP> 1 <SEP> BFUP <SEP> 2 <SEP> BFUP <SEP> 3
<tb> Cement <SEP> CPA <SEP> CEM <SEP> 1 <SEP> 52.5 <SEP> HTS <SEP> 1013 <SEP> 1013 <SEP> 3
<tb> Smoke <SEP> of <SEP> silica <SEP> from Anglefort <SEP> 313 <SEP> 313 <SEP> 313
<tb> Sand <SEP> Fontainebleau <SEP> 493 <SEP> 601 <SEP> 466
<tb> Water <SEP> 207 <SEP> 207 <SEP> 207
<tb> Superplasticizer <SEP> Chryso <SEP> Superplast <SEP> 19.5 <SEP> 19.5 <SEP> 19.5
<tb> (extract <SEP> sec)
<tb> Fiber <SEP> 1 <SEP> 780 <SEP> 468
<tb> Fiber <SEP> 2 <SEP> 468
<tb> Fiber <SEP> 3 <SEP> 156
<tb> Fiber <SEP> 4 <SEP> 234 Fibers 1, 2 and 3 are steel drawn fibers having a tensile strength greater than 1500 MPa. The respective dimensions of each fiber are as follows - <U> Fiber 1 </ U>: length: 5 mm; diameter: 0.15 mm - <U> Fiber 2 </ U>: length: 10 mm; diameter: 0.2 mm - <U> Fiber 3 </ U>: length: 25 mm; diameter: 0.3 mm, provided with hooks at these ends.

La fibre 4 est de la laine d'acier doux ayant une résistance en traction supérieure à 800 MPa. Elle est obtenue par rabotage, en continu, d'un fil. Elle est ensuite passée dans des broyeurs pour obtenir une poudre composée de fins copeaux dont la longueur maximale ne dépasse pas 2 à 3 mm. Fiber 4 is mild steel wool having a tensile strength greater than 800 MPa. It is obtained by planing, continuously, a wire. It is then passed through mills to obtain a powder composed of fine chips whose maximum length does not exceed 2 to 3 mm.

Remarque : Dans le BFUP 3, la fibre 4 est choisie pour agir sur l'étape 1 de fissuration, la fibre 1 sur l'étape 2 fissuration, et la fibre 3 sur l'étape 3 de fissuration. Note: In the UFUP 3, the fiber 4 is chosen to act on the cracking step 1, the fiber 1 on the cracking step 2, and the fiber 3 on the cracking step 3.

Les 3 BFUP présentés ci-dessus sont traités thermiquement 72 h après leur fabrication, ils sont étuvés à à la pression atmosphé rique pendant 48 h. The 3 UHPCs presented above are heat treated 72 hours after their manufacture, they are steamed at atmospheric pressure for 48 hours.

Les 3 BFUP ont un module d'Young supérieur à<B>45</B> GPa, et une résistance en compression supérieure à 150 Leurs résistances en traction par flexion, indiquées ci-dessous, ont été obtenues à partir d'essais de flexion 3 points sur des éprouvettes prismatiques 4 x 4 x 16 cm. The 3 UHPC have a Young's modulus greater than <B> 45 </ B> GPa, and a compressive strength greater than 150. Their flexural tensile strengths, shown below, were obtained from tensile tests. bending 3 points on prismatic test pieces 4 x 4 x 16 cm.

La valeur moyenne de traction flexion respective des 3 BFUP sont les suivantes BFUP 1 : ><B>40</B> MPa BFUP 2 : > 45 MPa BFUP 3 : ><B>70</B> MPa Pour le BFUP 2, des essais de flexion 4 points sur des plaques faisant 40 cm de long, 10 cm de large et 2 d'épaisseur (soit 2 fois la longueur de la fibre du BFUP 2) ont été également réalisés. The average flexural tensile strength values of the 3 UFUPs are as follows UFUP 1:> <B> 40 </ B> MPa BFUP 2:> 45 MPa BFUP 3:> <B> 70 </ B> MPa For UHPC 2, 4-point bending tests on plates 40 cm long, 10 cm wide and 2 thick (ie twice the length of the BFUP 2 fiber) were also performed.

La valeur moyenne de traction flexion obtenue lors de ces essais est supérieure à 75 MPa (au lieu de 45 MPa pour une éprouvette qui fait 4 cm d'épaisseur, donc 4 fois la longueur de la fibre). The average bending tensile value obtained during these tests is greater than 75 MPa (instead of 45 MPa for a specimen that is 4 cm thick, so 4 times the length of the fiber).

On constate donc que ces résultats confirment le fait que, dans le cas d'un BFUP monofibré, il est indispensable de l'utiliser dans des structures minces dont l'épaisseur n'excède pas 2 fois la longueur de la fibre.It can thus be seen that these results confirm the fact that, in the case of a monofibrated BFUP, it is essential to use it in thin structures whose thickness does not exceed twice the length of the fiber.

Claims (1)

<U>REVENDICATION</U> Structure mince en composite cimentaire fibré dont la matrice cimentaire - a une résistance en compression supérieure à 150 MPa et une résistance en traction uniaxiale supérieure ou égale à 6 MPa, cette matrice ayant un rapport eau/liant inférieur ou égal à 0,25 et étant constituée d'un mélange de ciment, d'éléments granulaires, d'éléments fins à réaction pouzzolanique dont les particules ont des dimensions comprises entre 0,1 pm et pm, et d'un agent fluidifiant, ce composite comportant un renfort constitué de fibres métalliques noyées dans la matrice cimentaire, caractérisée le fait que le renfort est constitué d'un seul type de fibres métalliques ayant une longueur comprise entre 5 et mm et un diamètre compris entre 0,15 et 0,2 mm et l'épaisseur de ladite structure inférieure à deux fois la longueur dé la fibre dans un pourcentage volumique compris entre 6 et <B>15%.</B><U> CLAIM </ U> Thin fiber cement composite structure with a cementitious matrix - has a compressive strength greater than 150 MPa and a uniaxial tensile strength greater than or equal to 6 MPa, this matrix having a lower water / binder ratio or equal to 0.25 and consisting of a mixture of cement, granular elements, pozzolanic reaction fine elements whose particles have dimensions of between 0.1 μm and μm, and a fluidifying agent, this composite comprising a reinforcement consisting of metal fibers embedded in the cementitious matrix, characterized in that the reinforcement consists of a single type of metal fibers having a length of between 5 and mm and a diameter between 0.15 and 0, 2 mm and the thickness of said structure less than twice the length of the fiber in a volume percentage of between 6 and <B> 15%. </ B>