BE893726A - Fibres de renforcement de materiaux moulables a liant hydraulique ou non et leur fabrication. - Google Patents

Description

  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 &#65533; 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 &#65533; 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.

Claims (1)

1. Revendications :

   1. Renforcement d'un matériau moulable appelé

   "matrice" par des éléments de forme élancée <EMI ID=44.1>

   de ses extrémités d'un dispositif d'ancrage

   du renfort à la matrice, caractérisé en ce que le dispositif d'ancrage est constitué d'un ou plusieurs volumes de formes quelconques dont toutes les dimensions transversales sont supérieures au diamètre du corps filiforme.

   2. Renforcement suivant 1 avec la caractéristique que le dispositif d'ancrage à chaque extrémité est constitué d'un seul volume, appelé "tête", de forme quelconque dont une partie au moins est de dimensions transversales supérieures au diamètre du corps filiforme.

   3. Eléments de renforcement suivant 1 o u 2 avec

   la caractéristique que les têtes présentent une partie de forme de plus en plus enflée vers les extrémités. 4. Eléments- suivant l'une quelconque des

   revendications 1 à 3 avec la caractéristique que en parcourant la fibre suivant son axe longitudinal, de son centre vers l'extrémité, à la partie enflée succède une partie tout à fait extrême de forme quelconque.

   5. Eléments de renforcement suivant l'une ou

   <EMI ID=45.1>

   caractéristique que les têtes comportent une partie à symétrie de révolution.

   6. Eléments de renforcement suivant la

   revendication 5 avec la caractéristique que la tangente en tout point à la courbe génératrice de la partie de révolution coupe le prolongement de la surface externe du corps filiforme en un point appartenant à la tête même.

   7. Eléments de renforcement suivant la

   revendication 6 avec la caractéristique que la tangente en tout point de la courbe génératrice forme avec l'axe principal du corps filiforme un angle de valeur maximale comprise entre 20 et 60[deg.].

   8. Eléments de renforcement suivant une ou

   <EMI ID=46.1>

   caractéristique que le matériau le constituant est en acier. <EMI ID=47.1>

   de renforcement décrits suivant une ou plus ieurs des revendications 1 à 8 avec la caractéristique que le matériau de base est un fil bobiné de diamètre égal à la plus grande dimension transversale de la tête du renfort.

   10. Procédé suivant la revendication 9 avec la

   caractéristique que la réduction de diamètre du fil est obtenue par laminage au moyen d'un couple de cylindres superposés de laminage pourvus de canelures dont la

   <EMI ID=48.1>

   filiforme obtenu.

   11. Procédé suivant la revendication 10 avec la

   caractéristique que des enflures sont obtenues par la présence d'encoches matrices de celles-ci, régulièrement réparties au long des canelures.

   12. Procédé suivant la revendication 11 avec la

   caractéristique que l'élément fili forme obtenu est coupé régulièrement à mi-volume des enflures.

   13. Procédé d'obtention des éléments filiformes

   de renforcement décrits suivant une ou

   <EMI ID=49.1>

   8 avec la caractéristique que le matériau de

   de

   base est un fil bobiné/diamètre égal à celui du corps filiforme du renfort. 14. Procédé suivant 13 avec la caractéristique

   que le fil bobiné est coupé régulièrement à longueur voulue.

   15. Procédé suivant 13 et 14 avec la

   caractéristique que les éléments ainsi obtenus sont pinces à leurs extrémités entre deux matrices engendrant avec l'aide de marteaux de frappe les têtes désirées.

   16. Installation pour la réalisation des

   procédés suivant une ou plusieurs

   des revendications 9 â 15.