Brevet FR2248246A1 — publié le 19750516

La présente invention se rapporte à un procédé d'obtention de bétons à haute résistance mécanique et en particulier à haute résistance à la compression. De nombreux travaux ont été faits en vue d'obtenir des bétons à haute résistance mécanique et des essais menés en laboratoire ont permis, dès 191Q, d'obtenir des résistances de 1000 bars mais les essais de laboratoires mettent en oeuvre des opérations comme par exemple l'étuvage, la carbonatation sous pression, l'obs- truction des pores par imprégnation, le compactage en pâte ferme, l'utilisation de fibres, l'enrobage des granulats par des résines, qui sont trop compliquées pour être applicables sur les chantiers où seules les méthodes traditionnelles peuvent être appliquées et où l'on a pratiquement jamais pu obtenir de résistance supérieure a 500 bars, à 28 jours en essais normalisés. Il ressort des études faites sur les bétons que leur résistance à la compression est fonction de quatre principaux facteurs liés à sa composition et qui sont les granulats, le ciment, l'adhérence granulat-ciment et la compacité. Ces quatre facteurs principaux sont sous la dépendance de nombreux paramètres tels que les propriétés physiques et chimiques des composants, la quantité d'eau de gâchage Ces paramètres peuvent intervenir sur plusieurs des quatre facteurs principaux, par exemple la variation de la quantité d'eau de gâchage modifie le retrait du ciment, donc l'adhérence avec les granulats, elle intervient aussi sur les conditions de la réaction chimique d'hydratation du ciment et sur la compacité du béton.En outre, ces paramètres ne sont pas indépendants : ainsi, la forme des granulats dépend de leur provenance suivant qu'ils sont concassés ou roulés, et pour les concassés, cette forme est en étroite liaison avec leur résistance mécanique, leur module d'élasticité ainsi que leur nature minéralogique. Il est impossible par conséquent de créer le meilleur béton en choisissant les conditions optimales, systématiquement pour chaque paramètre dont certains agissent de manière contradictoire. C'est ainsi qu'une plus grande finesse du ciment améliore la résistance mécanique en pâte pure, mais elle augmente la quantité d'eau nécessaire au gâchage du béton, donc son retrait, L'adhérence et la compacité sont diminues, et l'effet bénéfique d ciment est souvent masque. En outre, si l'on essa-ie doptîmiser au maximum les paramètres afin de produire un béton ayant des caractéristiques mécaniques très élevées, on obtient un matériau inutilisable sur chan- tier en raison du fait que sa maniabilité est médiocre. La confection d'un béton, meme lorsque de bonnes résistances sot recherchées, reste donc un compromis entre différentes qualités, sa maniabilité, c'est-à-dire son aptitude à une mise en place avec faible serrage et sans ségrégation, restant un impératif catégorisque On a maintenant découvert conformément à l'invention, que l'on peut accroître les résistances necaniques des bétons en améliorant l'adhérence des granulats et du ciment dont ils sont cons titués. L'invention a pour objet un procédé de fabrication de bétons à haute résistance mécanique en compression, obtenu par mélange de gravillons à forte résistance à la compression, de sable et de ciment an milieu aqueux, caractérisé par le fait que l'on utilise des sables en céramique poreuse telle que la terre cuite, ayant une granulométrie comprise entre 0,1 et 5mm dont le diamètre des pores est compris entre 0,5 et 15 microns et choisi de façon à etre légèrement supérieur à la grosseur des cristaux d ciment utilisé. Le choix des céramiques utilisées est guidé par le fait que leur porosité peut être réglée à volonté en choisissant le mélange des composants, la température et l'atmosphère de cuisson. Les terres cuites que l'on utilise de préférence sont élaborées à partir de mélanges dsargiles ksoliniquess argiles illitiques et de marnes. On précise que le rôle des pores est double 1 ) améliorer l'adhérence par ancrage des cristaux de ci ment hydratés. 20) constituer Jne réserve d'eau pour l'hydratation différée du ciment anhydre. En ce qui concerne la première action, des études récentes montrent que 11 hydroxyde de calcium est l'élément essentiel de l'adhérence ciment-granulat. En effet, l'hydrolyse de l'alite et de la bélite conduit à la libération d'hydroxyde de calcium partiellement solubilisé. En raison de la mobilité des ions en solution, cette hydroxyde de calcium se disperse dans l'eau libre. ciestXà-ire à la surface des granulats (eau adsorbée) et dans les pores, où la solution devient rapidement sursaturée avec cristallisation de cet hydroxyde de calcium. Il y a création d'un ancrage mécanique supérieur à celui obtenu avec les granulats actuellement utilisés, à condition que le diamètre des pores des granulats permette le développement des dits cristaux. En ce qui concerne la deuxième action, il importe que le spectre porométrique des terres cuites utilisées soit parfaitement défini. Les pores trop gros sont inutiles et les pores trop fins sont absolument à proscrire en raison de la loi de Jurin sur l'as- e?sion capillaire, car ils ont tendance à déshydrater le ciment au cours de son durcissement. Au contraire, si les pores de la terre cuite sont légèrement plus gros que ceux développés dans la pâte de ciment durci, il se produit une lente dessication de la terre cuite au profit du ciment et celui-ci accroît son durcissement dans le temps, même s'il est conservé en milieu sec. Ce phénomène a pu être mis en évidence par des analyses thermogravimétriques effectuées sur des échantillons identiques, mais à différents âges de conservation en milieu confiné ; la quantité totale d'eau reste identique, mais l'eau chimiquement liée au ciment augmente avec l'âge au détriment de l'eau liée physiquement par capillarité. En raison des caractéristiques propres de chaque ciment, il est nécessaire d'utiliser la matière poreuse qui lui est strictement adaptée, ainsi qu'il est montré dans les tableaux 1, 2 et 3 ciaprès. Il apparaît dans ces tableaux que le granulat A exige beau- coup d'eau pour la mise en oeuvre du mortier, ce qui stexplique par sa grande porosité. Les pores ouverts sont fins : 0,5 à 2 microns, et seul le CPA 400 HES (2990 cm2/g) permet d'obtenir de grandes résistances en traction. La composition B, à porosité plus faible, exige moins d'eau pour la réalisation d'un mortier à plasticité identique. Les pores ont un diamètre compris entre 1 et 15 microns et 60 % des pores ont un diamètre compris entre 5 et 10 micronsre+te composition B convient remarquablement aux ciments à mouture plus grossière comme le CPA 400 et le fondu !2420 cm2/9). Pour la réalisation du mortier, le granulat C nécessite une quantité d'eau élevée, en rapport avec sa porosité. Les résistances intrinsèques de cette céramique sont élevées ; le spectre poromé trique assez élargi convient à tous les ciments9 sans vraiment offrir de propriétés exceptionnelles pour l'un d'eux. La composition D exige une quantité d'eau modérée pour éla borer un mortier, ce qui une fois encore est en étroite liaison avec sa porosité ouverte totale. Les pores sont très fins : 0,05 à 0,75 micron, et il y a incompatibilité avec le ciment fondu. La lente décroissance dans le temps des résistances du mortier avec le ci ment fondu, montre d'ailleurs qu'il y a dessication progressive du ciment au profit du granulat. Pour obtenir des bétons à haute résistance à la compression il nwest pas nécessaire d'utiliser exclusivement des granulats artificiels. il a été montré en effet, que si l'on dispose de granulats naturels ayant une forte résistance intrinsèque à la compression, il suffit de leur associer un mortier (sable + ciment) ayant une bonne résistance en traction, en raison du développement de forces orthogonales à l'effort appliqué. C'est alors qu'il est avantageux d'utiliser le mortier (sable artificiel) + ciment puisque la bonne adhérence entre ces deux composants induit une bonne résistance en traction. En raison des caractéristiques propres de chaque ciment, il est nécessaire d'utiliser la matière poreuse qui lui est strictement ~adaptée comme cela est montré dans les tableaux ci-après (granulats A et B). Un exemple de composition de béton préparé conformément à l'invention est donné ci-après. Formule P pour 1 m3 de béton - Porphyre 13/18m/mm : 510 kg Porphyre 8/12 " : 495 kg Porphyre 5/10 " : 275 kg Granulat artificiel 0,5 mm : 440 kg Ciment CPA 400 HTS : 400 kg Eau : 220 litres Les propriétés de ce béton au porphyre sont indiquées dans le tableau IV ci-après. Dans les memes conditions'de conservation que le béton au porphyre de formule P, un béton de type courant agréé pour les ouvrages en béton précontraint atteint 450 bars au bout de 90 jours. Il ressort de l'examen du tableau IV que le gain sur la résistance en compression est donc proche de 100 %. Ce type de béton conforme à l'invention peut parfaitement être mis en oeuvre sur les chantiers. Il peut conduire à un grand allègement des structures précontraintes ou armées. TABLEAU 1 CARACTERISTIQUES DE GRANULATS CERAMIQUES Type du granulat A B C D Porosité ouverte moyenne exprimée 10 % 3,5 % 10,5 % 8 % en poids d'eau absorbée Rt (résistance à la traction) en 50,5 105,7 56,8 20,2 bars @ à la direction de filage Rt, en bars 47,7 48,6 81,9 23,3 // à la direction de filage Rc (résistance en compression 1340 1450 2175 1360 uniaxiale) en bars Diamètre moyen des pores 10.442 15.370 9.315 1.598 Surface spécifique des 0,81 m2/g 0,25 m2/g 0,77 m2/g 2,85 m2/g pores ouverts de 0,5 à 2 de 1 à 15 de 0,5 à 3,75 de 0,05 à 0,75 Répartition porométrique de en microns dont 65 % dont 60 % dont 30 % dont 30 % de 1 à 1,5 de 5 à 10 de 1 à 1,5 de 0,1 à 0,2 TABLEAU 2 FORMULE DES MORTIERS REALISES AVEC LES GRANULATS CERAMIQUES (pour 1 dm3) Type de granulat A B C D Granulat 0,2/5 mm 1150 g 1290 g 1010 g 1285 g Ciment 500 g 500 g 500 g 500 g 500 g Eau avec CPA 400 460 g 315 g 430 g 380 g Eau avec CPA 400 HTS 480 g 315 g 430 g 400 g Eau avec fondu (ciment alumineux) 460 g 305 g 330 g 370 g Temps d'écoulement après mélange au plasticimètre (Laoratoirs 1 mn 20 s. 1 mn 20 s. 1 mn 20 s. 1 mn 20 s. Central des Ponts et Chaussées) TABLEAU 3 PROPRIETES MECANIQUES DES MORTIERS REALISES AVEC LES GRANULATS CERAMIQUES (en bars) (Conservation en sac polyéthylène à 20 C) Type de granulat A B C D Mortier au CPA 400 Rt Rc Rt Rc Rt Rc Rt Rc à 7 jours 54 250 72 287 60 257 68,5 289 14 jours 67,5 584 77,5 363 69 326 79,5 376 28 jours 65,5 348 89,5 477 75,5 397 79,5 411 90 jours 74 462 100,5 536 77 468 79 507 Mortier au CPA 400 HTS à 7 jours 81,5 392 54 231 51,5 209 6,5 295 14 jours 83,5 473 68 326 63,5 267 71,5 291 28 jours 95 619 79,5 333 70,5 333 83,5 396 90 jours 103 575 92,5 533 67,5 451 80 578 Mortier au ciment fondu à 7 jours 65,5 471 91,5 771 73,5 549 64 391 14 jours 63 428 95,5 801 77,5 479 61 321 28 jours 49 256 106,5 772 69,5 381 54 257 90 jours 33,5 160 97,5 781 82,5 416 50,5 216 Rt : résistance en traction/flexion Rc : résistance à la compression CPA 400 HTS : ciment portland artificiel à haute teneur en silice résistance de 400 bars à 28 jours. TABLEAU 4 PROPRIETES MECANIQUES DU BETON AU PORPHYRE DE FORMULE P Résistance à la rupture en Résistance à la rupture compression exprimée èn bars en traction exprimée en Esseis effctués sur cylin- bars dres : Essais brésiliens effectués # = 16 cm sur cylindres : H = 32 cm Q = 16 cm H = 32 cm 7 jours 28 jours 90 jours 7 jours 28 jours 90 jours Conservation à 20 C 345 82 857,5 39 5,5 57,5 en sac PVC 727 827 881,5 52 58,5 53,5 Conservation à 60 C en étuve REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication de bétons à haute résistance mécanique en compression obtenu par mélange de gravillons à forte résistance à la compression, de sables et de ciment en milieux aqueux, caractérisé par le fait que l'on utilise des sables an céramique poreuse telle que la terre cuite, ayant une granulométrie comprise entre 0,1 et 5mm dont le diamètre des pores est compris entre 0,5 et 15 microns et choisi de façon à être légèrement supérieur à la grosseur des cristaux du ciment utilisé. de bétons 2. Procédé de fabrication/selon la-revendication 1, caractérisé par le fait que l'on utilise du ciment désigné sous le nom de CPA 400 HTS avec un sable dont le diamètre des pores est compris entre 0,5 et 2 microns et dont 65 % des pores ont un diamètre compris entre I et 1,5 micron. de bétons 3. Procédé de fabrication/selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on utilise du ciment désigné sous le nom de CPA 400 avec un sable dont le diamètre des pores est compris entre 1 et 15 microns et dont 60 % des pores ont un diamètre compris entre 5 et 10 microns. 4. Procédé de fabrication de bétonsselon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on utilise du ciment fondu avec un sable dont le diamètre des pores est compris entre 1 et 15 microns et dont 60 % des pores ont un diamètre compris entre 5 et 10 microns. 5. Procédé de fabrication de bétons selon la revendication 1 caractérisé par le fait que les constituants des terres cuites utilisées pour réaliser le sable artificiel sont choisis parmi les argiles kaoliniques, les argiles illitiques et les marnes. 6. Procédé de fabrication de bétonsselon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on utilise du sable artificiel de granulométrie comprise entre 0,1 et 5 mm et des gravillons de porphyre de granulométrie comprise entre 5 et 18 millimètres. 7. A titre de produits industriels nouveaux, les bétons obtenus par un procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes.