Brevet FR2306952A1 — publié le 19761105

L'invention concerne un béton ou un mortier constitué par un liant, qui se durcit sous l'effet de l'eau, une addition, et plusieurs éléments absorbant du rayonnement, et son procédé de préparation. Comme protection contre l'effet insalubre des rayonnements alfa, bêta, gamma, X, neutronique et autres provenant de radio-éléments, centrales nucléaires, réacteurs, bombes atomiques et autres, on connais des plaques en plomb, des couches épaisses en béton, des bétons spéciaux et des verres spéciaux (des verres à base de silicates de Cd et de B additionnés de fluorure). Alors que les rayons alfa et becta sont déjà absorbés dans l'air sur une distance relativement faible et qu'ils ne jouent, de ce fait, qu'un petit rôle en ce qui concerne leur nocivité biologique, les rayons gamma et les neutrons exercent une influence déterminante sur les précautions à prendre pour la protection contre le rayonnement, ceci par suite de leur pouvoir de pénétration élevée, accompagnée de leur grande portée. En pratique, les propriétés d'un matériau assurant une protection contre le rayonnement est ainsi préalablement déterminé par l'exigence d'une protection contre les rayons gamma et les neutrons. L'effet de tels matériaux de protection doit être tel qu'ils absorbent le rayonnement ainsi sans être changés sous l'effet dudit rayonnement; c'est ainsi qu'ils ne doivent émettre eux-memes des rayons, ni présenter de variations sous l'effet de la chaleur mais ils doivent évacuer la chaleur se produisant de façon directe dans le matériau par conversion d'énergie de rayonnement en énergie thermique. De par son poids atomique et sa densité élevée, le plomb constitue la substance la plus efficace en pratique pour la protection contre les rayons gamma. Outre son prix élevé et sa faible résistance mécanique, c'est surtout à cause de son faible pouvoir d'absorption par rapport au rayonnement neutronique que le plomb ne constitue pas le moyen universel pour la protection contre le rayonnement. Les neutrons le traversent à peu près sans affaiblissement. Une protection contre le rayonnement neutronique s'obtient par freinage des neutrons rapides, freinage lors duquel une partie de l'énergie neutronique est transmise au noyau de l'atome du fluide pour la protection contre le rayonnement et lors duquel la perte en énergie est maximale dans le cas d'une collision avec des noyaux d'atome légers (par exemple de l'hydrogène, du bore, du cadmium,). Un fluide idéal pour obtenir une protection contre le rayon nement neutronique est donc constitué par exemple par l'eau ; la teneur élevée en hydrogène freine très rapidement les neutrons d'énergies élevées, par des chocs élastiques, à un niveau d'énergie auquel la section transversale active suffit pour l'absorption de neutrons, pour fournir un fort affaiblissement du rayonnement neutronique.Les inconvénients inhérents à l'utilisation d'eau sont l'état d'agrégation défavorable pour un matériau de construction et sa protection très faible contre le rayonnement gamma. Entre les deux fluides de protection idéaux, qui n'assurent chacun qu'une protection contre un rayonnement déterminé (le plomb et l'eau), le béton occupe une position intermédiaire importante en pratique. Le béton est un mélange constitué par un liant, qui se durcit lorsqu'il entre en contact avec de l'eau, tel que le ciment, et une addition de fractions granuleuses plus grossières, telle que le sable, le gravier, le cailloutis etc. Rien que le béton normal, mélange d'éléments très divers, constitue un moyen de protection contre le rayonnement qui, grâce à sa densité globale (r = 2,4 g/cm3), constitue un meilleur fluide d'absorption de rayons gamma que l'eau et qui, grâce à la quantité relativement grande d'éléments présentant un poids atomique bas, absorbe notablement mieux les neutrons que le plomb. De plus, le béton constitue un matériau de construction idéal. Il existe des bétons spéciaux à effet de protection augmenté contre notamment le rayonnement gamma. Ces bétons diffèrent du béton normal par l'introduction d'éléments lourds, donc des éléments présentant un poids atomique élevé ou par utilisation de féraille comme addition. L'introduction d'éléments lourds s'effectue d'une part par variation chimique du liant, par exemple par remplacement du calcium dans le ciment Portland par du baryum (préparation de baryte). D'autre part, dans certains composés, ces éléments lourds peuvent être liés aux liants ; ainsi, les liants comportent une addition très finement broyée de substances absorbant du rayonnement. A ce sujet, on connait la fixation de baryte, ce à quoi il s'est avéré nécessaire d'utiliser non le ciment Portland normal, mais le ciment alumineux fondu à base de bauxite. De plus, on connaît la fixation d'alliages de fer et de phosphore au ciment. Pour mettre à profit l'effet d'absorption de rayonnement exercé par du plomb dans le béton, on a effectué des essais spéciaux. Les liants normaux se durcississant par contact avec de l'eau, tels que les ciments Portland, ne conviennent pas à la fixation de plomb métallique et les minerais de plomb, du fait que le plomb et les minerais de plomb modifient de façon défavorable la structure chimique des ciments Portland. Seuls les liants d'oxyde de magné sium sont compatibles eux minerais de plomb nuisibles au ciment.Toutefois du fait que les cimente à base d'oxyde de magnésium connus jusqu'à présent ne constituent pas de liant. qui se durcissent par contact avec de l'eau et qu'ils ne peuvent pas être utilisés en outre par suite de leur mauvaise résistance à l'eau, on a développé pour la fixation de plomb métallique ou des minerais de plomb un élément d'oxyde de magnésium se durcissant par contact avec de l'eau (Demande de brevet allemand mise à la disposition publique sous le N- 1.157.991). L'introduction de minerais ou de ferraille comme addition dans les mélanges de béton est avantageuse du point de vue économique, il est vrai, mais le traitement du matériau ainsi réalisé entraine des frais élevés provoqués par des difficultés de caractère technologique. C'est ainsi qu'à cause du poids spécifique du matériau à mélanger, il faut une réduction notable du remplissage du mélangeur. Lors du processus de mélange, des matériaux d'addition fragiles (minéraux, spaths) sont broyés, ce qui peut aboutir à un excès de matériau fin et, de ce fait, à une perturbation du tamisage désiré.Dans le cas d'utilisation commune de ferraille et de minérais, les composants de la ferraille provoquent un fort morcellement des minerais. Les grandes fluctuations de la densité des composants du béton, matériau très lourd, influent désavantageusement sur l'effet de mélange, ceci par suite de fortes tendances à la séparation. L'usure mécanique des mélangeurs est surtout élevée dans le cas os l'addition est constituée par de la ferraille. De plus, plusieurs méthodes usuelles pour le transport de béton normal ne peuvent plus être utilisées, ceci à cause du fort dépôt des composants lourds du béton. Parmi ces méthodes, il y a lieu de mentionner le pompqe et le transport pneumatiques. Mais aussi dans le cas de transport à l'aide d'un wagonnet à benne, le dépôt de l'addition très lourde - surtout de la ferraille - peut aboutir à des phénomènes de sépa- ration.La qualité technologique d'un tel béton ne peut pas être assurée, ce qui nécessite, au au chantier, des dispositions laborieuses entraînant assez sou- vent des frais élevés, en vue d'assurer l'uniformité des deux propriétés essen- tielles du béton, notamment la densité et la teneur en eau. Pour chaque cas, il faut donc des dispositions spéciales pour réaliser un béton présentant un effet de protection augmentée contre le rayon ciment gamms. C'est ainsi qu'il faut prendre des dispositions spéciales permet- tant de protéger la santé pendant le traitement de composés de plomb ou il faut réaliser ou utiliser des liants supplémentaires coûteux, requérant beaucoup de matériau pour l'application en question, notamment une protection contre le rayonnement, ou il faut prendre des dispositions coûteuses pendant le traitement dudit béton. L'invention vise à fournir un béton ou un mortier pouvant être utilisé comme matériau de construction et offrant une protection augmentée contre le rayonnement, surtout le rayonnement gamma et neutronique, matériaux pour lesquels il ne faut, ni de liant. spéciaux, ni de dispositions coûteuses pendant le traItement dudit matériau. Conformément à l'invention, ce but est atteint avec une forme de réalisation du béton ou du mortier remarquable en ce qu'il contient des éléments absorbant du rayonnement sous forme de silicates et/ou de borates, comme seule addition, ou avec d'autres matériaux d'addition appropriés, ainsi que par la mise en oeuvre du procédé de préparation utile comme addition, on utilise des verres granulés, comme ceux utilisés de préférence pour la fenêtre ou le cône de tubes reproducteurs d'images ou comme verre intermédiaire servant au scellement de la fenêtre et du cône. L'invention est ainsi basée sur l'idée de pouvoir utiliser un liant fréquemment utilisé, dans la technique de construction, pour la préparation d'un béton fournissant une protection contre le rayonnement et qu'il ne faut pas prendre de précautions technologiques spéciales coûteuses pour le traitement dudit béton ci les substances provoquant l'absorption du rayon sont utilisées sous forme de silicates et/ou de borates comme granulat au lieu d'-d- dition telle que le sable, le gravier. le cailloutis, la ferraille ou une combinaison de ces derniers et que l'effet protecteur contre le rayonnement, également celui du aplomb dans un mélange de béton ou de mortier normalement utilisé pour la construction à base de ciment Portland peut être utilisé, lorsque le plomb est introduit sous forme d'un verre ou silicate ou au borate comme addition granulaire dans le mélange. Il y a lieu de noter que l'absorp- tion du rayonnement gamma est tributaire en premier lieu de la teneur en plomb du béton fini ou de l'équivalent de plomb des autres éléments lourds utilisés (par exemple du baryum). Les avantages obtenus conformément à l'invention sont de caractère très divers. Il consistent surtout dans le fait que la préparation du béton ou du mortier conforme à l'invention ne requiert pas l'utilisation de liants coûteux ou difficiles à traiter à partir du matériau de départ. Il est possible d'utiliser toutes sortes de matériaux utilisés normalement pour la construction de bâtiments pour la préparation de béton ou de mortier. Les substances absorbant le rayonnement sont présentes sous une forme, dont le traitement ne suscite aucun problème et qui ne requiert pas de précautions spéciales en ce qui concerne la protection des personnes chargées de la préparation des mélanges, ni de processus compliqués spéciaux pour son traitement. Un très grand avantage consiste dans le fait de pouvoir utiliser en pratique du matériau de déchet comme addition absorbant le rayonnement, du fait qu'il est possible d'ajouter des débris de verre formés pendant la réali station de tubes reproducteurs d'images, dont les verres doivent présenter, com- me on le sait* un effet protecteur contre le rayonnement, comme granulat et dans des fractions correspondant à un mélange de béton ou de mortier comme addition granulaire. Ainsi, non seulement il ne faut pas de composants de mélange tres coUteus ou requérant beaucoup de matériau pour la préparation du béton conforme à l'invention, mais il est même possible d'utiliser des substances de déchet et l'on obtient le grand avantage de pouvoir introduire également des composés de plomb de façon non compliquée dans un mélange de béton ou de mor- tier normal à base de ciment Portland. Un autre avantage consiste dans le fait de pouvoir atteindre, un puissant effet protecteur augmenté contre le rayonnement neutronique, par introduction augmentée d'éléments présentant un poids atomique bas dans le mélange du béton, par exemple des borates. En plus, les verres constituant des borates de plomb fournissent un effet d'absorption combiné par rapport au rayon ciment gamma et neutronique. On va décrire maintenant quelques exemples de réalisation con forme l'invention. Conformément à l'invention, on met à profit entre autres l'effet d'absorption de rayonnement des verres spéciaux utilisés pendant la réalisation de tubes reproducteurs d'images pour la fenêtre ou le cône dutube. Ces verres provenant, sous forme du débris, de la réalisation de tubes, sont broyés en fractions dont la grosseur de grains correspondant à l'application ultérieure requise, donc de plus fines fractions (correspondant au sable pour la composi- tion du mélange mortier, en des fractions plus grossières correspondant au gravier et eu cailloutis pour la préparation du béton pour la composition de mélanges de béton. Toutefois, il est possible d'utiliser, dans la même mesure, autres verres que le verre utilisé pour la fenêtre ou le cône de tube reproducteur d'image. On songe ainsi aux verres présentant une teneur extrêmement élevée en plomb, aux verres présentant une teneur très élevée en bore dans la matrice du verre, éventuellement additionnés de lithium et de béryllium pour obtenir une absorption élevée du rayonnement neutronique, et aux verres consti- tuant des borates de plomb et présentant, de ce fait, un effet d'absorption élevé par rapport au rayons gamma et rayonnement neutronique. Les verres granulés peuvent être la seule addition du liant ci ment Portland, mais au besoin, il est possible d'introduire, outre le granulat de verre, d'autres matériaux d'addition dans le mélange. La quantité de granulat de verre introduit est en tout cas tributaire de l'énergie de rayonnement à atteindre et varie pour chaque cas. Du reste, la composition du mélange correspond au prescriptions connues. Pour déterminer des propriétés mécaniques de béton dans le cadre de la présente invention, on a versé des échantillons présentant des bords d'une longueur de 100 mm, agités à l'aide d'un agitateur à vibrations et ensuite durcis. Les mélanges furent préparés avec plusieurs verres granulés et du ciment Portland (PZ) 530 F DIN 1164 et la quantité requise d'eau. L'examen pour déterminer la résistance fut effectué chaque fois après une semaine. Par les "valeurs de résistance" figurant au tableau, il y a lieu d'entendre les valeurs relatives rapportées à des échantillons préparés avec du sable normal et réalisés dans des conditions comparables. N' d'essai rapport ciment, grosseur desgraimde résistance addition l'addition (mm) 1 1 : 4 mm 29.500 2 I : 6 3 I : 4 4 1 : 6 ( 0,5 mm 12.500 5 I : 8 7.350 6 1 :10 mm 7 1 : 8 C 2 mm 8 1 :10 9 1 : 4 55% , 45Z 5-20 10 i : 4 sable utilisable comme 13.000 matériau de construc tion. Des verres pouvant être utilisés pour la préparation de béton ou de mortier comme matériau de construction assurant une protection contre le rayonnement se situent dans la gamme de compositions, en Z en poids, mentionnée ci-dessous. SiO2 67,3 47,6 22,0 3,0 - 2,7 9,0 B2O3 - - 18,4 17,9 16,0 16,0 50,6 Na2O 1,5 1,6 1,5 - - - 15,4 K2O 9,4 10,5 - - - - Cao 1,7 1,9 - - - . 9,8 BaO 1,3 - 7,3 - - MnO 1,1 0,2 - - - ZnO - - 11,3 8,0 4,0 PbO 10,9 35,15 36,7 68,1 80,0 81,3 Al2O3 - 2,7 2,8 3,0 - - 15,2 Sb2O3 - 0,35 - - - - REVENDICATIONS : Béton ou mortier constitué par un liant, qui se durcit sous l'effet de l'eau, une addition, et plusieurs éléments absorbant du rayonnement, caractérisé en ce qu'il contient des éléments absorbant du rayonnement sous forme de silicates et/ou de borates, comme seule addition, ou avec d'autres matériaux d'addition appropriés. 2. Béton ou mortier selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments absorbant le rayonnement présentent un poids atomique élevé. 3. Béton ou mortier selon la revendication 2, caractérisé en ce que les éléments présentant un poids atomique élevé sont constitués par du plomb ou du baryum. 4. Béton ou mortier selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments absorbant le rayonnement sont constitués par des éléments présentant un poids atomique bas. 5. Béton ou mortier selon la revendication 4, caractérisé en ce que les éléments présentant un poids atomique bas sont constitués par du lithium, du béryllium et du bore. 6. Béton ou mortier selon la revendication 1, caractérisé en ce que le liant se durcissant de façon hydraulique est constitué par du ciment Portland. 7. Béton ou mortier selon la revendication 1, caractérisé en ce que d'autres matériaux d'addition sont du sable et/ou du gravier et/ou du cailloutis. 8. Procédé permettant de préparer du béton ou du mortier selon la revendication 1, caractérisé en ce que, comme addition, on utilise des verres granulés, comme ceux utilisés de préférence pour la fenêtre ou le cône de tubes reproducteurs d'images ou comme verre intermédiaire servant au scellement de la fenêtre et du cône. 9. Procédé selon la revendication selon la revendication 8, caractérisé en ce que les verres utilisés comme matériaux d'addition sont introduits en fractions d'une grosseur de grain correspondant à celle des grains du matériau d'addition utilisé normalement à cet effet.