Brevet FR2570639A1 — publié le 19860328

Procédés et dispositifs pour accélérer la prise du béton. La présente invention a pour objet des procédés et des dispositifs pour accélérer la prise du béton. Le secteur technique de l'invention est celui de la construction des ouvrages et des éléments préfabriqués en béton. Dans les usines de préfabrication d'éléments en béton, de même que sur certains chantiers de construction d'ouvrages en béton, un des problèmes est l'accélération de la prise du béton pour réduire le temps d'attente nécesaire avant de démouler ou de décoffrer et pour accélérer la rotation des coffrages ou des moules. Dans la plupart des usines de préfabrication de produits en béton armé ou en béton precontraint, on accélère la prise du béton en chauffant les moules dans lesquels le béton vient d'être coulé. Cette opération de chauffage est réalisée soit au moyen de moules chauffants qui nécessitent un équipement onéreux, soit en faisant passer les moules dans des étuves ou des tunnels chauffants, ce qui nécessite des équipements de chauffage et des manutentions de charges importantes. Quelquefois les moules sont chauffés en place en les recouvrant d'une bâche sous laquelle on injecte de la vapeur. La prise du béton est une hydratation du ciment qui est une réaction exothermique dont la vitesse croît avec la température. La température d'une pièce en béton en cours de prise dans un moule ou dans un coffrage tend à se stabiliser à une température d'équilibre lorsque la chaleur dégagée par la réaction exothermique équilibre les pertes de calories. Cette température d'équilibre et la vitesse à laquelle elle est atteinte dépendent de la température ambiante, de la forme de la pièce, de l'isolement du moule et de la température initiale du béton. On sait qu'il faut attendre deux jours pour décoffrer si la prise a lieu à 200C, 12 heures si elle a lieu à 400C et seulement 3 heures si elle a lieu à 60"C. Dans le procédé traditionnel, on chauffe le béton pendant la prise, de sorte que des calories venant de l'extérieur s'ajoutent à la chaleur due à la réaction d'hydratation exothermique. Toutefois, on ne doit pas chauffer trop rapidement pour éviter de créer des tensions internes qui diminueraient la résistance du béton. Généralement on élève la température de 200 par heure jusqu'à 600C et on maintient ensuite cette température, ce qui permet de décoffrer après 4 ou 5 heures et de réutiliser les moules au cours du poste de travail qui suit. Les techniques traditionnelles consomment beaucoup d'énergie pour chauffer le béton apres qulil a été coulé dans les moules. Afin de réduire la consommation d'énergie, on a proposé un procédé de préchauffage du béton dans une benne à électrodes. Selon ce procédé, le béton une fois malaxé à température ambiante est chauffé à une température de l'ordre de 500C, grâce à des électrodes qui sont plongées dans le béton liquide contenu dans la benne, puis il est coulé chaud dans les moules et sa température se maintient alors à une température comprise entre 500C et 600C pour une pièce massive coulée dans un moule calorifugé grâce à la chaleur due à l'hydratation, ce qui permet de décoffrer après 4 à 5 heures de prise et de réutiliser les moules à raison d'une rotation par poste de 8 heures. Ce procédé entraîne une économie d'énergie et de manutentions des moules mais il nécessite une puissance électrique élevée car il faut chauffer le béton en quelques minutes avant de le couler dans les moules et cette consommation d'électricité a lieu pendant les heures de travail donc au tarif le plus cher. Un objectif de la présente invention est de procurer des procédés et des dispositifs permettant d'accélérer la vitesse de prise du béton en réduisant la consommation d'énergie. Un autre objectif de la présente invention est de procurer des procédés et des dispositifs qui permettent d'accélérer la prise du béton en utilisant comme source d'énergie de l'électricité en heures creuses afin de bénéficier du coût relativement réduit de cette énergie et des facilités d'utilisation de celle-ci. Un autre objectif de la présente invention est de procurer des procédés et des dispositifs qui permettent de couler dans les moules ou les coffrages un béton déjà chaud, sans avoir à apporter des modifications importantes aux centrales à béton existantes et sans avoir à intercaler des installations et des opérations nouvelles dans une chaîne de préfabrication. Un autre objectif de la présente invention est de procurer des procédés et des dispositifs qui permettent de couler dans les moules ou dans les coffrages habituels un béton suffisamment chaud pour que le phénomène d'auto-thermomaturation du béton commence immédiatement, c' est-a-dire que la température se maintienne à une valeur d'équilibre de l'ordre de SOC à 600C, telle que l'on puisse démouler ou décoffrer après quatre heures de prise. Les objectifs de l'invention sont atteints par un procédé selon lequel, avant de malaxer les composants du béton, on chauffe un ou plusieurs de ces composants à une température telle que le béton malaxé soit coulé à un température de l'ordre de SO0C. De préférence, on chauffe seulement l'eau de malaxage à une température de 650C + 30C et les agrégats à une température moyenne de 500C + 50C. Selon un mode de réalisation préférentiel, on chauffe les composants au moyen de résistances électriques pendant les heures de nuit. Selon un mode de réalisation préférentiel, on chauffe les agrégats contenus dans la partie inférieure des silos équipant une centrale à béton. Avantageusement, on chauffe dans la partie inférieure de chaque silo, pendant chaque nuit qui précède une journée de travail, un volume d'agrégats qui est compris entre 1,1 fois et 2,2 fois la consommation journalière. Avantageusement pendant la nuit qui précède une journée de travail, on chauffe dans la partie inférieure de chaque silo un premier volume d'agrégats légèrement supérieur à la consommation journalière à une température moyenne de 5O0C + 50C et on préchauffe dans la partie moyenne de chaque silo un deuxième volume d'agrégats qui correspond sensiblement à une consommation journalière à une température moyenne de l'ordre de 35"C + 50C. Un dispositif selon l'invention fait partie d'une centrale à béton équipée de silos verticaux dans lesquels sont stockés les agrégats entrant dans la composition du béton. Selon l'invention, lesdits silos à agrégats sont équipés, dans leur partie inférieure, de résistances chauffanes qui sont plongées dans la masse des agrégats et qui sont disposées en quinconce avec des intervalles entre résistances de l'ordre de 500 mm. Selon un mode de réalisation préférentiel, chaque résistance chauffante est placée à l'intérieur d'un tube en acier qui traverse ledit silo de part en part, dont l'extrémité arrière est fermée et est engagée dans une douille soudée sur la paroi arrière du silo et dont l'extrémité avant, qui est située à l'extérieur de la paroi avant du silo, comporte un ou plusieurs orifices. Selon un mode de réalisation préférentiel, les résistances chauffantes ont la forme d'une épingle et les deux branches de ladite épingle sont serrées dans des pinces métalliques qui sont réparties sur la longueur de épingle et qui peuvent coulisser librement à I'intérieur dudit tube. L'invention a pour résultat l'accélération de la prise du béton permettant de démouler ou de décoffrer quatre heures environ après avoir coulé,avec une dépense d'énergie réduite. La quantité d'énergie consommée par tonne de béton, en tenant 3 compte des déperditions, est de l'ordre de 30 KWH/m3, soit 12,5 KWH/ tonne, alors que la consommation d'énergie avec des coffrages chauf 3 fés par de la vapeur perdue est de l'ordre de 250 KWH/m3 et de l'or 3 dre de 1DO K/m , dans le cas où on utilise des moules chauffés par un fluide caloporteur recyclé. La quantité d'énergie consommée est du même ordre de grandeur que celle qui est consommée dans le procédé de préchauffage du béton dans des bennes à électrodes, mais par rapport à ce procédé, la présente invention présente l'avantage d'utiliser l'électricité en heures creuses, donc avec un coût beaucoup plus réduit et de ntin- troduire aucune opération, ni aucune installation supplémentaire dans la chaine de préfabrication. La seule modification est l'équipement des silos à agrégats de résistances chauffantes, le calorifugeage éventuel de ces silos et la nécessité de disposer de chauffe-eau électriques de grande capacité,pour chauffer l'eau de malaxage. L'économie d'énergie résulte de ce que l'auto-thermomaturation du béton commence dès que celui-ci est coulé dans les moules à une température de l'ordre de 50ôC et la température se maintient au-dessus de 500C pendant toute la maturationn sans aucun apport d'énergie externe, la seule dépense d'énergie est celle qui est consommée en heures creuses pour chauffer les agrégats, l'eau et éventuellement le ciment. On a déjà utilisé de l'eau chaude de malaxage dans les pays très froids pour éviter les risques de gel du béton, c'est-à-dire pour réaliser une fonction autre que l'accélération de la prise par auto-thermomaturation. Dans ces applications antérieures, la température du béton malaxé est nettement inférieure à 5O0C, de sorte que la prise du béton ne démarre pas avec une vitesse suffisante pour obtenir un durcissement rapide par auto-thermomaturation. La fonction du chauffage de l'eau est donc différente et le procédé selon l'invention ne découle pas avec évidence de ces applications antérieures. Un avantage important des procédés et des dispositifs selon l'invention réside dans le fait qu'ils nécessitent seulement des modifications relativement restreintes de la centrale à béton équipant les chantiers ou une usine de préfabrication, qu'ils suppriment toute manutention des moules remplis de béton frais et qu'ils suppriment également la nécessité de disposer d'une chaudière pour fournir un fluide chaud afin de chauffer le béton coulé pour en accélérer la prise. Par rapport à la technique traditionnelle consistant à chauffer le béton dans des étuves ou dans des moules chauffés par de la vapeur ou par de l'eau chaude, les procédés selon l'invention permettent d'accélérer la rotation des moules et ils suppriment la nécessité de disposer d'une chaudière d'où une économie d'équipement et de main d'oeuvre et des conditions de travail plus propres. Ils permettent d'améliorer les résistances mécaniques du béton grâce à un meilleur contrôle de la température pendant la maturation et à l'absence de gradient thermique dans la masse. Ils améliorent la sécurité des conditions de travail par la suppression des risques d'accident dus à l'utilisation de la vapeur ou d'eau chaude. Ils suppriment les rejets polluants gazeux et liquides (fumées de chaudière, eaux de purge, fioul). La description suivante se réfère aux dessins annexés qui représentent un mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention. La figure 1 est une coupe horizontale d'un groupe de quatre silos verticaux d'une centrale à béton. La figure 2 est une vue en élévation d'un silo de la figure 1. La figure 3 représente une vue en élévation du même silo perpendiculaire à la précédente. La figure 4 est une coupe axiale et la figure 5 une coupe transversale d'une résistance de chauffage équipant un silo à agrégats. Un procédé selon l'invention peut s'appliquer dans toutes les usines de préfabrication ou sur tous les chantiers équipés d'une centrale à béton automatique comportant un ou plusieurs silos à béton, et un ou plusieurs silos dans lesquels sont entreposés le sable et les gravillons entrant dans la composition du béton et dénommés ci-après les agrégats. Le procédé consiste à préchauffer au moins une partie des composants du béton avant leur malaxage, ce préchauffage étant réalisé, de préférence, au moyen de résistances électriques pendant la nuit qui précède un poste de travail, afin de bénéficier d'un tarif d'heures creuses. Comme l'on chauffe à une température relativement basse, de l'ordre de 500Cà 650C et que l'on peut chauffer pendant toute la période d'heures creuses, la puissance électrique installée nécessaire à ce chauffage, est relativement faible et le coût de l'abonnement électrique, qui dépend de la puissance installée, est modéré, Suivant un mode de réalisation préférentiel, on chauffe seulement l'eau de malaxage et les agrégats et on évite de chauffer le ciment. Toutefois, en variante, on peut également préchauffer le ciment. L'eau de malaxage est chauffée dans des réservoirs chauffants du type chauffe-eau électrique, ayant une capacité égale ou légèrement supérieure à la consommation d'une journée de travail. Elle est chauffée en heures creuses pendant la nuit qui précède son utilisation. La température de chauffage est régulée à environ 650C. La construction du chauffe-eau et la régulation de la température de l'eau sont bien connus de l'homme de l'art et il n'est pas nécessaire de les décrire en détail. On notera seulement le choix de la température aux environ de 650 C. Compte tenu de la chaleur spécifique de l'eau qui est cinq fois plus élevée que celle du ciment et des proportions respectives d'eau et de ciment, qui sont par exemple de 190 litres d'eau pour 420 Kgs de ciment, en chauffant à 650C + 30C l'eau qui est ensuite mélangée au ciment, on obtient une température du mélange voisine de 5O0C, sans qu'il soit nécessaire d'équiper un silo à ciment de moyens de chauffage. Selon une caractéristique d'un procédé selon l'invention, on pré chauffe également les agrégats entrant dans la composition du béton et ce préchauffage est réalisé au moyen de résistances électriques, qui sont noyées dans la masse des agrégats contenus dans les silos de la centrale à béton, de sorte que ce préchauffage est réalisé sans nécessiter aucune manutention supplémentaire, ni aucune installation nouvelle autre que l'installation de résistances chauffantes dans les silos à agrégats existants. On peut également calorifuger les parois de ces silos pour réduire les pertes de calories qui sont très faibles compte tenu de la température relativement basse. Les agrégats sont chauffés pendant les heures creuses de nuit qui précède le poste d'utilisation pour obtenir une température moyenne de l'ordre de 500C + .50C. De préférence, on préchauffe les agrégats, dans la partie moyenne du silo, à une température moyenne de l'ordre de + 350C pendant l'avant dernière nuit précédant leur utilisation, de sorte que la température ait le temps de s'uniformiser pendant la journée qui précède l'utilisation, puis on les porte à la température moyenne de 500 + 5"C pendant la deuxième nuit. Le chauffage des agrégats pose des problèmes qu'un dispositif selon l'invention a dû résoudre. En effet, les agrégats sont composés de matériaux mauvais conducteurs de la chaleur. De plus les gravillons comportent de nombreux vides entre les grains qui freinent les échanges de chaleur. Il n'est donc pas possible de chauffer des agrégats au moyen de quelques résistances de forte puissance, noyées dans la masse car on obtiendrait alors une forte accumulation de chaleur autour des résistances et la température des résistances chauffantes atteindrait des valeurs que celles-ci ne peuvent supporter. De plus, la température des agrégats ne serait pas uniforme, ce qui risquerait de créer des tensions internes dans le béton. Les dessins annexés représentent un dispositif selon l'invention de chauffage des agrégats. La figure 1 représente une vue en coupe horizontale d'un groupe de quatre silos verticaux 1, 2, 3 et 4 qui font partie d'une centrale à béton automatique et qui contiennent l'un du sable et les autres des gravillons ou des graviers de granulométrie déterminée. De préférence, les silos 1, 2, 3 et 4, qui ont une section carrée, sont groupés dos a dos, due sorte que chaque silo a deux cloisons mitoyennes avec deux silos voisins, ce qui a l'avantage de réduire de moitié la surface externe du silo et donc également les pertes de calories. Chaque silo a une capacité qui correspond à la consommation de plusieurs jours. Par exemple, chaque silo a une section carrée de 3 m x 3 m et une hauteur de l'ordre de 10 m. La partie inférieure de chaque silo est équipée de résistances chauffantes horizontales 5 qui traversent le silo de part en part. Afin de répartir la chaleur dans la masse des agrégats, on multiplie le nombre des résistances qui sont disposéessuivant une maille de l'ordre de 50 cm. De préférence, les résistances 5 sont disposées en quinconce. Des doigts de gant 6a, 6b sont placés dans la masse des agrégats et ces doigts de gant contiennent une sonde de mesure de température. Comme on le voit sur les figures 2 et 3, les résistances chauffantes 5 sont disposées dans la partie inférieure des silos. Généralement, un silo de ce type est équipé de trois sondes de niveau, une sonde de niveau bas 7, une sonde de niveau milieu 8 et une sonde de niveau haut 9. La sonde de niveau bas est placée à une hauteur telle que le volume du silo situé au-dessous de ce niveau corresponde à une journée de consommation et la sonde de niveau milieu à deux jours de consommation. Dans ce cas, les résistances chauffantes sont disposées dans tout le volume situé au-dessous du niveau milieu 8 et elles sont divisées en deux groupes separés par le niveau bas. Le groupe de résistances situées entre les niveaux bas 7 et le niveau moyen 8, sert à préchauffer les agrégats pendant l'avant dernière nuit qui précède leur utilisation. La quantité de chaleur qui leur est fournie est calculée pour obtenir une température de préchauffage moyenne de l'ordre de 350C + 50C. Une sonde thermostatique 6a permet de réguler la température. En fait, par suite de la faible conductivité thermique des agrégats, les températures obtenues en fin de nuit sont dispersées autour de la valeur moyenne mais pendant la journéequi suit, elles s'égalisent. Au cours de la deuxième nuit, les agrégats sont descendus dans le volume situé entre le niveau moyen 7 et le fond du silo et ce volume est équipé d'un deuxième groupe de résistances chauffantes, pilotées par une deuxième sonde thermostatique 6b, qui sont mises en service pendant la deuxième nuit et qui chauffent les agrégats à une température moyenne de l'ordre de 5O0C + 50C. Bien que les agrégats soient chauffés uniquement en heures creuses pendant la nuit, la température se maintient sensiblement constante pendant toute la journée qui suit, car le rapport entre la surface externe et le volume d'agrégats est faible, la température des agrégats est relativement basse et ils sont mauvais conducteurs de la chaleur. Pendant la journée de travail qui suit la deuxième nuit de chauffage, on utilise les agrégats contenus au-dessous du niveau bas 7, qui sont à une température moyenne de 50"C + 50C. En mélangeant ceux-ci à du ciment à température ambiante et à de l'eau à 65"C, on obtient après malaxage un béton qui est coulé dans les moules à environ 5O0C. A cette température, l'auto-thermomaturation du béton se produit sans nécessiter aucun autre apport d'énergie. Les déperditions par les parois des moules sont compensées par la chaleur dégagée par la réaction exothermique d'hydratation du béton et la température se maintient au-dessus de 50"C, de sorte que le démoulage peut intervenir après quatre heures de maturation. Outre les économies d'énergie et de manutention, le procédé selon 1 invention présente l'avantage que la température du béton reste sensiblement uniforme pendant toute la maturation, dans toute l'épaisseur des pièces préfabriquées de sorte que l'on ne risque pas que des tensions internes prennent naissance sous l'effet de gradients de température et les résistances mécaniques du béton après démoulage sont très bonnes. Les figures 2 et 3 représentent une disposition préfé rentielle des résistances chauffantes qui équipent un volume de silo sensiblement égal à deux fois la consommation journalière d'agrégats. Bien entendu, on peut adopter d'autres dispositions et chauffer uniquement dans la partie basse de chaque silo un volume correspondant à un peu plus qu'une consommation journalière. Selon une caractéristique de l'invention, le volume de chaque silo chauffé est compris entre 1,1 et2,2 fois la consommation journalière. Pour chauffer les agrégats de façon sensiblement uniforme, il a fallu déterminer la puissance calorifique et la disposition particulière des résistances chauffantes 5. Les figures 4 et 5 représentent respectivement une coupe axiale et une coupe transversale d'une résistance 5. Chaque résistance est composée, de façon connue, d'une épingle 10 composée d'un fil conducteur 11 placé dans une gaine métallique 12 qui est, par exemple, une gaine en acier inoxydable. Un matériau pulvérulent 13 conducteur thermique et isolant électrique, remplit la gaine 12. La puissance de chaque résistance chauffante est de l'ordre de 1,5 KW. Etant donné que les résistances sont réparties suivant une maille de 500 mm de côté et que les silos ont une largeur de 3 m, cela correspond à une puissance installée de 2 KW par tonne d'agrégats, donc chaque résistance peut fournir pendant les huit heures creuses d'un poste de nuit 16KWH par tonne d'agrégats, ce qui correspond à une élévation de température de l'ordre de 60 , compte tenu des pertes. Chaque résistance chauffante 10 est placée à l'intérieur d'un tube en acier doux 14, qui traverse le silo de part en part. L'extrémité arriere du tube 14 est obturée de façon étanche, par une plaque 14a et elle est engagée dans une douille tubulaire 15 soudée sur la paroi arriere 16 du silo. Le tube 14 a par exemple un diamètre externe de 90 mm, de façon que la surface de contact entre le tube et les agrégats soit suffisante pourassurerunbon échange de chaleur et que le tube 14 ait une résistance à la flexion suffisante pour supporter la poussée des agrégats. L'extrémité avant du tube 14 émerge à l'extérieur de la paroi avant 17 du silo et porte une bride carrée 18 sur laquelle est fixée une bride pleine 18a et la tête 19 de la résistance chauffante. Le tube 14 comporte un ou plusieurs trous 20 qui sont situés dans la partie du tube externe au silo afin d'éviter que l'air contenu dans le tube ne risque de monter en pression sous l'effet de 1' échauffement. On voit sur les figures 4 et 5 que les deux branches de chaque épingle de chauffage 10 sont placées entre les deux branches d'une pince 21 qui sont serrées contre les gaines 12 par un boulon 22 et un écrou 23. Les pinces 21 sont en acier inoxydable. Elles sont réparties sur toute la longueur des aiguilles 10 à raison d'une pince tous les 50 cm environ. La longueur des pinces 21 est telle qu'elles coulissent librement dans le tube 14 avec un faible jeu. Les pinces 21 servent à centrer les résistances chauffantes dans le tube 14 et elles servent également de pont thermique pour transmettre par conduction au tube 14, la chaleur dégagée par les résistances 10 qui sont dans l'air. Compte tenu des dimensions et de la puissance relativement faible des résistances chauffantes, celles-ci émettent environ 0,5 Watt/cm2 alors que l'on admet couramment de dissiper 2 à 7 Watts/cm2 de surface de résistance. R E V E N D I C A T I O N S 1. Procédé pour accélérer la prise du béton, caractérisé en ce que, avant de malaxer les composants du béton, on chauffe un ou plusieurs de ces composants à une température telle que le béton malaxé soit coulé à une température de l'ordre de 500. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on chauffe seulement I'eau de malaxage à une température de 650C + 3"C et les agrégats à une-température moyenne de 500C + 50C. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que lton chauffe lesdits composants au moyen de résistances électriques pendant les heures de nuit. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lton chauffe les agrégats contenus dans la partie inférieure des silos équipant une centrale à béton. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'on chauffe dans chaque silo, pendant chaque nuit qui précède une journée de travail, un volume d'agrégats compris entre 1,1 fois et 2,2 fois la consommation journalière. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que pendant la nuit qui précède une journée de travail, on chauffe dans la partie inférieure de chaque silo un premier volume d'agrégats légèrement supérieur à la consommation journalière à une température moyenne de 500C + 50C et on préchauffe dans la partie moyenne de chaque silo un deuxième volume d'agrégats qui correspond sensiblement à une consommation journalière à une température moyenne de l'ordre de 350C i50C. 7. Dispositif pour accélérer la prise de béton du type comportant une centrale à béton équipée de silos verticaux (1, 2, 3, 4) dans lesquels sont stockés les agrégats entrant dans la composition du béton, caractérisé en ce que lesdits silos sont équipés dans leur partie inférieure, de résistances chauffantes (10) qui sont plongées dans la masse d'agrégats et qui sont disposées en quinconce avec des intervalles entre résistances de l'ordre de 500 mm. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que chaque résistance chauffante (10) est placée à l'intérieur d'un tube en acier (14) qui traverse ledit silo de part en part, dont l'ex- trémîté arrière est fermée et est engagée dans une douille (15) soudée sur la parai arriere du silo et dont l'extrémité avant,qui est située à l'extérieur de la paroi avant du silo, comporte un ou plusieurs orifices (20). 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdites résistances chauffantes (10) ont la forme d'une épingle et les deux branches de ladite épingle sont serrées dans des pinces métalliques (21) qui sont réparties sur la longueur de l'épingle et qui peuvent coulisser librement à l'intérieur dudit tube (14). 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, dans lequel lesdits silos sont équipés de résistance chauffante sur une hauteur qui correspond à un volume d'agrégats compris entre 1,1 foiset2,2 fois la consommation journalière extraite dudit silo.