Brevet FR2666576A1 — publié le 19920313

La présente invention concerne un procédé pour améliorer les performances et la durabilité d'un béton de ciment par addition de microparticules actives. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine de la fabrication de bétons de tout type, qu'il s'agisse de bétons à caractéristiques normalisées (BCN), à caractéristiques spécifiques (BCS), de bétons de marques, à hautes performances, compactés au rouleau, etc. Actuellement, un procédé connu pour améliorer les performances et la durabilité d'un béton consiste à incorporer au mélange des divers constituants du béton des cendres, dites volantes, provenant de la combustion de matières diverses telles que charbon, lignite, tourbe, ordures ménagères, etc. Ces cendres volantes peuvent être des cendres de fraîche production ou bien des cendres stockées dans des terrils ou des bassins. Les cendres volantes se présentent sous forme de sphérules, généralement silicoalumineuses, mais également parfois sulfocalciques, dont la granularité s'échelonne entre 0,5-1 et jOO ,um et dont la surface spécifique varie entre 2000 et 5000 cm2/g. Ce produit, incorporé au béton, en modifie les propriétés d'une façon le plus souvent avantageuse. En particulier, la rhéologie du béton se trouve améliorée. D'autre part, les cendres volantes sont susceptibles de donner lieu à un effet pouzzolanique, c'est-à-dire une réaction chimique de combinaison avec les hydrates du ciment, Ca(OH)2 notamment, qui a pour résultat de rendre le béton moins vulnérable à certaines attaques chimiques comme celle des eaux agressives faiblement minéralisées.Un autre avantage de l'utilisation des cendres volantes est de diminuer le prix de béton. Enfin, il s'avère que les bétons dans lesquels des cendres volantes ont été incorporées résistent mieux aux alcali-réactions. I1 faut cependant signaler que les cendres volantes actuellement utilisées dans les bétons présentent des limites liées à leur granularité trop grossière. La taille des sphérules étant au moins égale à celle des grains du ciment, il en résulte un mauvais pouvoir de remplissage des cendres dans le béton, et, par ailleurs, la modeste surface spécifique quelles développent conduit à une réactivité limitée, ce qui se traduit en particulier par une durée relativement longue, de 1 à 6 mois, avant que l'effet pouzzolanique maximum soit atteint. C'est pourquoi, dans le but d'incorporer aux bétons des particules actives de dimensions plus favorables, on a parfois recours aux fumées de silice dont la granularité varie entre 0,5 et 3 pm. Du fait de sa bonne activité pouzzolanique, ce sous-produit de la fabrication du ferro-silicium est surtout utilisé dans les bétons à hautes performances. Toutefois, les fumées de silice ne sont pas exemptes d'in~onvénients dont un des plus importants est l'impossibilité de parfaitement maîtriser certaines de leurs caractéristiques telles que leur granularité, leur réactivité et leur composition chimique. Celles-ci restent en effet figées une fois pour toutes, sans possibilité de contrôle, et avec généralement une assez grande dispersion ayant pour conséquence une incertitude quant à la reproductibilité des performances. I1 faut aussi noter que, pour des raisons de coût de transport, les fumées de silice doivent être densifiées, ce qui pose le problème ultérieur de leur défloculation et de leur dispersion dans le béton. Enfin, les quantités disponibles de fumées de silice sont faibles, d'où un prix de vente élevé. Aussi, le problème technique à résoudre par l'objet de la présente invention est de proposer un procédé pour améliorer les performances et la durabilité d'un béton de ciment par addition de microparticules actives, procédé qui permettrait d'obtenir des microparticules de granularité faible et réglable, présentant une grande surface spécifique, qui seraient bon marché et ne nécessiteraient pas de densification. La solution au problème technique posé consiste, selon la présente invention, en ce que ledit procédé comporte les opérations suivantes - micronisation de particules actives initiales jusqu'à obtenir des microparticules d'une granularité donnée, comprise entre 0,1 et 100 llm, - incorporation par malaxage audit béton dans des proportions comprises entre 5 et 30 % du poids de ciment. L'opération de micronisation réalisée de façon controlée permet d'obtenir à grande échelle, et donc à faible coût, des microparticules de la granularité voulue sur une large gamme et dont la surface spécifique peut dépasser 10000 cm2/g. D'autre part, la masse volumique apparente des microparticules en sortie de micronisation étant proche de celle de la fumée de silice densifiée, il n'est pas nécessaire d'effectuer une opération de densification particulière. I1 convient aussi de signaler qu'outre les cendres volantes, le procédé selon l'invention s'applique également à d'autres types de particules initiales comme les cendres de foyer, les fines, les pouzzolanes et les laitiers. Le procédé selon l'invention présente d'autres avantages comme une très forte activation des microparticules du fait des surfaces fraîches de fractures, ainsi qu'un grand pouvoir d'homogénéisation particulièrement favorable lorsque les particules initiales présentent de très nombreuses hétérogénéités aussi bien au niveau de leur granularité que de leurs propriétés physico-chimiques comme c'est le cas notamment pour les cendres de terrils. Pour les cendres volantes de fraîche production, l'opération de micronisation peut être effectuée par voie sèche, par attrition desdites particules initiales sous jets opposés d'un gaz vecteur. Selon cette méthode, la réduction de la taille des grains est réalisée par impactage entre les particules, avec l'avantage d'éviter la pollution éventuelle introduite par le corps broyant lorsque des broyeurs classiques à boulets, par exemple, sont utilisés. Dans le cas où les particules initiales sont humides, telles que les cendres de terrils ou de bassins, il est possible soit de les sécher et les microniser par la voie sèche mentionnée ci-dessus, soit de les broyer par voie humide après préparation d'une suspension. Enfin, le procédé selon l'invention permet d'éviter les inconvénients liés aux expansions qui se produisent à l'intérieur du béton lors de la transformation en sulfates des sulfites contenus dans certaines cendres, en particulier celles des chaudières à lit fluidisé circulant. A cet effet, il est prévu de réaliser l'opération de micronisation en milieu oxydant de façon à oxyder les sulfites en sulfates avant incorporation dans le béton. La description qui va suivre, en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée. La figure 1 est une représentation schématique d'un procédé de fabrication d'un béton par addition, par voie sèche ou humide, de microcendres actives. La figure 2 est une représentation schématique d'un procédé de fabrication d'un béton prêt à l'emploi par addition, par voie sèche, de microcendres actives. La figure 3 est une vue en coupe d'un appareil de micronisation par voie sèche. La figure 4 est une vue en coupe d'un appareil de micronisation par voie humide. Le schéma de la figure 1 illustre un procédé pour améliorer les performances et la durabilité d'un béton de ciment par addition de microparticules actives qui, da - toute la description, seront constituées de façon non limitative par des microcendres. Le béton liquide considéré à la figure 1 est un mélange d'eau, de granulats, de ciment et d'adjuvants liquides (retardateur, réducteur d'eau, etc.), obtenu après malaxage en phase humide. Le procédé de la figure 1 consiste, dans une première étape, à microniser des cendres initiales jusqu'à obtenir des microcendres d'une granularité donnée, comprise entre 0,1 et 100 pm, puis, dans une deuxième étape, à incorporer par malaxage les microcendres audit béton dans des proportions comprises entre 5 et 30 % du poids de ciment. Dans l'exemple de la figure 1, les cendres initiales peuvent être des cendres sèches, cendres volantes de fraîche production ou cendres humides de terrils ou de bassins séchées, micronisées par voie sèche à l'aide de l'appareil de micronisation montré à la figure 3. Cet appareil est un broyeur 100 à jets d'air opposés, combiné à un sélecteur 101 à réglage indépendant. Le principe de fonctionnement en est le suivant : le produit introduit dans la cuve 104 du broyeur 100 est fluidisé par au moins deux buses 102, 103 opposées l'une par rapport à l'autre. Les cendres entraînées par les jets sont accélérées et projetées les unes contre les autres dans la zone d'intersection des jets où elles sont broyées. Le courant ascendant qui se forme dans cette zone entraîne les cendres broyées vers la turbine de sélection.Les microcendres dont la dimension correspond à la limite de séparation sont alors évacuées par aspiration et récupérées par cyclonage comme produit fini. La fraction grossière refusée par le sélecteur 101 et les cendres non broyées retournent vers le lit fluidisé le long de la paroi de la cuve 104 de broyage. La fraction des microcendres ultra micronisées non récupérées par cyclonage est séparée par filtration puis stockée à part (déchet de broyage). Ce type de broyeur, dit à attrition, présente l'avantage de permettre un contrôle précis des caractéristiques essentielles des microcendres récupérées en sortie, à savoir le diamètre des sphérules et leur granularité. Pour cela, il suffit de régler les paramètres commandant la finesse du broyeur que sont la pression d'alimentation des buses 102, 103, la vitesse du sélecteur 101, le débit d'alimentation et le diamètre des buses. On peut ainsi aboutir à une courbe granulaire resserrée avec une faible dispersion et une minimisation du surbroyage grâce au sélecteur intégré. Les cendres volantes sont des matériaux de granularité très étalée. Elles présentent de grandes hétérogénéités tant dans leur granularité que dans leurs propriétés physico-chimiques (teneurs, densité, dureté, résistances mécaniques, réactivité hydraulique ou pouzzolanique, etc.). Aussi, un traitement avant attrition peut parfois s'avérer indispensable afin de réduire les cendres initiales les plus grosses sans pour autant accroître de façon excessive le taux de microcendres, rendre compatibles les cendres à broyer vis-à-vis du broyeur à attrition, et homogénéiser le produit. Ce traitement préalable pourra comporter une opération de prébroyage avec un broyeur à cône ou à fléaux et une opération de malaxage. Le procédé schématisé sur la figure 1 peut également être mis en oeuvre à partir de cendres initiales humides, cendres de terrils ou de bassins. Dans ce cas, on utilise l'appareil de micronisation représenté sur la figure 4, qui est un broyeur annulaire fonctionnant selon deux modes de broyage : cisaillement et compression. Ce broyeur est constitué essen tiellement d'un rotor 201 et d'un stator 202 refroidi par une cirnjlation d'eau 204. Dans une étape préalable, une suspension des cendres initiales est préparée dans un récipient, non représenté, muni d'agitateurs à air comprimé. Puis, la suspension est introduite par un orifice d'entrée 2û5 dans la chambre de broyage 203 du broyeur annulaire de la figure 4 où elle est broyée sous l'action conjuguée de la rotation du rotor 201 et de billes de broyage. A titre indicatif, la chambre de broyage 203 a une largeur annulaire typique de 6 mm et les billes couramment utilisée pour constituer la cnarge broyante sont en zircone ou en silice et présentent une granularité comprise entre 0,8 et 1,2 mm. Pour de faibles vitesses du rotor, entre 400 et 1500 t/mn, le rotor et le stator sont réalisés en matériau plastique comme le polyuréthane, mais pour des vitesses supérieures, de 1500 à 4000 t/mn, il est préférable d'utiliser un stator en alumine qui offre une meilleure résistance. Des microcendres ainsi obtenues par voie humide peuvent être incorporées au béton lors de la mise en oeuvre du procédé de la figure 1. Par contre, le procédé illustré à la figure 2, conduisant à un béton dit prêt à l'emploi ne contenant que des matériaux secs, est réservé aux cendres micronisées par voie sèche. Dans le cas de cendres contenant des sulfites, il est avantageux de conduire l'opération de micronisation dans un milieu oxydant, afin d'oxyder les sulfites en sulfates. En particulier, il est prévu que le gaz vecteur utilisé dans l'appareil de micronisation par voie sèche de la figure 3 est un gaz ayant des propriétés oxydantes. REVENDICATIONS 1. Procédé pour améliorer les performances et la durabilité d'un béton de ciment par addition de microparticules actives, caractérisé en ce qu'il comr -te les opérations suivantes . micronisation de particules actives initiales jusqu'à obtenir des micro particules d'une granularité donnée, comprise entre 0,1 et 100 pm, . incorporation des microparticules par malaxage audit béton dans des proportions comprises entre 5 et 30 G du poids de ciment. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'opération de micronisation est réalisée par voie sèche par attrition desdites particules initiales sous jets opposés d'un gaz vecteur. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'opération de micronisation est précédée par un traitement comportant une opération de prébroyage et une opération de malaxage. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'opération de micronisation est réalisée par voie humide par broyage desdites particules initiales après préparation d'une suspension. 5. Procédé selon ltune quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que, les particules initiales étant des cendres contenant des sulfites, l'opération de micronisation est réalisée en milieu oxydant de façon à oxyder les sulfites en sulfates. 6. Procédé selon les revendications 2 et 5, caractérisé en ce que ledit gaz vecteur est un gaz oxydant.