Brevet FR2673935A1 — publié le 19920918

L'invention a pour objet un procédé de fabrication de mortiers ou bétons et un agrégat nouveau pour une telle fabrication. On sait qu'un mortier ou un béton est constitué, en proportions vouluesr à partir d'un liant hydraulique tel qu'un ciment et d'agrégats solides, l'ensemble étant mélangé à sec puis additionné d'eau pour obtenir la prise du ciment. Les proportions des différents constituants dépendent des circonstances comme la qualité du ciment et des agrégats et la résistance recherchée. La granulométrie des agrégats, à ltétat brut ou concassés, dépend de l'utilisation. Un mortier est réalisé à partir de sable, le terme de béton étant employé lorsque les agrégats comportent du gravier et/ou des cailloux. Le ciment et les agrégats sont d'abord mélangés à sec puis 1'eau est ajoutée progressivement jusqu a obtention d'une masse homogène. On sait que les proportions relatives de I'eau, du ciment et des agrégats sont liées entre elles et déterminent la résistance du béton apres la prise. On peut, en outre, selon les besoins, ajouter au mélange divers adjuvants, liquides ou solides r par exemple un fluidifiant, un accélérateur de prise r etc... Ces adjuvants sont , généralement, des produits chimiques ou industriels, assez onéreux, contrairement aux agrégats qui, la plupart du temps, sont des produits naturels venant de carrières. De plus r les adjuvants peuvent diminuer les qualités du béton obtenu. C'est pourquoi on essaie, normalement, de n'employeur les adjuvants qu'en proportions très réduites. Or l'inventeur a découvert qu un produit naturel, existant en quantités importantes dans certains sites et, jusqu a présent, très peu utilise, pouvait entrer avantageusement dans la composition des mortiers ou bétons et dans des proportions bien supérieures à celles des adjuvants habituels. L'invention a donc pour objet des perfectionnements aux procédés classiques de fabrication d'un mortier ou d'un béton comprenant, en proportions x70ltlues, un liant hydraulique, des agrégats solides et des adjuvants éventuels, l'ensemble étant mélangé avec de l'eau pour faire prise. Conformément à l'invention, on ajoute au melange de ciment et d'agrégats une certaine quantité d'un minéral naturel à base de silice et à l'état micronique. De préférence, Te minéral utilisé est une Diatomite naturelle prélevée en carrière. Selon une caractéristique particulièrement avantageuse, le minéral siliceux ajouté au mélange se substitue à une partie du ciment et permet d'en réduire la proportion dans le mortier, au moins à résistance égale. En outre, pour une même qualité de ciment, la Diatomite ou le minéral, si il est ajouté en quantité suffisante, peut améliorer la résistance du mortier obtenu. Normalement, la proportion de Diatomite ajoutée au mélange de ciment et d'agrégats sera d'au moins 7 % et, de préférence, d'environ 15 % de la quantité pondérale de ciment. De façon particulièrement surprenante, la Diatomite pourra être utilisée à l'état brut de carrière en donnant déjà des résultats avantageux, mais il pourra être intéressant de la broyer, auparavant, jusqu'à un degré de finesse du même ordre que celui du ciment, et/ou de lui faire subir un séchage ou même une calcination préalable, ces divers traitements dépendant de la composition de la Diatomite qui est un produit naturel et, par conséquent, de composition variée. D'une façon générale, il sera intéressant d'utiliser une Diatomite comportant, notamment , en pourcentages pondéraux de 55 à 95 % de Si 02 de 1 à 6 % de A12 03 de 0,5 à 3 % de Fe2 Q3 de 0,5 à i % de CaO ainsi que différents oxydes minéraux en proportions plus réduites Mais le minéral utilisé peut être aussi une pierre ponce concassée à l'état micronique. De préférence, et en particulier pour obtenir un mortier ou un béton de haute résistance, le mélange de ciment, d'agrégats et du minéral siliceux sera additionné d'un fluidifiant tel qu'un sulionate, par exemple dans une proportion d'environ 1,5 % du poids d'eau. Mais l'invention sera mieux comprise par la description détaillée de certains exemples de réalisation. On sait que la Diatomite est un sédiment siliceux, pulvérulent, formé, au cours des âges, par accumulation de Diatomées, c'est-à-dire d'algues microscopiques contenues dans l'eau douce, saumâtre ou salée, et qui se sont accumulées en masses considérables, formant un minerai appelé "Boue à Diatomées'l, ou Diatomite, mais aussi "Kieselguhr" ou "Tripoli". Jusqu a présent, les Diatomites étaient plutôt considérées comme une curiosité et n'avaient trouve que de faibles utilisations industrielles pour leurs propriétés absorbantes ou abrasives, ou bien pour constituer des filtres. Les Diatomites ne se trouvent que dans certains sites particuliers mais en masses très importantes, notamment dans le Centre de la France. En particulier, l'inventeur a fait effectuer des essais sur des Diatomites de trois sites différents dont les compositions sont indiquées, avec les références MAT 1, MAT 2, AT 3, dans le tableau suivant qui précise les pourcentages en masse des différents constituants. MAL1 MAT2 MAT3 perte au teu 3,35 11,79 0.46 SiO2 93,96 77,83 91,05 Al2O3 1,05 5,60 4,16 Fe2O3 0,72 2,14 1,90 CaO 0,54 0,60 0,75 MgO 0,15 0,47 0,43 SO3 0,07 0,22 0.06 Na2O 0,05 0,21 0,40 K2O 0,009 0,28 0,29 TiO2 0,10 0,63 0,42 MnO 0,01 0.03 0,03 P2O5 0,05 0,07 0,05 SrO 0,005 0,01 0,01 Cr2O3 0,004 0,01 0,009 F- 0,02 0,03 0,02 TOTAL 100,09 99,92 100,04 Ces compositions ont été caractérisées sur trois échantillons par analyse chimioue, diffraction des rayons X, examens au microscope électronique à balayage, ces derniers montrant que les Diatomites sont constituées de particules très fines, de faciès variables, tels que disques, tubes, fibres, et sont issues de la silicification d'algues microscopiques dont la structure initiale alvéolaire cloisonnée est encore discernable. L'analyse qualitative minéralogique par diffraction des rayons X révèle une structure complètement amorphe correspondant à celle d'une Opale. On notera que le matériau MAT 2 se distingue des deux autres par une perte au feu plus élevée, correspondant à la présence de matières organiques combustibles, et renferme en outre des quantités plus fortes d'Alumine et d'oxyde de fer. A partir d'échantillons de ces trois Diatomites, on a réalisé des éprouvettes d'un mortier normal confectionné selon la norme NF P 15-403 en utilisant un ciment ordinaire du type CPA 55 dont l'analyse chimique et la composition minéralogique sont les suivantes - Analyse chimique Perte au feu 1,74 0 SiO2 21,15 21,54 A1O3 5,33 5,43 C1O3 2,25 2,29 CaO 63,26 64,43 MgO 0,98 1,00 SO3 n.d. n.d. Na2O 0,08 0,08 K2O 1,16 1,18 P2O5 0,17 0,17 - Composition minéralogique C3S 51,6 C2S 22,9 C3A 10,5 C4AF 7,0 On a effectué des essais en flexion et en compression à 2 jours, 7 jours, 28 jours. A titre d'exemple, une première série d'essais a été effectuée sur deux types d'éprouvettes C7, Cï5, réalisées à partir de l'échantillon ltAT 3 dans des proportions, respectivement de 7 % et de 15 %, dont on a comparé les résistances avec celles d'une éprouvette témoin Ct confectionnée avec le même ciment, mais sans adjonction de Diatomite. Il faut noter qu'un fluidifiant (Naphtalène) a été ajouté dans une proportion de 1,5 % du poids d'eau de gâchage au mélange C15 contenant 15 % de Diatomite. Les résultats ont été les suivants Echéance Ct C7 C15 j2 jours | flexion 1 6,2 1 6,2 1 4,8 t i compression | 31,9 1 30,0 1 25,7 17 jours t flexion 1 7,6 | 7,9 1 7,6 compression 48,3 46,6 45,0 t28 jours t flexion t 8,8 1 9,5 | 10,0 compression 58,1 59,6 63,0 On constate que, dans une proportion de 7 %, la Diatomite permet d'obtenir des résistances au moins du même ordre et même, à 28 jours, un peu supérieures à celles obtenues avec le ciment seul La Diatomite permet donc de réduire la proportion relative de ciment à résistance égale Mais, pour une proportion de 15 % de Diatomite, la résistance obtenue à 28 jours est nettement supérieure. Il faut noter que le matériau MAT 3 a été utilisé à l'état brut de carrière. D'autres essais, encore en cours à la date de dépôt de la présente demande, ont permis de confirmer ces résultats. Ces essais ont été effectués sur des éprouvettes réalisées à partir des mêmes matériaux MAT 1 et MAT 3 ainsi que sur d'autres Diatomites de composition analogue, certaines étant utilisées à l'état brut, d'autres ayant été, auparavant, séchées, broyées ou calcinées. La Diatomite contenant une très forte proportion de silice, deux éprouvettes témoins ont été réalisées, l'une à partir de ciment seul et l'autre à partir d'un ciment additionné de silice industrielle, plus précisément de la fumée de silice. Le tableau donné ci-après indique les résistances obtenues à 1 jour et 7 jours, dune part (colonnes 1 et 2) sur des éprouvettes témoins réalisées respectivement à partir de ciment seul (CS) et avec adjonction de 10 % de fumée de silice (FS) et d'autre part, (colonnes suivantes) sur des éprouvettes réalisées à partir de différentes Diatomites A : Diatomite (MAT 3) séchée et broyée B Diatomite calcinée C : Diatomite séchée broyée D Diatomite brute E : Diatomite brute. Pour tous les échantillons, le rapport E/C du poids d'eau à celui de ciment était de 0,485 et la quantité de Diatomite ajoutée était de 10 % du poids de ciment. En outre1 on a utilisé un superplastifiant à base de Naphtalène dans des quantités indiquées sur le tableau qui donner pour chaque échantillon, les valeurs moyennes, en MPa, des résistances à la compression. E/C= Référence Témoin 0.485 CS 10% FS A B C D E Super 0 4 7 7 8 7 4 mL plasufiant* 1d 8,7 10,3 9,3 10,0 9,1 9,6 8,1 7d 26,7 31,6 30,7 29,3 27,6 30,8 24,7 MPa On constate que, pour la plupart des échantillons, on obtient, dès l'essai à 7 jours des résistances bien supérieures à celles que donne le ciment seul et comparables aux résistances obtenues avec l'adjonction de fumée de silice. Ce produit industriel avait déjà été utilisé pour améliorer la qualité des mortiers ou bétons En analysant le processus d'action de ce produit, on a pu établir que, grâce à leur yranulométrie extrêmement fine, les particules de silice peuvent prendre la place, entre les grains de ciment et de sable, de molécules d'eau excédentaire, c'est-à-tire ne servant pas à l'hydratation du ciment et dont l'évaporation diminue, ensuite, la compacité du béton. Mais la fumée de silice est un produit industriel assez onéreux et dont on ne contrôle pas la granulométrie. Or, l'inventeur a découvert qu'un minéral naturel comme la Diatomite possédait, meme à l'état brut, une granulométrie, certes supérieure à celle de la fumée de silice, mais cependant assez fine pour obtenir les mêmes avantages. De façon surprenante, en effet, comme le montre le tableau précédent, une Diatomite naturelle permet d'obtenir une amélioration de la résistance du mortier du même ordre que celle qui est obtenue avec la fumée de silice et dans les mêmes proportions. L'invention présente un avantage économique considérable car la Diatomite peut être prélevée en carrière pour un coût très inférieur à celui de la fumée de silice. Il faut noter, en particulier, que la Diatomite se présente, à l'état naturel, sous la forme d'une poudre extrêmement fine dont la cohésion s'apparente à celle du ciment et qui peut donc être conditionnée en sacs et déversée directement dans la bétonnière, comme le ciment, pour être mélangée à celui-ci et aux agrégats avant l'addition d'eau. Bien entendu, les conditions d'exploitation dépendront à la fois de la qualité de la Diatomite, puisque c'est un produit naturel et des propriétés que l'on désire obtenir et c'est pourquoi, comme le montrent les tableaux, il pourra aussi être intéressant de broyer la Diatomite et de la sécher au préalable Cependant, il sera suffisant d'obtenir un degré de finesse micronique, c'est-à-dire des particules ayant en majorité une granulométrie de l'ordre du micron et ne dépassant pas une dizaine de microns. En outre, par rapport à la fumée de silice, qui est sombre et influence donc défavorablement l'aspect du béton, la Diatomite présente l'avantage considérable d'avoir, à l'état naturel r une couleur claire ou même différentes couleurs selon les gisements, de telle sorte que son adjonction permet non seulement de ne pas déteriorer l'aspect du béton, mais même, si on le souhaite r de donner à celui-ci des colleurs variées et toujours naturelles selon zen le gisement de Diatomite exploité. Ces propriétés sont liées au fait que la Diatomite est constituée principalement de silice et pourront également être obtenues avec d'autres minéraux naturels siliceux comme la pierre ponce qu'il suffira de concasser jusqu a un degré de finesse micronique. Mais, les Diatomites, en raison de leur origine naturelle qui leur donne une composition particulière comprenant, notamment, de l'Alumine et de l'Oxyde de Fer, présentent encore l'avantage surprenant de pouvoir se substituer à une partie du ciment et même de posséder des propriétés de type pouzzolanique. Ces propriétés dépendent de la nature et de la proportion de la Diatomite utilisée qui peut dépasser 15 %, l'utilisation d'un fluidifiant étant alors nécessaire. On observe ainsi un accroissement des résistances mécaniques des mortiers ou bétons obtenus, l'invention pouvant ainsi être appliquée à la fabrication de bétons de hautes performances. Comme le montrent les tableaux donnés plus haut, il pourra d'ailleurs être intéressant de faire subir une calcination préalable à la Diatomite employée. La réactivité pouzzolanique des Diatomites utilisées selon l'invention a pu être établie par l'essai Chapelle qui consistc à mettre le produit en contact avec une suspension de Ca(OH)2 à 800C pendant plusieurs heures. Des essais réalisés notamment sur les Diatomites MAT 1 et MAT 2 dont les compositions ont été indiquées plus haut, on montré que la capacité de fixation de la Chaux, exprimée en milligrammes de CaO par gramme de produit, pouvait aller de 560 à 590 ce qui traduit une pouzzolanicité très élevée puisque les valeurs moyennes observées sur les pouzzolanes sont habituellement de l'ordre de 300 à 400. On a également mesuré la chaleur d'hydratation, suivant la méthode du calorimètre de Langavant (NF P.15-436), et les dégagements de chaleur mesurés, en Joules par gramme, pour un mortier témoin à base de ciment seul (M) et pour un mortier réalisé à partir d'un mélange contenant 7 % de Diatomite (M7), sont rassemblés dans le tableau suivant Echeance 6h 12h Ij 2j 3j 4j 5j M dégagement de chaleur (joules/g) 96,7 276,3 359,6 364,2 363,3 365,0 367,1 M7 dégagement de haleur (joules/g) 125,2 270,4 351,2 357,9 358,3 359,2 360,4 il apparaît bien au début de la prise une augmentation de la chaleur dégagée montrant une certaine réactivité chimique de la Diatomite On notera aussi que, grâce à sa réactivité pouzzolanique, la Diatomite ajoutée au ciment permet de fixer les ions de Chaux et, plus généralement les alcalins r en diminuant ainsi le risque d'apparition de cristaux néfastes pouvant conduire ultérieurement à des désordres. On voit que l'invention présente de nombreux avantages. Bien entendu, elle ne se limite pas aux seuls types de minéraux qui ont été indiqués à titre d'exemple, d'autres Diatomites ou d'autres minéraux siliceux pouvant avantageusement être utilise. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un mortier ou d'un béton comprenant t en proportions souques, un liant hydraulique, des agrégats solides et des adjuvants éventuels r l'ensemble étant mélangé avec de l'eau pour faire prise, caractérisé par le fait que l'on ajoute au mélange de ciment et d'agrégats une certaine quantité d'un minéral naturel à base de silice et à l'état micronique. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le minéral utilisé est une Diatomite naturelle prélevée en carrière. 3. Procédé selon la revendication X, caractérisé par le fait que le minéral utilisé est une pierre ponce concassée à l'état micronique. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le minéral siliceux se substitue à une partie du ciment et permet d'en réduire la proportion dans le mortier, au moins à résistance égale. S. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que pour une même qualité de ciment, on améliore la résistance du mortier obtenu par adjonction d'un minéral siliceux en quantité suffisante. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la proportion de minéral siliceux ajoutée au mélange de ciment et d'agrégats est d'au moins 7 % du poids de ciment. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la proportion de minéral siliceux ajoutée au mélange de ciment et d'agrégats est d'environ 15 % de la quantité pondérale de ciment. 8. Procédé selon l'une des revendications l à 7, caractérisé par le fait qu'avant d'être ajouté au mélange de ciment et d'agrégats, le minéral siliceux est broyé jusqu'à un degré de finesse du même ordre que celui du ciment. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que l'on utilise une Diatomite à l'état brut de carrière. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait qu'avant d'être ajouté au mélange, le minéral siliceux est séché. 11. Procédé selon la revendication 8, caractérisé par le fait que le mineral siliceux subit une calcination. 12. Procédé selon l'une des revendications précédentes r caractérisé par le fait que le mélange est additionné d'un fluidifiant tel qu'un sulfonate. 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé par le fait que la proportion de fluidifiant est d'environ 1,5 % du poids d'eau. 14. Agrégat pour la fabrication d'un mortier ou d'un béton par gâchage à l'au d'un mélange comprenant, en proportions voulues, un liant hydraulique, des agrégats solides et des adjuvants éventuels, caractérisé par le fait qu'il est constitué d'une certaine quantité d'un minéral siliceux naturel présentant une granulométrie micronique. 15. Agrégat selon la revendication 14, caractérisé par le fait que le minéral siliceux est une Diatomite. 16. Agrégat selon la revendication 14, caractérisé par le fait que le minéral siliceux est une pierre ponce concassée jusqu' une finesse micronique 17. Agrégat selon la revendication t5 caractérisé par le fait que la Diatomite comporte notamment, en pourcentages pondéraux de 75 à 95 % de Si 02 de 1 à 6 % de Al2 03 de 0,5 à 3 t de Fe2 03 de 0,5 à 1 % de CaO ainsi que différents oxydes minéraux en proportions plus réduites. 18. Mortier ou béton caractérisé par le fait qu'il est réalisé par le Procédé selon l'une des revendications 1 à 12. 1.9. Utilisation de Diatomites naturelles pour la fabrication de mortiers ou de bétons par adjonction d'une certaine quantité de Diatomite au melange de ciment et d'agrégats solides avant addition d'eau.