Brevet FR2694283A1 — publié le 19940204

L'invention a pour objet une composition à base de soufre moulable à chaud. L'invention a également pour objet l'application de cette composition à la fabrication d'articles moulés, et plus particulièrement au surfaçage des éprouvettes de béton dans les essais de résistance à la compression. Que ce soit dans le domaine de la préfabrication, du bâtiment, du génie civil ou des routes, les exigences de qualité et les niveaux de performance demandés aux bétons vont croissants Pour la réalisation de grands ouvrages (ponts, tours, etc) et aussi de chantiers plus classiques, on emploie de plus en plus de bétons à hautes performances (BHP), c'est-à-dire des bétons capables de développer une résistance à la compression à 28 jours au moins égale à 60 M Pa Egalement, des bétons à très hautes performances (BTHP), c'est-à-dire capables de développer une résistance à la compression à 28 jours au moins égale à 80 M Pa, ont été développés dans des domaines industriels o leur résistance est un élément déterminant. Les répercussions des propriétés des BHP et BTHP sont multiples tant sur la structure des constructions que sur la durabilité des ouvrages ou les délais d'exécution quand les bétons employés ont un niveau de performance suffisant avec une bonne régularité Il est impératif de respecter ces exigences car sinon la pérennité de l'ouvrage obtenu risque d'être sérieusement compromise, ainsi que la sécurité des personnes devant vivre dans l'environnement de cet ouvrage. Pour éviter d'en arriver à une telle extrémité, il est de pratique courante de contrôler régulièrement les performances des bétons utilisés sur les chantiers, notamment dans des tests de résistance à la compression, ceci afin qu'elle soit en rapport avec la nature du chantier et atteigne assez précisément la valeur exigée. -2- La valeur de la résistance en compression d'un béton est habituellement mesurée sur une éprouvette en béton, généralement cylindrique, que l'on soumet à une contrainte de rupture en compression. La fiabilité de cet essai est d'autant plus grande que l'éprouvette en béton respecte certaines règles: homogénéité de l'éprouvette, un champ de contrainte au mieux uniforme ou au moins symétrique par rapport à l'axe de l'éprouvette. Ce dernier point est atteint si les faces d'appui de l'éprouvette sont planes et perpendiculaires à l'axe et si les plateaux de la presse sont parfaitement plans. Si ces règles ne sont pas respectées, les valeurs de résistance mesurées ne sont pas conformes à la réalité et un contrôle efficace des bétons mis en oeuvre sur un chantier n'est bien entendu plus possible. Dans cet objectif, il importe que la planéité de ces bases mises en contact avec la presse soit la plus parfaite possible. Différentes méthodes de préparation des éprouvettes utilisées dans les essais de résistance en compression sont actuellement bien connues. Une première méthode consiste à rectifier, au moyen d'une meule lapidaire, les bases des éprouvettes Bien que la planéité des surfaces rectifiées soit très bonne et permette d'atteindre des valeurs de résistance conformes à la réalité, cette méthode présente plusieurs inconvé- nients Elle est tout d'abord très longue L'appareil utile à sa mise en oeuvre représente un investissement important et, par ailleurs, nécessite une maintenance et des réglages précis De ce fait, elle est onéreuse. -3- En outre, cette méthode ne peut s'appliquer qu'à des bétons ayant une résistance en compression de l'ordre de M Pa ou supérieure car sinon, il risque de se produire un arrachement de la matrice cimentière. Une deuxième méthode consiste à surfacer les bases de l'éprouvette au moyen d'un mortier de soufre qui, conventionnellement, comprend 60 % en poids de soufre et % en poids de sable Cette méthode est plus économique et plus rapide que la précédente En outre, jusqu'à des niveaux de résistance en compression de 50 M Pa, on ne constate pratiquement pas de différence entre les valeurs mesurées et les deux méthodes précitées. En revanche, au-delà de 50 M Pa, on constate un écart entre les valeurs mesurées et les deux méthodes précitées, qui s'accentue avec l'augmentation des résistances pour devenir inacceptable pour les BHP et les BTHP En d'autres termes, les valeurs mesurées à l'aide de la deuxième méthode ne sont plus conformes à la réalité et, en outre, deviennent plus faibles. Pour surmonter les problèmes posés par les deux méthodes précitées, on a été conduit à mettre au point d'autres méthodes de préparation des éprouvettes destinés à subir des essais d'écrasement. A cet égard, on peut notamment citer la méthode dite de "la boîte à sable", selon laquelle une couche de sable confinée dans une boîte en acier est posée sur les deux bases de l'éprouvette (Bulletin de liaison des Laboratoires des Ponts et Chaussées; 1989; No 164; pages 87-88) Cette méthode offre de bons résultats. Cette méthode est néanmoins relativement complexe aussi bien dans les moyens employés que dans sa mise en oeuvre. Elle nécessite en effet l'achat d'un bâti spécial avec vibrateur pour la mise en place des boîtes en acier et le -4- temps pour préparer une éprouvette est assez long (de l'ordre de 20 minutes). Egalement, pour suppléer aux difficultés occasionnées par les autres méthodes, on a proposé d'utiliser des patins en élastomère, par exemple en néoprène confiné par de l'acier Comme la précédente méthode, celle- ci n'est pas totalement satisfaisante du fait de la complexité des moyens employés et de sa mise en oeuvre. L'invention a donc pour principal objet des moyens ne présentant pas les inconvénients de l'art antérieur précité. En d'autres termes, l'invention vise des moyens qui soient économiques et qui permettent d'atteindre rapidement et précisément la valeur, conforme à la réalité, de la résistance en compression d'un béton jusqu'à un niveau de compression élevé. Pour ce faire, et de façon particulièrement surprenante, on a découvert des compositions à base de soufre qui, contrairement aux mortiers de soufre connus, garantissent l'obtention de bons résultats lors de l'évaluation des BHP et des BTHP. Plus précisément, l'invention a pour objet une composition à base de soufre, moulable à chaud, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins 40 % en poids de soufre et au moins une charge minérale abrasive possédant une dureté au moins égale à celle du corindon et, le cas échéant, un agent pour limiter la décantation de la charge minérale quand la composition est à l'état fondu. Afin que la composition selon l'invention soit suffisamment maniable, la teneur en soufre est avantageusement choisie inférieure ou égale à 60 % en poids de la composition totale. De préférence, la composition selon l'invention comprend au moins 45 % en poids de soufre et, de préférence encore, 2 % en poids de soufre. Quand la composition selon l'invention est destinée à surfacer des éprouvettes dans des essais de compression, on limite avantageusement la taille maximale des grains formant la charge minérale abrasive à une valeur de 0,3 mm Au-delà, en effet, les résultats des essais risquent d'être très dispersés De préférence, cette taille maximale est au plus égale à 0,2 mm, et de préférence encore, elle est de l'ordre de 0,1 mm. Parmi les charges minérales abrasives convenant à l'invention, on peut citer, par ordre de préférence, en partant de la charge procurant les meilleures performances: * le corindon, dont le corindon brun qui est une alumine alpha impure, l'alumine tabulaire qui est une alumine alpha obtenue par frittage, la cuisson suivant une opération d'agglomération, l'alumine A ou alumine alpha obtenue par frittage, le cristalba qui est un corindon pur électro fondu, * le carbure de silicium, * ou des mélanges des charges minérales abrasives précitées. Dans certains cas, il peut être utile d'employer un agent permettant d'éviter la ségrégation des charges minérales abrasives On peut notamment utiliser les silico- aluminates connus comme permettant un maintien en suspension des particules, la proportion de cet agent étant au plus égale à 5 % en poids de la composition totale. -6 - La composition à base de soufre selon l'invention est avantageuse à plus d'un titre: * elle est d'un emploi aisé notamment en raison de sa maniabilité que l'on améliore, si nécessaire, grâce à l'adjonction d'un agent permettant d'éviter les phénomènes de ségrégation et donc de conserver un maintien de l'homogénéité dans le temps De plus, elle constitue un produit prêt à l'emploi, en particulier pour les essais d'écrasement. * elle possède une résistance en compression élevée à 2 h, qui est, selon la norme NF EN 196-1 de Mars 1990 concernant les essais en flexion et compression sur prisme 4 cm x 4 cm x 16 cm, supérieure à 40 M Pa et peut atteindre 60 M Pa ou plus. * elle procure une bonne planéité des surfaçages réalisés sur les éprouvettes de compression. * au cours des essais de résistance en compression d'éprouvettes de béton, elle permet le maintien d'un champ de contrainte au mieux uniforme ou au moins symétrique par rapport à l'axe des éprouvettes Les résultats ont en effet permis d'établir que: pour les compressions 70 M Pa, les résultats obtenus par surfaçage au moyen de la composition selon l'invention ne sont pas dispersés (les écarts entre les valeurs maximales et minimales mesurés sont faibles et n'excèdent pas 8 M Pa). Ceci reste vrai pour des compressions élevées de l'ordre de 125 M Pa Par ailleurs, contrairement à ce que l'on aurait pu prévoir, les meilleures performances ne sont pas atteintes avec le meulage, mais avec la composition selon l'invention. La composition à base de soufre selon l'invention est plus particulièrement utile pour surfacer des éprouvettes de bétons dans les essais d'écrasement Néanmoins, elle peut également être employée pour réaliser des moulages rapides, des calages, du colmatage ou pour réparer des- fissures et des cavités apparues dans des ouvrages en20 béton. Afin de faciliter sa compréhension, l'invention va maintenant être décrite plus précisément au travers d'exemples particuliers.25 Exemples 1 à 6 On a soumis à des essais d'écrasement des éprouvettes en béton dont certaines étaient surfacées avec des mortiers de soufre obtenus à partir des compositions à base de soufre reportées dans le tableau I suivant. -8- ( 1) il s'agit d'un silico-aluminate précipité de formule: 14 Si O 2-1 A 1203-1 Na 2 O-3 H 20. Les compositions précitées ont ensuite été évaluées conformément à la norme NF EN 196-1 de Mars 1990 concernant les essais en flexion et compression sur prisme 4 cm x 4 cm x 16 cm. Les résultats de cette évaluation sont reportés dans le tableau II suivant Les compositions 1 à 7, conformes à l'invention, sont comparées à la composition normalisée (témoin) qui est composée de 60 % en poids de fleur de soufre et de 40 % en poids de sable de Fontainebleau de granulométrie inférieure à 0,5 mm. Réf Soufre Charges minérales abrasives Silico-aluminate (% en % en poids et granulométrie permettant le poids) maintien des matières minérales en suspension (% en poids) 1 50 50 % corindon ( O à 200 microns) 2 49,5 49,5 % corindon ( O à 200 microns) 1 ( 1) 3 48 44 % alumine tabulaire ( 300 à 600 microns) 8 % alumine tabulaire ( 1 54,2 9,6 2 56,5 7,7 3 51,3 6,3 4 61,1 8,4 48,3 6,2 6 51,9 6,6 Les compositions 1 à 6 offrent des résistances en compression élevées rapidement après leur mise en oeuvre.5 Elle sont par ailleurs faciles d'utilisation Avec des bétons possédant une résistance en compression inférieure à 100 M Pa, on constate qu'il n'y a pas de différence significative entre la rectification et le surfaçage réalisé avec les compositions 1 à 6.10 Sur des bétons possédant une résistance en compression supérieure à 100 M Pa, on obtient, avec ces compositions, des résultats très voisins de ceux obtenus par rectification Les résultats offerts par ces compositions15 sont donc très satisfaisants. Exemple 7 Surfacacre des éprouvettes pour essais en compression Afin de connaître l'influence du mode de surfaçage sur les résultats en compression, des essais comparatifs ont été réalisés avec trois modes de surfaçage différents pour des compressions allant de 30 M Pa à 130 M Pa: rectification des surfaces par meulage, * surfaçage normalisé au soufre (NF P 18-416 de Décembre 1981), désigné ci-après sous "mélange normalisé": % de fleur de soufre % de sable composé de sable de Fontainebleau, de granulométrie surfaçage avec une composition conforme à l'inven- tion réalisé dans les conditions de la norme NF P 18- 416 de Décembre 1981, excepté que la composition est chauffée entre 130 et 1350 C pour leur conférer une meilleure maniabilité Cette composition précisée ci- 1 S après est désignée sous "mélange A": 48 % de soufre 44 % d'alumine 28/48 mesh ( 0,600/0,300 mm) 8 % d'alumine Performances mécaniques de ces deux produits Ces deux produits ont été coulés rapidement en 4 x 4 x 16 cm, sans cristallisation interne et, dans chaque cas, nous avons déterminé, une heure après durcissement, la flexion et la compression sur trois prismes conformément à la norme NF EN 196-1 de Mars 1990 concernant les essais en flexion et compression sur prisme 4 cm x 4 cm x 16 cm. En M Pa Flexion Compression mélange normalisé 4,0 28,1 composition selon l'invention 6,3 51,330 On peut remarquer que: * le mélange normalisé est moins performant, * la compression obtenue grâce à la composition selon l'invention est élevée. 11- Comparaison en surfaçage d'éprouvettes béton Pour avoir un large éventail de compression, les six bétons suivants on été réalisés: Bétons siliceux 1 et 2 granulats siliceux ( 0-10 mm) Ciment CPA de dénomination HP LAFARGE 350 kg/m 3 eau: 208 l/m 3 slump: 7 cm à 7 et 28 jours Bétons calcaires 3 granulats calcaires ( 5-10 mm) sable siliceux ( 0-5 mm) Ciment CPA HPR fabriqué par Ciments Lafarge à PORT-LA-NOUVELLE 400 kg/m 3 Plastifiant réducteur d'eau de nom commercial Durciplast fabriqué par Chryso: 2 % en poids rapporté au poids de ciment (mélamine modifiée) eau: 155 1 slump: 20 cm à 28 jours Bétons siliceux 4 et 5 béton très hautes performances avec granulats siliceux 0-8 mm eau: 5,1 % slump: 21 cm à 7 et 28 jours -12- Bétons siliceux 6 béton très hautes performances avec granulats siliceux 0-1 mm et granulats corindon 1-8 mm eau: 4,6 % slump: 23 cm à 28 jours Remarque: slump correspond au test d'affaissement au cône d'Abraham, mesuré selon la norme NF P 18-451 de Décembre 1981. A chaque gâchée, il a été confectionné 15 cylindres de il cm de diamètre par 22 cm de hauteur dont: * 3 ont été rectifiés par meulage, 3 ont été surfacés avec le mélange normalisé, 3 ont été surfacés avec le mélange normalisé de Matériaux et Bétons. Chaque béton a été gâché deux fois, ce qui fait douze gâchées. Après démoulage à 24 h, les cylindres ont été conservés jusqu'à rupture à 200 C et à 100 t d'humidité relative. Les résultats obtenus sont regroupés dans le tableau ci- après. 13 - COMPRESSIONS en M Pa DESIGNATION SURFA AGE DES BETONS MOYENNES Gâchée 1 Gâchée 2 gâchée gâchée 1 1 2 + 2 Béton siliceux 1 Meulage 30,9-31,4-30,9 34,4-35,8-34,2 31,1 34, 8 33,0 à 7 jours Mélange normalisé 33,8-32,6-33,1 36,9-38,0-36,0 33,2 37,0 35,1 Mélange A 31,3-32,5-33,5 35,4-36,6-35,7 32,4 35, 9 34,2 Béton siliceux 2 Meulage 38,841,441,1 45,947,9-46,7 40,4 46,8 43,6 à 28 jours Mélange normalisé 40,1-39,6-39,9 45,745, 845,8 39,9 45,8 42,9 Mélange A 40,240,5-40,4 46,4-43,5-44,6 40,4 44,8 42,6 Béton calcaire 3 Meulage 59,1-58,7-56,3 56,1-61, 8-54,0 58,0 57,3 57,7 à 28 jours Mélange normalisé 62,2-64,5-61, 2 64,7-63,8-65,3 62,6 64,6 63,6 Mélange A 58,8-64,0-61,9 62,4-62, 8-63,5 61,0 62,9 62,3 Béton siliceux 4 Meulage 87,5-89,5-87,4 88,0-88,0-87,7 88,1 87,9 88,0 à 7 jours Mélange normalisé 85,6- 85,1 80,8-82,4-81,2 85,4 81,5 83,5 Mélange A 87,1-89,2-87,7 82,6-82,6-85,2 88,0 83,5 85,8 Béton siliceux 5 Meulage 106,0- 110,1-95,5 113,3-104,0-105,0 103,9 107,4 105,7 à 28 jours Mélange normalisé 107,6-111,1-104,1 103,7-105,1-106,0 107,6 104,9 106,3 Mélange A 110,7-114,5-110,0 112,5-109,5-115,4 111,7 112,5 112,1 Béton siliceux 6 Meulage 131,9-133,7-125,8 125,0-112,0-121,2 130,5 119,4 125,0 à 28 jours Mélange normalisé 121,1-118,3-122,6 123,1-126,5-122, 0 120,7 123,9 122,3 Mélange A 122,4-124,8-123,1 133,1-134,6-129,6 123,4 132,4 127,9 On constate que: * pour les compressions avec le béton de 60 M Pa à granulats calcaires. * pour les compressions > 70 M Pa: -14- les écarts entre maximum et minimum sont plus faibles qu'on aurait pu le penser: à 85 M Pa à 110 M Pa à 125 M Pa écart écart écart 4,5 M Pa 6,4 M Pa ,6 M Pa le mélange normalisé donne pour les trois bétons de moins bonnes performances, * le meulage, attendions, performances, contrairement ne donne pas à ce les que nous meilleures * le mélange A conduit à des performances élevées même à 100 et 125 M Pa. - REVENDICATIONS 1/ Composition à base de soufre, moulable à chaud, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins 40 % en poids de soufre et au moins une charge minérale abrasive possédant une dureté au moins égale à celle du corindon et, le cas échéant, un agent pour limiter, la décantation de la charge minérale quand la composition est à l'état fondu. 2/ Composition selon la revendication 1, caractérisée par le fait que la quantité de soufre est au moins égale à % en poids. 3/ Composition selon la revendication 2, caractérisée par le fait que la quantité de soufre est de 50 2 % en poids. 4/ Composition selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée par le fait que la taille maximale des grains de la charge minérale abrasive est au plus égale à 0,3 mm. 5/ Composition selon la revendication 4, caractérisée par le fait que la taille maximale est au plus égale à 0,2 mm. 6/ Composition selon la revendication 5, caractérisée par le fait que la taille maximale est de préférence de l'ordre de 0,1 mm. 16 - 7/ Composition selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisée par le fait que la charge minérale abrasive est choisie, par ordre de préférence en partant de la charge procurant les meilleures performances: * le corindon, dont le corindon brun qui est une alumine alpha impure, * l'alumine tabulaire qui est une alumine alpha obtenue par frittage, la cuisson suivant une opération d'agglomération, * l'alumine A ou alumine alpha obtenue par frittage, * le cristalba qui est un corindon pur électro fondu, * le carbure de silicium, * ou des mélanges des charges minérales abrasives précitées. 8/ Composition selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée par le fait que la proportion de l'agent permettant de limiter la décantation de la charge minérale abrasive est inférieure à 5 % en poids rapporté à la quantité totale de la composition. 9/ Utilisation d'une composition à base de soufre, moulable à chaud, réalisée selon l'une des revendications 1 à 8, pour le surf açage des éprouvettes de béton dans les essais d'écrasement. / Utilisation d'une composition à base de soufre, moulable à chaud, réalisée selon l'une des revendications 1 à 8, pour le moulage rapide d'articles, le calage, le colmatage ou la réparation de fissures et de cavités.