Brevet FR2707977A1 — publié le 19950127

L'invention concerne la préparation d'éléments en béton ayant une résistance à la compression d'au moins 400 MPa et une énergie de fracturation d'au moins 1 000 J/m2, préfabriqués ou coulés in- situ. Selon rinvention, pour obtenir un tel béton, - on malaxe un mélange comportant Ies proportions suivantes, exprimées en parties en poids (p): a) 100 p de ciment Portland, b) 30 à 100 p, ou mieux 40 à 70 p. de sable fin ayant une grosseur de grains d'au moins 150 micromètres, c) 10 à 40 p. ou mieux 20 à 30 p, de silice amorphe ayant une grosseur de grains inférieure à 0,5 micromètres, d) 20 à 60 p. ou mieux 30 à 50 p. de quartz broyé ayant une grosseur de grains inférieure à 10 micromètres, e) 25 à 100 p, ou mieux 45 à 80 p, de laine d'acier, f) un fluidifiant, g) éventuellement d'autres adjuvants, h) 13 à 26 p, ou mieux 15 à 22 p. d'eau, - et, après la prise du mélange, on cure le béton à une température au moins égale à 250'C pendant une période de temps suffisante pour transformer les produits d'hydratation du ciment en hydrates cristallins de type xonotlite, de façon à éliminer la quasi- totalité de l'eau libre et au moins la majeure partie de l'eau absorbée et chimiquement liée. L'utilisation de granulats de sable en particulier de sable siliceux, procure une adhérence élevée à rinterface granulats / pate de ciment, de silice et d'eau. Il est connu de chauffer le béton en autoclave pour transformer les hydrates amorphes du béton de type [CaO SiO2, H201], en un hydrate cristallin appelé tobermorite dont la formule est [CaO]5 [SiO216, [H201]5, mais cette technique ne constitue pas une solution satisfaisante au présent problème car la tobermorite comporte cinq fois plus d'eau que la xonotlite dont la formule est [CaO]6 [SiO216 [H2011 -. En outre, l'invention vise à fournir un procédé tel que la transformation du produit d'hydratation du ciment puisse être obtenu par un simple chauffage, dans les conditions ambiantes de pression et d'hygrométrie. Dans un mode de réalisation particulier du procédé de l'invention, on prépare un béton de porosité cumulée inférieure à 0,01 cm3/gramme (telle que mesurée au porosimètre à mercure), contenant du quartz broyé et de la laine d'acier constituée de copeaux d'acier broyés et, après la prise, on soumet ce béton à une température d'au moins 250 C, de préférence d'au moins 400 C, dans les conditions ambiantes de pression et d'hygrométrie, pendant un temps suffisant pour obtenir et transformer des produits d'hydratation du ciment en hydrates cristallins de type xonotlite. La vapeur d'eau dégagée au cours du chauffage reste confinée au coeur du béton en raison de la faible porosité de ce dernier; le quartz broyé favorise la formation d'hydrates cristallins plus riches en CaO que les hydrates amorphes et les copeaux d'acier donnent à la matrice une résistance suffisante dans la phase transitoire pendant laquelle la pression de vapeur d'eau dans les pores est maximale. Dans ces conditions, la vapeur d'eau emprisonnée réalise au sein du béton des conditions hydrothermales nécessaires à la transformation des hydrates amorphes ou semi-cristallins en cristaux de xonotlite. La durée de la cure est généralement de plusieurs heures. Un programme de cure typique est représenté sur la fig. 1. En pratique, on peut accélérer la cure en utilisant des températures plus élevées. Dans des modes de réalisation préférée, le procédé de l'invention présente encore une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - on incorpore au mélange 0,6, ou mieux au moins 1,4 p en poids d'un superplastifiant; - on utilise une laine d'acier constituée de copeaux d'acier broyés de 1 à 5 mm (taille de la grille de coupe au broyeur). - on utilise un ciment Portland CPA, PMES ou HTS (haute teneur en silice), - on utilise du sable fin ayant une grosseur de grain inférieure à 800 micromètres, de préférence dans la gamme 150 - 400 micromètres, - on soumet le béton frais, pendant sa prise, à une pression de serrage d'au moins 5MPa ou mieux d'au moins 50 MPa. Lorsqu'on ajoute au mélange des fibres métalliques cylindriques et lisses de diamètre inférieur à environ 500 micromètres, et de longueur comprise entre 4 et 20 mm, on améliore dans des proportions considérables la résistance en flexion et l'énergie de fracturation. On a pu ainsi obtenir une résistance en flexion de 141 MPa et une énergie de fracturation de 30 000 J/m2. Cette valeur est plus de 200 fois supérieure à celle obtenue pour les bétons traditionnels, et elle est plus de 15 fois supérieure à celle obtenue avec le béton selon rinvention, mais ne comportant pas de fibres métalliques. Cette valeur élevée de l'énergie de fracturation, confère au matériau une ductilité importante. L'invention sera encore expliquée ci-après sur des exemples en référence aux figures du dessin joint sur lequel: - la fig. 1 est un graphique d'une séquence de cure thermique, - la fig. 2 est une courbe de la perte d'eau d'un béton selon invention en fonction de la température de cure, - la fig. 3 est une courbe de la résistance à la compression d'un béton selon rinvention en fonction du taux d'eau résiduelle, - la fig. 4 est une micrographie par balayage électronique montrant la microstructure d'un béton selon l'invention, et - la fig. 5 est une vue d'une tête d'ancrage de cables de précontrainte obtenue selon rinvention. EXEMPLE 1 On prépare des échantillons de béton en malaxant un mélange contenant sensiblement, pour 100 p en poids de ciment Portland: p. de sable fin (grosseur de grains 150 - 400 micromètres), 23 p. de silice amorphe (grosseur de grains inférieure à 0,5 micromètres), 39 p. de quartz broyé (grosseur de grains inférieure à 10 micromètres), 2p. de superplastifiant (extrait sec), 63p. de laine d'acier inoxydable AISI 430 broyée à 3 mm (taille de la grille de coupe au broyeur), commercialisée par la société GERVOIS, 18 p d'eau. Le superplastifiant est par exemple de type polyacrylate, mélamine ou naphtalène. On cuit ces échantillons à différentes températures et on mesure la dessication des éprouvettes. On constate (fig. 2) que cette dessication augmente faiblement avec la température de cure jusqu'à 220 C et au-delà de 250 C. Par contre, cette dessication est intense aux environs de 230-240 C. Cette température correspond à la transformation des hydrates amorphes, semi-cristallins et de tobermorite en xonotlite. Pour que cette transformation s'effectue complètement, il convient donc de cuire l'échantillon à une température égale ou supérieure à 250 C. Les conditions de cure conduisent à exposer les copeaux d'acier à des conditions de haute température associée à une forte humidité. Malgré le confinement dans la matrice cimentaire, les copeaux d'acier ordinaire sont sévèrement corrodés. Les oxydes de fer résultant de cette corrosion sont visibles sur les parements de l'échantillon. Dans le cas d'utilisation d'acier inoxydable, la corrosion est beaucoup plus limitée et aucune trace de rouille n'apparaît sur le parement. Les performances mécaniques du béton de rinvention peuvent être améliorées en appliquant à l'échantillon de béton frais, une pression de serrage comprise entre 5 et 50 MPa. Cette pression a pour objet de supprimer la porosité de réchantillon due à l'air occlus, et de diminuer la teneur en eau du béton frais par essorage. On observe par exemple, les résultats indiqués dans le tableau ci-après: 8 RESISTANCES A LA COMPRESSION TEMPERATURE DE CURE 2500C 4000C Echantillon standard 488 MPa 524 MPa Echantillon comprimé pendant la prise 631 MPa 673 MPa Le béton traditionnel est caractérisé par sa résistance à 28 jours, mesurée sur cylindre. Les bétons courants ont des résistances en compression, comprises entre 25 et 45 MPa. Les bétons dits à haute performance ont des résistances de 50 à 60 MPa. Les bétons dits à très hautes performances ont des résistances qui peuvent dépasser légèrement 100 MPa. Les résistances obtenues avec le béton de l'invention sont comprises entre 400 et 680 MPa. Des essais en flexion trois points sur éprouvettes 4 x 4 x16 entaillées, ont permis de mesurer des énergies de fracturation allant de 1200 J/m2 à 1800 J/m2, alors que les bétons courants, les bétons à haute performance et les bétons à très hautes performances ont tous des énergies de fracturation inférieures à 150 J/m2. Des essais sur éprouvettes cylindriques de 7 cm de diamètre et 14 cm de hauteur, pressurisées et cuites à 400 C ont donnés les résultats ciaprès: Résistance à la compression 490 MPa à 680 MPa Résistance à la traction (par flexion) 45 MPa à 141 MPa Energie de fracturation 1200 J/m2 à 2000 J/m2 Module de Young 65 GPa à 75 GPa La fig. 4 est une micrographie au microscope à balayage électronique montrant la micro structure d'un béton préparé selon l'invention et qui présente une fracturation. On voit que cette dernière s'est produite à une certaine distance de l'interface pâte / aggrégat. Ceci illustre radhérence élevée à rinterface. Le béton de rinvention permet de réaliser des pièces en remplacement de racier: tête d'ancrage de câbles de précontrainte, panneaux de protection contre les projectiles, etc. EXEMPLE II - Caractérisation par la mécanique de la rupture La très haute résistance en traction du béton de rl'invention est obtenue par ajout de fibres d'acier et par traitement thermique. La caractérisation du matériau par la mécanique de la rupture nécessite la confection de corps d'épreuve prismatiques instrumentés qui sont soumis à des essais de flexion. La formulation utilisée pour la réalisation des éprouvettes est la suivante (en parties en poids): Ciment Portland Type V................................................... .. 1 Microsilice de l'industrie du zirconium (diamètre moyen 0,5,um).... DTD: ....................................................... 0.23 Quartz broyé (diamètre moyen 4micromètres).............................0.39 Sable (diamètre max. 0.5 mim)............................................. .DTD: . 0.5 Laine d'acier (comme dans rl'exemple I)........................... DTD: ........... 0.25 Fibres d'acier (longueur 12.5 mm, diamètre 0,150 mm).... DTD: ........... 0,4 Superplastifiant polyacrylate (extrait sec).............. DTD: ................. 0,02 Eau............................................... DTD: ....................................... 0.21 Le mélange est réalisé dans un malaxeur de laboratoire à hautes performances. L'introduction des fibres et de la laine d'acier nécessitent une attention particulière. Les paquets de fibres forment..DTD: des défauts majeurs dans le matériau, fragilisant la structure. Le béton est compacté dans des moules prismatiques sur une table vibrant à la fréquence de 50 Hz. Les éprouvettes non comprimées nécessaires pour la caractérisation de la résistance en traction par flexion ont une dimension normalisée de 4 x 4 x 16 cm, les éprouvettes pour la caractérisation de rénergie de fracturation de 7 x 7 x 28 cm. La dimension des éprouvettes prismatiques comprimées pendant la prise est de 3 x 3 x 12 cm. La pression appliquée est de 581 bars. Les éprouvettes ont subi après le démoulage une cure à 90 C suivie d'une cure à 250 C. La résistance en traction est mesurée par un essai de flexion en trois points. L'énergie de fracturation est mesurée sur une éprouvette entaillée. L'essai nécessite la mesure de la flèche et de la force appliquée ce qui permet de déterminer la surface sous la courbe de contrainte-déformation correspondant à l'énergie de fracturation. Les résultats mesurés sont résumés dans le tableau ci-dessous: Rf [MPa] Gf [J/m21 Comprimé 141 29 600 Non comprimé 108 25 400 EXEMPLE HI - Tête d'ancrag e de câble de précontrainte Des têtes d'ancrage de précontrainte 22T15 ont été réalisées en béton par coulage du béton selon l'invention dans une couronne conique extérieure en acier utilisée comme coffrage perdu (fig. 5). Le béton utilisé pour ces têtes d'ancrage est composé des éléments suivants; Ciment Portland Type V...................................... ..................... 1 Fumée de silice (diamètre moyen 0.7 micromètres)......................0,23 Quartz broyé (diamètre moyen 10 micromètres)...........................0,39 Sable (diamètre moyen 0,25 mm)............................................... 0,5 Laine d'acier (comme dans rexemple I)..................................... 0,63 Superplastifiant polyacrylate (extrait sec)............................... .DTD: .. 0,26 Eau.............................................................. DTD: ...........................0.21 Un malaxeur à hautes performances facilite la défloculation des éléments les plus fins introduits. La procédure de malaxage dure six minutes et se décompose en quatre phases principales: 0' Début de malaxage des composants secs, sans les fibres 1'30" Introduction de rl'eau de gâchage et d'une moitié de rl'adjuvant 2'30" Introduction de la seconde moitié de radjuvant 4' Introduction de la fibre..DTD: 6' Fin de malaxage. Le module métallique, composé du cylindre conique en acier, d'un fond de moule et des réservations tronconiques pour le passage des torons, est rempli de béton par vibration. Le remplissage du moule est suivi d'une compression du béton frais qui est maintenue pendant le temps de prise du béton. La pression appliquée est de rordre de 500 bars. Le démoulage de rl'ancrage consiste à retirer le fond du moule et les pièces coniques utilisées pour les réservations. L'ancrage démoulé est soumis à un cycle de cure qui comprend un passage à C, suivi d'un cycle à 250 C. La résistance en compression mesurée sur des éprouvettes de contrôle réalisées en parallèle ont donné des résultats supérieur à 600 MPa avec un maximum à 673 MPa. L'intérêt d'une tête d'ancrage de câble de précontrainte en béton selon l'invention est multiple: - une économie importante est réalisée sur l'usinage de la pièce conventionnelle en acier, - le contact des clavettes de serrage est amélioré comparé aux solutions existantes, - la masse totale de la tête d'ancrage est très inférieure à celle des ancrages traditionnels en acier, facilitant la mise en oeuvre sur chantier. L'invention n'est pas limitée à ces exemples. REVENDICATIONS 1. Procédé pour obtenir un béton ayant une résistance à la compression d'au moins 400 MPa et une énergie de fracturation d'au moins 1 000 J/m2, caractérisé en ce qu'il comporte les opérations consistant à malaxer un mélange comprenant les proportions suivantes, exprimées en parties en poids (p): a) 100 p. de ciment Portland, b) 30 à 100 p., ou mieux 40 à 70 p., de sable fin ayant une grosseur de grains d'au moins 150 micromètres, c) 10 à 40 p. ou mieux 20 à 30 p. de silice amorphe ayant une grosseur de grains inférieure à 0,5 micromètres, d) 20 à 60 p. ou mieux 30 à 50 p., de quartz broyé ayant une grosseur de grains inférieure à 10 micromètres, e) 25 à 100 p., ou mieux 45 à 80 p. de laine d'acier, fi un fluidifiant, g) éventuellement d'autres adjuvants, h) 13 à 26 p., ou mieux 15 à 22 p., d'eau et après la prise du mélange, à cuire le béton à une température d'au moins 250 C pendant un laps de temps suffisant pour transformer les produits d'hydratation du ciment en hydrates cristallins de type xonotlite, de façon à éliminer la quasi- totalité de l'eau libre et au moins la majeure partie de rl'eau adsorbée et chimiquement liée. 2. Un procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le sable fin a une grosseur de grain inférieur à 800 micromètres. 3. Un procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le sable fin a une grosseur de grain dans la gamme 150-400 micromètres. 4. Procédé selon rune des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on utilise une laine d'acier constituée de copeaux d'acier broyés de 1 à 5 mm (taille de la grille de coupe au broyeur). 5. Procédé selon rune des revendications 1 et 4, caractérisé en ce qu'on utilise une laine d'acier inoxydable. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit mélange contient au moins 0,6 p., ou mieux au moins 1.4 p en poids d'un superplastifiant. 7?. Un procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que rl'on incorpore au mélange des fibres métalliques cylindriques et lisses ayant une longueur de 4 à 20 mm, de préférence 10 à 14 mm, et un diamètre inférieur à 500 micromètres, de préférence dans la gamme 100- 200 micromètres, le volume de ces fibres étant 1 à 4%, ou mieux 2 à3% du volume du béton après la prise. 8. Procédé selon rune des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit mélange contient sensiblement (en poids), pour 100 p. de ciment Portland, 50 p. de sable, 23 p. de silice, 39 p de quartz 2p. de superplastifiant, 63 p. de laine d'acier, 18 p. d'eau. 9. Procédé selon rl'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'on cure le béton à une température au moins égale à 250 C, ou mieux au moins égale à 400 C, à la pression ambiante et à lhygrométrie ambiante. 10. Procédé selon rune des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que ron soumet le béton frais pendant la prise à une pression d'au moins 5 MPa, ou mieux, d'au moins 50 MPa. 11. Les mélanges pour préparer un béton, tels que définis dans l'une des revendications 1 à 8. 12. Les éléments en béton préparés par un procédé selon rune des revendications 1 à 10.