Brevet FR2763584A1 — publié le 19981127

BETON DE CONFINEMENT DESCRIPTION Domaine de l'invention L'invention concerne le stockage de déchets hétérogènes actifs effectué dans des conteneurs en béton. Elle concerne, en particulier, les déchets radioactifs stockés dans des conteneurs fermés chacun par un bouchon, dans le but de stocker ces déchets, pendant une très longue durée. Art antérieur et problèmes posés On connaît, par la demande de brevet français FR-A-2 709 291, un conteneur de stockage pour déchets toxiques à fermeture étanche et son procédé de fabrication. Le conteneur, qu'il décrit, possède une étanchéité de très longue pérennité vis-à-vis des dilatations thermiques et des chocs mécaniques. Sa fermeture comprend une forme de jonction constituée de plusieurs surfaces inclinées dans trois sens différents pour que le bouchon, qui est coulé sur le corps, soit constamment plaqué contre au moins une de ses surfaces inclinées. D'autre part, l'A.N.D.R.A. (AGENCE NATIONALE POUR LA GESTION DES DECHETS RADIOACTIFS) a imposé un cahier des charges très strict des bétons constituant les corps et les bouchons des conteneurs. En effet, les performances des bétons, utilisés jusqu'à présent, ne sont plus suffisantes, notamment concernant leur durabilité, qui doit être supérieure à trois cents ans. Or, si la géométrie de l'interface bouchon/corps, définie dans la demande de brevet ci-dessus mentionnée, permet d'obtenir un monolithisme indispensable du conteneur, elle nécessite l'emploi d'une formule de béton aux propriétés rhéologiques considérablement supérieures à celles des bétons actuellement utilisés pour la même destination. D'autre part, il faut également tenir compte de nombreuses considérations relatives aux bétons et aux conteneurs actuellement utilisés - Les corps des conteneurs, fabriqués à l'heure actuelle, sont constitués de bétons préfabriqués dans des usines avec des formules de bétons différentes aussi nombreuses que le nombre d'usines. - Les bouchons des conteneurs sont constitués également de béton, mais sont souvent réalisés dans les centrales nucléaires avec des formules de bétons qui ne sont pas les mêmes que celles des corps. - Compte tenu de son ouvrabilité, il ne serait pas a priori raisonnable d'envisager de réaliser un bouchon de conteneur avec la formule du béton utilisé pour le corps. En effet, une différence des moyens de compactage, notamment par vibrations, est à noter dans les usines de préfabrication. Il n'est donc pas possible d'envisager un monolithisme correct du conteneur au niveau de la liaison bouchon/corps avec les bétons actuellement utilisés. - Les formules de bétons actuellement utilisés pour constituer les bouchons et les corps des conteneurs, ne sont pas conformes au cahier des charges de l'A.N.D.R.A., tant au point de vue des performances physiques et mécaniques que de la durabilité (échéance de trois cents ans à satisfaire). - Les formules de bétons, actuellement utilisés, ne sont pas compatibles avec la liaison bouchon/corps définie dans la demande de brevet ci-dessus mentionnée, FR-A-2 709 291, et qui permet d'assurer le monolithisme et la durabilité du conteneur. - Les formules de bétons des bouchons peuvent engendrer des défauts de mise en oeuvre lourds d'investissements pour la mise en conformité avec les normes définies par l'A.N.D.R.A. - Le nombre de formules des bétons et des moyens de mise en oeuvre pour la confection des corps et des bouchons engendre une dispersion importante des performances physiques et mécaniques. Le but de l'invention est donc de proposer une formule de béton respectant le cahier des charges défini par l'A.N.D.R.A., pouvant être appliquée à la fois au corps et au bouchon d'un même conteneur, étant compatible avec la liaison définie dans la demande de brevet sus-mentionnée, pouvant être mise en oeuvre dans tous les cas, quelle que soit la destination du béton, et pouvant être dosée avant sa mise en oeuvre. Résumé de l'invention A cet effet, le but principal de l'invention est un béton de confinement comprenant - du sable constitué en majeure partie de silice et ayant une faible dispersion granulométrique, d'une dimension maximale D déterminée et d'un coefficient d'absorption en dessous de 4 %, de préférence - un liant d'une dimension maximale D déterminée, d'un coefficient d'absorption en dessous de 700 4 % et d'un dosage A définit par A =( ),, comprenant * du ciment à faible aluminate tricalcique et * des additifs très fins de granulométrie inférieure à celle du ciment avec, un dosage de 5 à 33,5 % du ciment en poids, de préférence 10 % ; - de l'eau avec un rapport poids de l'eau P1 = poids du liant pouvant varier de plus ou moins 4 % du dosage initial ; - des adjuvants favorisant la défloculation des éléments fins, ces éléments étant choisis pour que le mélange ne soit pas soumis à une réaction du type alcali. De préférence, le rapport définissant la quantité d'eau P1 est plus petit que 0,33. Il est préférable que la porosité accessible à l'eau après saturation des échantillons et une dessiccation à 105 C soit inférieure à 10% du volume des échantillons. De même, il est préférable que les graviers aient un taux d'absorption en dessous de 4 %, de préférence Il est préférable d'utiliser des additifs ultrafins dont la granulométrie est très inférieure à celle du ciment. Les adjuvants sont de préférence choisis pour être susceptibles de réagir avec le liant. De préférence, le ciment doit être compatible avec les milieux à haute teneur en sulfate. On peut également utiliser des polymères pour modifier la liaison entre les différents constituants. Enfin, on peut également rajouter des fibres. Description détaillée d'une réalisation précise de l'invention Dans la réalisation préférentielle du béton de confinement selon l'invention, de nombreux constituants rentrent dans sa composition, environ une dizaine. Néanmoins, quatre constituants sont indispensables et sont : le sable silicieux, le liant constitué de ciment et d'additifs très fins, l'eau et des adjuvants favorisant la défloculation. On note que ces éléments sont choisis pour que le mélange ne soit pas soumis à la réaction du type alcali. Dans la réalisation préférentielle du béton selon l'invention et dans les variantes possibles, d'autres constituants peuvent intervenir. On pense notamment à des graviers, des additifs ultrafins, c'est-à-dire beaucoup plus fins que les additifs rentrant dans la composition du liant, des adjuvants destinés à améliorer certains aspects du béton tel qu ' un retardateur ou éventuellement un accélérateur, des polymères ou constituants organiques pour modifier les liaisons entre les différents constituants et éventuellement des fibres. Concernant le sable silicieux, celui-ci doit être constitué en majeure partie de silice (SiO2) par exemple à raison de 95%. De plus, il est indispensable que ce sable ait une faible dispersion granulométrique. Cette dernière se définit par rapport aux différents tamis utilisés pour couvrir toute la plage de dimensions ou de tailles des grains de ce sable. Plus précisément, si, d'un tamis à l'autre, la taille augmente d'un facteur égal à 2, la dispersion cumulée résultante ne doit pas dépasser une amplitude de 55% du sable ayant servi à déterminer la dimension des grains sur une plage totale d'accroissement qui est de 62,5 entre la plus petite et la plus grande dimension. En d'autres termes, si D est la dimension maximale des grains et d la dimension minimale des grains, D/d = 62,5. On note que la dimension maximale D des grains est déterminée et ne doit pas dépasser 5 mm. De plus, on note que la dispersion maximale sur une plage de rapport moins élevé sera donc d'amplitude notoirement moins importante. Le deuxième constituant essentiel du béton selon l'invention est un liant constitué de ciment et d'additifs très fins. Le ciment est du type à faible aluminate tricalcique. Les additifs très fins sont du type fumée de silice ou équivalents et d'une granulométrie inférieure à celle du ciment. Plus exactement, la dimension du tamis qui représente 508 de grains passant doit être inférieure à celle du tamis qui représente également 50% de grains passant pour le ciment. D étant la dimension maximale des constituants du béton ou matériau, le dosage A de ce dernier en 700 kg/m3 est égal à A = en liant équivalent. (1,25.D)1/5 La notion de liant équivalent est à appliquer lorsque des ajouts sont utilisés dans la composition de ce liant. En effet, certains de ces ajouts sont affectés d'un coefficient K dont il faut tenir compte lors du calcul du dosage minimal du liant. Ainsi, si L est la quantité de liant à obtenir, C la quantité de clinker, aj la quantité des ajouts contenus dans le ciment, Ai les quantités d'additions rajoutées et ki le coefficient d'équivalence de chacun de ces additions, le dosage de ce liant, dit liant équivalent, sera défini par la formule suivante L=C+aj+ki . Ai. A titre d'exemple, les différents additions peuvent être des laitiers vitrifiés, moulus, de hautfourneau (ki=0,9), des cendres volantes de houille (ki=0,4), des fumées de silice (ki=2), des fines ou fillers calcaires (ki=0,3). On note que pour le cas des ciments composés ou dits "pouzzolaniques", les ajouts aj peuvent également être affectés d'un coefficient kj. Le troisième constituant important est l'eau dont la quantité est définie par le rapport P1 du poids de l'eau sur le poids de liant. Ce dosage est défini par la formule suivante poids de 1' eau P1 = poids du liant De plus, on signale que le poids en eau peut varier de plus ou moins 4 % du dosage initial, ceci constituant une fourchette de dosage pour lequel le béton selon l'invention garde son efficacité. Le quatrième constituant principal est constitué des adjuvants favorisant en particulier la défloculation des éléments fins. Les adjuvants n'interviennent pas dans le calcul du liant équivalent. Une des conditions optimales d'efficacité est que la porosité des échantillons, après une saturation et une dessiccation à 105"C, soit inférieure à 10% du volume des échantillons. Concernant ces quatre constituants principaux, ces derniers et leurs dosages doivent être choisis pour qu'aucune réaction du type alcali ne puisse avoir lieu. Le dosage des différents constituants du béton selon l'invention, défini par les formules, rapports et proportions, doit être respecté à plus ou moins 2% en poids pour que le béton garde son efficacité optimale. Parmi les additifs du liant, on peut rajouter les additifs ultrafins, c'est-à-dire dont la granulométrie est bien inférieure à la granulométrie des autres éléments constituant le liant. On pense en particulier à de la silice soluble ou du quartz broyé. I1 est également possible de procéder à l'adjonction de graviers de dimensions plus importantes que les éléments constituant le sable et pouvant être de nature minéralogique différente. D'autres adjuvants peuvent être prévus pour améliorer la durée pratique d'utilisation du béton, par exemple en utilisant un retardateur de prise. Concernant le ciment, il est également profitable d'utiliser un ciment compatible avec les milieux à haute teneur en sulfate tel que le "ES". D'autres ciments définis dans la norme NFP15-301, ou équivalente pour d'autres pays, peuvent être utilisés. Dans le but d'améliorer la liaison entre les différents constituants du béton, il est également possible de procéder à l'adjonction de polymères ou de constituants organiques agissant sur les interfaces des différents constituants. Des traitements thermiques peuvent être appliqués au béton. On signale également qu'il est très préférable de procéder au compactage du béton au moyen de vibrations. Il est également préférable de protéger le béton contre la dessiccation au moyen d'un produit dit "de cure" ou tout autre moyen, ceci pendant la première phase d'hydratation. Concernant le malaxage des différents constituants du béton, celui-ci peut être réalisé en trois étapes. La première consiste à effectuer un malaxage à sec de tous les constituants solides. La deuxième consiste à effectuer un malaxage avec l'eau, l'éventuel constituant retardateur, comme le "Chrytard" et une partie des adjuvants destinés à la défloculation. La troisième étape est un malaxage avec le reste de l'adjuvant défloculant. Un des exemples de réalisation du béton de confinement selon l'invention est donné par la liste suivante de composants et de leur masse en kilo. - 1 145 kg de graviers ; - 746 kg de sable constituant les sables silicieux de taille différente - du ciment artificiel du type "Portland" - 40 kg de fumée de silice, densifiée ou non - 131,5 kg d'eau - 6 à 10 kg d'adjuvants pour la défloculation tel que du "Durciplast" ou résine GT qui est un plastifiant réducteur d'eau ou un fluidifiant - un retardateur du style "Chrytard" à raison de 0 à 1,2 kg. Il faut préciser que le dosage des constituants doit être réalisé au maximum à plus ou moins 2% des valeurs indiquées en poids pour assurer une dispersion minimale. Il est très avantageux et souvent pratique de procéder au préalable, dans les différents lieux de fabrication des constituants, au conditionnement de chacun d'eux dans des conteneurs ou des sachets adaptés et comportant une formule de référence. Ceci permet donc un transport et un stockage de ces différents constituants même si le stockage peut avoir une très longue durée. Avantages de l'invention Le béton selon l'invention permet de respecter le cahier des charges définies par 1 'A.N.D.R.A. Il permet également de satisfaire aux conditions et critères de durabilité qui sont d'au moins 300 ans. Il permet également d'utiliser la même formule de constitution à la fois pour le corps d'un conteneur comme pour son bouchon. On signale qu'il est particulièrement bien adapté pour être appliqué au conteneur et au bouchon défini par la demande de brevet français publiée sous le numéro 2 709 291 par le demandeur et dont le titre est : "Conteneur de stockage de déchets toxiques et son procédé de fabrication". Ce béton a une dispersion extrêmement faible de sa granulométrie, grâce aux grands nombres de constituants différents. La durée pratique d'utilisation du béton, notamment lorsqu'il est conditionné lors de sa fabrication pour la mise en oeuvre modulable en fonction de la destination, est variable. Ceci est dû en grande partie aux sachets contenant des doses déterminées de chacun des constituants. Le béton selon l'invention possède une faible exothermie, ce qui permet de limiter son endommagement. Le domaine de validité de la formule de ce béton est très large, ce qui permet, en cumulant les variations simultanément de la partie solide et de la partie liquide de conserver les propriétés rhéologiques indispensables à une mise en oeuvre correcte du béton. Ce dernier est très peu sensible aux vibrations à très hautes fréquences qui engendrent habituellement des défauts imputables à la mauvaise répartition des éléments soumis à la seule gravité. Le niveau des performances mécaniques et physiques de ce béton est augmenté par rapport aux formules précédemment utilisées. Sa composition est compatible avec tous les moyens de compactage actuellement utilisés, par exemple les vibrations à l'aiguille, les tables vibrantes, les coffrages vibrants. Elle est également compatible avec tous les types de dispositifs de malaxage habituellement utilisés dans le domaine du bâtiment et des travaux publics. La tenue aux agents agressifs est considérablement améliorée, notamment grâce à l'aspect silicieux du liant qui est d'une compacité très élevée, d'une perméabilité très faible et d'une porosité également très faible. L'ouvrabilité du béton est satisfaisante. Celle-ci est un facteur de sécurité important quant aux dosages, puisque elle permet de ne pas modifier ces dosages pour faciliter la mise en oeuvre du béton. On précise que le béton selon l'invention provoque un affaissement supérieur à 20 cm, lors du test dit du "château de sable" ("slumptest"). La maîtrise de la teneur en eau du béton qui conditionne les niveaux de performances est assurée par le dosage des matériaux secs. La large plage d'utilisation des adjuvants utilisés permet de s'engager à très longs termes sur la reproductibilité des performances rhéologiques, mécaniques et physiques et de durabilité. L'origine des matériaux constituant le béton selon l'invention est parfaitement définie, mais peut être modifiée, dans la mesure où les propriétés de ce matériau sont équivalentes et n'interfèrent pas sur les caractéristiques rhéologiques, mécaniques et physiques. Le béton selon l'invention permet de construire des objets de taille importante. Il permet de couler le bouchon du conteneur en une seule fois. Il permet de présenter un front de dégradation régulier. Il bénéficie d'une bonne désaération due à la viscosité de la matrice et de la différence de densité des différents constituants qui favorisent la remontée de l'air. L'absence éventuelle de fibres facilite la désaération et la durabilité du béton. Le rapport eau/ciment est suffisamment bas pour éviter la porosité. On note une absence d'auréole de transition autour des granulats. Enfin, on note également la possibilité de cicatrisation d'éventuelles fissures par un développement d' hydrates. REVENDICATIONS 1. Béton de confinement comportant - du sable constitué en majeure partie de silice ayant une faible dispersion granulométrique - un liant d'une dimension maximale D déterminée, d'un dosage A définit par A 700 (1,25.D)I/s * du ciment à faible aluminate tricalcique * des additifs très fins de granulométrie inférieure à celle du ciment avec un dosage de 5 à 33,5 % du ciment en poids - de l'eau avec un rapport du poids de l'eau sur le poids de liant P1 plus petit que 0,4 ; poids de 1' eau poids du liant pouvant varier de plus ou moins 4 % du dosage initial ; et - des adjuvants favorisant la défloculation des éléments fins, ces éléments étant choisis pour que le mélange ne soit pas soumis à une réaction du type alcali. 2. Béton de confinement selon la revendication 1 dont le rapport du poids de l'eau sur le poids du liant P1 est plus petit que 0,33. 3. Béton de confinement selon la revendication 1 dont la porosité accessible à l'eau, après saturation des échantillons et dessiccation à 105"C, est plus petite que 10% du volume des échantillons. 4. Béton de confinement selon la revendication 1 comprenant des graviers ayant une absorption en dessous de 4 %. 5. Béton de confinement selon la revendication 1 comprenant des additifs ultrafins dont la granulométrie est très inférieure à celle du ciment. 6. Béton de confinement selon la revendication 1 comprenant des adjuvants susceptibles de réagir avec le liant. 7. Béton de confinement selon la revendication 1 dont le ciment est compatible avec les milieux à haute teneur en sulfate. 8. Béton de confinement selon la revendication 1 comprenant des polymères pour modifier les liaisons entre les constituants. 9. Béton de confinement selon la revendication 1 comprenant des fibres ajoutées. 10. Béton de confinement selon la revendication 1 comprenant un adjuvant retardateur.