Brevet FR2805533A1 — publié le 20010831

La présente invention concerne des compositions de béton ou mortier résistant à de très hautes températures, à l'état sec et divisé, prêtes à l'emploi, désignées par la pratique sous le terme de il premix". L'invention concerne aussi des pâtes de béton ou mortier en vrac, susceptibles d'être débitées à la demande, telles que produites par une centrale à béton. L'invention concerne également tout ouvrage ou élément de construction, susceptible d'être obtenu avec une telle pâte. Et l'invention concerne plus particulièrement des conduits de cheminée, ou fumées, susceptibles d'être obtenus à partir de compositions ou de pâtes telles que précédemment définies. S'agissant de mortiers, la présente invention s'intéresse plus particulièrement à des mortiers réfractaires. La norme française XP P 51-321 relative aux conduits de fumée exige, pour les bétons résistant à la chaleur, et plus spécifiquement pour un conduit en béton résistant à un feu de cheminée, que ceux-ci satisfassent aux spécifications de résistance thermique correspondant à leur classification, par exemple classe T 400, et de plus supportent un choc thermique complémentaire de 1000 C pendant 30 minutes, sans que la perméabilité à l'air ne dépasse les 3 litres/s/mz. Parmi les granulats pouvant être utilisés conformément à cette norme, figurent notamment la pouzzolane, ou les granulats de type pouzzolane. Conformément à la demande de brevet 98.14296 du 9 Novembre 1998 au nom de la Demanderesse, on a précédemment décrit et proposé une composition, prête à l'emploi, à l'état sec et divisé, comprenant un ciment alumineux ou fondu, des fibres de verre alcali- résistantes, dans une proportion pondérale comprise entre 0,125 et 4 en poids, ayant un diamètre compris entre 12 et 20 pm, et une longueur comprise entre 12 et 50 mm, ainsi qu'éventuellement un granulat, et ce pour obtenir un béton résistant à de très hautes températures. On a maintenant découvert qu'on obtenait un béton ou mortier ayant sensiblement les mêmes performances thermo-mécaniques que celles d'un béton ou mortier conforme à l'objet de la demande de brevet précitée, en remplaçant le ciment alumineux par un ciment Portland artificiel (en abrégé CPA), mais à la condition de le combiner à ou de lui adjoindre un adjuvant entraîneur d'air. Par ciment Portland artificiel , on entend tout ciment répondant à la définition et aux caractéristiques de la norme française NF P 15 301. Par adjuvant entraîneur d'air , on entend tout agent ayant pour fonction de développer dans un béton ou mortier, de fines bulles d'air uniformément réparties, et qui subsistent après durcissement (cf. norme française pr EN 934-2). Ces adjuvants sont généralement des acides gras ou des produits sulfinés. Lorsqu'on utilise l'expression granulat , dans la description ci-après, on vise tous matériaux minéraux, d'origine naturelle ou non, éventuellement sous forme de fines. Cette découverte est particulière pour deux raisons - II est connu qu'un ciment CPA perd normalement ses propriétés de liant hydraulique à partir de 480 C ; au-delà de cette température, l'emploi d'un ciment alumineux, ou fondu, est obligatoire, - Les adjuvants entraîneurs d'air n'ont jamais été employés, ni préconisés, pour des bétons ou mortiers exposés à des hautes températures ; au contraire ces adjuvants ont plutôt été recommandés pour des bétons soumis à des cycles gel/dégel. La présente invention concerne de manière générale une composition pour béton ou mortier résistant à de hautes températures, prête à l'emploi, et à l'état sec et divisé. Une composition selon l'invention comprend un ciment Portland artificiel (en abrégé CPA), combiné avec un adjuvant entraîneur d'air, et un granulat. Préférentiellement, le ciment CPA représente au moins 10, et préférentiellement entre 12 et 45 % en poids de ladite composition, avec granulat. A titre d'exemple, l'adjuvant entraîneur d'air représente au moins 0,1, et préférentiellement entre 0,1 et 0,25 % en poids du ciment CPA. La composition selon l'invention comprend, de plus, des fibres de verre alcali-résistantes, ayant préférentiellement un diamètre compris entre 12 et 20,pm, et par exemple une longueur comprise entre 12 et 50 mm. Ces fibres de verre représentent par exemple une proportion pondérale comprise 0,125 et 5 %, en poids du ciment CPA. La composition selon l'invention peut comprendre une quantité de granulat de type pouzzolanne, comprise à titre d'exemple entre 60 et 85 % en poids de la composition. Si nécessaire, un matériau résistant à une température d'au moins 1000 C, différent d'un granulat de type pouzzolane, par exemple un laitier, des cendres volantes, des briques pilées réfractaires, de la pierre ponce, de la silice, de la chamotte, des schistes, de l'argile expansée, ou un coke, peut être ajouté au granulat de type Pouzzolane. Ce ou ces matériaux résistant à une température d'au moins 1000 C constituent à titre d'exemple une proportion pondérale de 10 à 80 % de ladite composition, avec granulat. La composition selon l'invention peut comprendre d'autres adjuvants, par exemple un agent défloculant. La présente invention concerne aussi une pâte de béton ou mortier en vrac, susceptible d'être obtenue par gâchage d'une composition telle que précédemment définie, avec de 10 à 20 % de volume d'eau pour un volume de ladite composition. L'invention concerne aussi un ouvrage ou élément de construction susceptible d'être obtenu par mise en forme puis séchage d'une pâte de béton conforme à l'invention, un tel ouvrage ou élément étant alors particulièrement résistant à de très hautes températures. A titre d'exemple, mais de manière non limitative, l'invention concerne aussi un conduit de fumée, particulièrement résistant à de très hautes températures, susceptible d'être obtenu à partir d'une composition telle que précédemment définie, constitué par exemple par un boisseau à simple paroi, ayant une épaisseur comprise entre 3 et 6 cm. L'invention concerne aussi un procédé de fabrication d'un boisseau comprenant les étapes suivantes a) remplissage d'un moule à boisseau avec une pâte de béton en vrac selon l'invention, b) vibration à haute fréquence de la pâte à l'intérieur du moule, c) pilonnage, d) extraction, e) séchage et conditionnement, Selon ce procédé, les opérations (a) à (d) sont effectuées en environs 120 secondes. L'invention concerne aussi toute utilisation d'un adjuvant entraîneur d'air pour béton ou mortier, pour l'obtention, à partir d'un ciment CPA, d'un béton ou mortier résistant à de très hautes températures, par exemple au moins égales à 700 C. L'eau de gâchage, en pourcentage de volumes d'eau, comprend aussi la quantité d'eau éventuellement présente dans les différents granulats. Les granulats sont éventuellement des pouzzolanes naturelles, par exemple d'origine du Massif Central, ou des pouzzolanes artificielles, par exemple scories, ou leur mélange. La pouzzolane est concassée et calibrée en particules, convenant à une composition selon la présente invention. Des fibres de verre alcali-résistantes, par exemple fibres VETROTEX Cem-FIL, vendues par la Société VETROTEX, sont ajoutées dans toute composition selon l'invention. En dessous de 0,125 % de fibres de verre dans la composition prête à l'emploi, le béton ou mortier fini et sec peut présenter une résistance mécanique insuffisante, à une température de 1 000 C, et des fissures peuvent apparaître suite au traitement à la température indiquée. Au dessus de 5 % de fibres de verre dans la composition prête à l'emploi, le volume peut alors être trop important et le malaxage devient impossible. Les fibres de verre ont préférentiellement une longueur et un diamètre appropriés - en dessous d'une longueur de 12 mm, les fibres sont éventuellement inefficaces et au-dessus d'une longueur de 50 mm, elles peuvent se briser ou s'agglomérer au cours du malaxage, - et au-dessous d'un diamètre de 12,um, les fibres peuvent être inopérantes et au-dessus d'un diamètre de 20pm, le nombre de fibres peut être insuffisant par d m3 et nécessite d'augmenter la charge. Une composition prête à l'emploi selon l'invention peut comprendre également d'autres ingrédients, tels que des matériaux résistant à une température de 1 000 C, et des adjuvants autres que l'agent entraîneur d'air, incorporés en faible proportion afin de modifier, d'améliorer ou de compléter certaines des caractéristiques du béton ou mortier, fini et sec. Pour ce qui concerne les adjuvants autres que l'agent entraîneur d'air, on peut citer par exemple les adjuvants agissant sur le délai de prise et de durcissement, comme notamment les accélérateurs qui raccourcissent le délai entre l'hydratation des liants et leur prise, et les retardateurs qui allongent le délai entre l'hydratation des particules d'un liant et le début de sa prise. En tant qu'accélérateurs, on peut citer par exemple les chlorures de calcium ou de sodium, certains alcalis (soude, potasse, ammoniac) ou leurs sels (sulfate de potasse ou de soude). En tant que retardateurs, on peut citer les hydrates de carbone (sucres, glucose, amidon, cellulose), divers acides ou sels d'acides, ou encore l'oxyde de zinc, ou des phosphates alcalins. On peut encore citer les adjuvants agissant sur la plasticité et la compacité, tels que les plastifiants et les fluidifiants, dits réducteurs d'eau. En tant que plastifiant, on pourra incorporer par exemple de la bentonite, de la chaux grasse, les calcaires broyés, des cendres volantes et le kieselguhr. En tant que fluidifiant, on pourra utiliser des lignosulfates, savons de résines ou détergents de synthèse. On peut encore citer les adjuvants améliorant la résistance aux agents externes, tels que les antigels, qui protègent le matériau contre les effets du gel jusqu'au durcissement ; les hydrofuges, qui améliorent l'étanchéité des bétons en réduisant les possibilités de pénétration capillaire de l'eau; les produits de cure, qui évitent l'évaporation prématurée de l'eau de gâchage et maintiennent l'hydratation nécessaire. En tant qu'antigels, on pourra utiliser par exemple le chlorure de calcium, ou l'aluminate de sodium. En tant qu'hydrofuges, on pourra utiliser des silicones, des fluosilicates, des colloïdes ou des résines. En tant que produits de cure, on pourra par exemple utiliser des émulsions de paraffines, des cires, huiles, résines et divers dérivés pétroliers. Les adjuvants seront ajoutés en petite proportion et devront être conformes à la norme française NF P 18-103. Les éléments de conduits de fumée considérés par la présente invention sont des éléments creux et superposables, pour emboîtement, pour la construction de conduits d'évacuation des fumées et gaz brûlés résultant d'une combustion. Les boisseaux pour conduits de fumée sont à simple paroi (épaisseur 3 à 6 cm), ou à double paroi (boisseaux alvéolés), d'épaisseur supérieure à 6 cm. Leur section intérieure peut être de forme ronde, carrée ou rectangulaire, et dans ces deux derniers cas, les angles intérieurs sont arrondis, pour faciliter l'écoulement des fumées et le ramonage et limiter les amorces de fissures préférentielles. Les diamètres hydrauliques intérieurs normalisés vont de 250 à 1 600 cm2. Certains modèles sont biais, pour les dévoiements, ces derniers ne devant pas excéder 20 par rapport à la verticale. La hauteur des boisseaux est de 25 ou 33 cm, pour les éléments à double paroi, et de 25 à 50 cm pour les éléments à simple paroi de 3 à 6 cm d'épaisseur. La mise en oeuvre des boisseaux en béton selon l'invention est conforme aux prescriptions de la norme française NF P 51-321. Dans un mode de réalisation préféré selon l'invention, un élément de conduit de fumée est un boisseau, et en particulier un boisseau à simple paroi, ayant une épaisseur comprise entre 3 et 6 cm. C'est plus particulièrement, mais non exclusivement, dans le domaine des conduits de fumée en béton, que la présente invention démontre tout son intérêt. Dans ce domaine particulier, en France, les éléments de conduit manuportables, qu'ils soient à simple paroi (appelés couramment boisseaux ), ou à plusieurs parois (appelés couramment conduits composites ), doivent répondre à la norme française XP P51-321. Un tel élément de conduit doit en particulier résister à un feu de cheminée, selon la norme précitée. A cette fin, l'élément de conduit doit au préalable satisfaire aux spécifications de choc thermique dans sa classe de désignation, T400 par exemple, puis subir, sans modification de perméabilité à l'air (demeurant inférieure à 3 Iitres/s/m2), un choc thermique complémentaire de 1000 C 50 C pendant 30 minutes, la vitesse de montée en température étant de 100 C 20 C à la minute. En général, avec un béton usuel, une telle résistance ne peut être obtenue qu'avec un élément comportant deux conduits concentriques. En effet, dans ce cas, le conduit interne au contact des températures élevées perd toute résistance à la compression, et s'avère finalement perméable ; le conduit externe continue à satisfaire aux exigences de la norme précitée. Grâce à la présente invention, la qualité des bétons et mortiers obtenus permet de réaliser un élément de conduit monoparoi résistant à un feu de cheminée. En pratique, à de très hautes températures, un béton ou mortier selon la présente invention présente une résistance à la compression élevée, et une perméabilité à l'air relativement faible. En particulier, même si le ciment ou mortier se fissure à haute température, ces fissures se referment après retour à température ambiante. Le phénomène d'élasticité de la matrice cimentaire, observé selon la présente invention, résulte du fait que les caractéristiques physico-mécaniques du ciment demeurent pour l'essentiel conservées à hautes températures, grâce à la présence de l'adjuvant entraîneur d'air. Les contraintes thermiques et physiques, générées par les hautes températures sont divisées en une multitude de micro-tensions, qui sont réparties aux extrémités des différentes fibres de verre, puis piégées dans les micro-bulles d'air au sein de la matrice cimentaire. Sans l'adjuvant entraîneur d'air, le ciment CPA verrait ses caractéristiques physico-mécaniques détruites au-delà de 480 C.En effet, au-delà d'une telle température, la cohésion de la matrice cimentaire n'est plus suffisamment importante, pour résister aux efforts internes considérables générés par la dilatation du béton à haute température. II y a alors dans ce cas fissuration du béton, sans aucun retour à l'état initial lorsque la température diminue. Le tableau ci-après comporte trois colonnes, de gauche à droite, identifiant avant gâchage, respectivement un exemple de béton selon la présente invention, les pourcentages en poids de différents ingrédients, entrant dans une composition selon l'invention, et les pourcentages en poids de l'adjuvant entraîneur d'air et du défloculant, éventuellement préférés selon l'invention. MATERIAUX En poids, ou en Par rapport au poids % affiné litres total sec, sauf Ciment type CPA 200 k 12-45 Sable 30 k 0-40 Entraîneur d'air * 0.44 litre 0.05-1.00 0.15-0.25 Défloculant * 1.00 litre 0.05-1.00 0.3-0.6 Fibres de verre 4 k 0.125 - 5 Granulat réfractaire, par exemple pouzzolane 770 l 15-88 * Les pourcentages de l'entraîneur d'air et du défloculant sont exprimés par rapport au poids du ciment. Une colonne de boisseaux obtenue à partir d'un béton dont la composition est celle présentée à la première colonne du tableau ci-dessus, à simple paroi (pleine), de diamètre hydraulique égal à 20 cm, de dimensions transversales extérieures égales à 29 x 29 cm, et de hauteur égale à 25 cm par élément, a été soumise aux essais définis par la norme précitée française XP P51-321, pour la classification T400 FC. Après essais, un tel conduit s'est avéré répondre parfaitement aux critères exigés par la norme XP P51-321, dans la classification T400 FC. REVENDICATIONS 1/ Composition de béton ou mortier résistant à de très hautes températures, prête à l'emploi, et à l'état sec et divisé comprenant un ciment, des fibres de verre, et un granulat, caractérisée en ce qu'elle comprend un ciment Portland artificiel (en abrégé CPA), combiné avec un adjuvant entraîneur d'air. 21 Composition selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'adjuvant ciment CPA représente au moins 10 %, et préférentiellement entre 12 et 45 % en poids de ladite composition, avec granulat. 3/ Composition selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'adjuvant entraîneur d'air représente au moins 0,1 %, et préférentiellement entre 0,1 et 0,25 % en poids du ciment CPA. 4/ Composition selon la revendication 1, caractérisée en ce que les fibres de verre alcali-résistantes, ont un diamètre compris entre 12 et 20 Nm, et/ou ont une longueur comprise entre 12 et 50 mm. 5/ Composition selon la revendication 4, caractérisée en ce que les fibres de verre représentent une proportion pondérale comprise entre 0,125 et 5 %, du poids du ciment CPA. 6/ Composition selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend une quantité de granulat de type pouzzolane, comprise entre 60 et 85 % du poids de la composition. 7/ Composition selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend un matériau résistant à une température d'au moins 1 000 C, différent d'un granulat de type pouzzolane, par exemple un laitier, des cendres volantes, des briques pilées réfractaires, de la pierre ponce, de la silice, de la chamotte, des schistes, de l'argile expansée ou un coke de charbon. 8/ Composition selon la revendication 7, caractérisée en ce que le ou les matériaux résistant à une température de 1 000 C constituent une proportion pondérale de 10 à 80 % de ladite composition, avec granulat. 9/ Pâte de béton ou mortier en vrac, susceptible d'être obtenue par gâchage d'une composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, avec de 10 à 20 % de volumes d'eau pour un volume de ladite composition. 10/ Ouvrage ou élément de construction susceptible d'être obtenu par mise en forme puis séchage d'une pâte de béton selon la revendication 9, résistant à de très hautes températures. 11/ Conduit de fumée résistant à de très hautes températures, et conforme à la norme française XP P51-321, susceptible d'être obtenu à partir d'une composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il est constitué par un boisseau à simple paroi, ayant une épaisseur comprise entre 3 et 6 cm. 12 Procédé de fabrication d'un boisseau comprenant les étapes de . a) remplissage d'un moule à boisseau avec une pâte selon la revendication 9, b) vibration à haute fréquence de la pâte à l'intérieur du moule, c) pilonnage, d) extraction, e) séchage et conditionnement, caractérisé en ce que les opérations de (a) à (d) sont effectuées en environ 120 secondes. 13I Utilisation d'un adjuvant entraîneur d'air pour béton ou mortier, pour l'obtention, à partir d'un ciment CPA, d'un béton ou mortier résistant à de très hautes températures, au moins égales à 700 C.