Brevet FR2850965A1 — publié le 20040813

La présente invention concerne des compositions cimentaires durcissables aptes à constituer un écran contre les radiations, notamment contre les rayons gamma et les neutrons. Il est bien connu qu'une protection contre des rayonnements tels que des rayons gamma et les neutrons peut être obtenue au moyen d'un écran constitué d'une composition cimentaire durcie contenant des éléments lourds. Des formulations très diverses ont été proposées. La publication FR 2 666 925 décrit une composition qui comprend du ciment, de l'eau, de l'hématite avec trois granulométries différentes et des adjuvants. Les bétons obtenus présentent une densité supérieure à 4 et une résistance à la compression de 42 MPa après 7 jours. La publication FR 2 440 410 décrit une composition qui comprend du ciment, de la grenaille selon quatre granulométries et de l'eau. Le béton obtenu a une densité proche de 6. La publication FR 2 306 952 mentionne dans son préambule l'existence de bétons qui diffèrent d'un béton normal par addition de ferraille et signale des difficultés d'ordre rhéologique. Pour éviter ces problèmes, elle préconise d'utiliser des silicates ou des borates comme granulats au lieu d'addition telles que le sable, le gravier, la ferraille. Les bétons effectivement préconisés sont essentiellement constitués de ciment, de verres granulés et d'eau. Ils présentent une résistance qui varie de 7,3 à 29,5 MPa selon la grosseur des verres et le rapport ciment/verre. La publication EP 02 64 521 décrit un récipient de transport de matières radioactives à double paroi dont le remplissage entre les parois est constitué par un béton de ciment et de granulats lourds (baryte, hématite) de différentes granulométries, le béton présentant une résistance à la compression de 40 à 60 N/mm2 après 28 jours. Ces compositions sont difficiles à malaxer et à homogénéiser ; de plus elles conduisent à des caractéristiques mécaniques médiocres ou faibles qui obligent à les utiliser comme remplissage entre des parois destinées à assurer les performances mécaniques ou à les utiliser en une épaisseur suffisante pour enrober des armatures. La présente invention a pour objet des compositions cimentaires durcissables faciles à homogénéiser sans ségrégation pour produire des écrans de très bonnes caractéristiques mécaniques et aptes à constituer des écrans radiologiques, notamment pour réaliser des écrans radiologiques d'épaisseur beaucoup plus faible que les écrans connus en composition cimentaires durcie. Contrairement aux compositions antérieures proposées qui n'ont en commun avec une composition de béton classique que le fait de comporter du ciment et de l'eau, on a cherché à conserver le plus possible les constituants des bétons connus, pour profiter des performances mécaniques remarquables des bétons développés dans les années récentes. De tels bétons sont décrits par exemple dans les publications FR 2 708 263, EP 02 73 181 et US 4 593 627. Selon l'invention, on remplace une partie du sable par des éléments lourds granulaires de granulométrie compatible avec celle du sable. Par granulaire , on signifie une forme qui n'a pas une dimension privilégiée dans une direction et qui peut être définie par une grosseur de grain, par contraste avec des fibres. Par éléments lourds , on signifie des éléments de densité plus élevée que celle du sable, tels que des éléments métalliques ou minéraux, par exemple de la grenaille d'acier, des borates, etc, et de façon générale tous les éléments qui ont déjà été préconisés pour réaliser un écran radiologique en composition cimentaire durcie. Par granulométrie compatible , on signifie que l'étendue granulométrique de l'élément lourd s'inscrit dans celle du sable de façon à ne pas élever la demande en eau de la composition. De préférence, on choisit l'étendue granulométrique des éléments lourds pour que cette étendue soit limitée supérieurement à la granulométrie moyenne du sable. Par exemple avec un sable dont 50 % des particules ont une granulométrie inférieure à D50 = 0,3 mm, on utilise comme éléments lourds de la grenaille d'acier concassée et tamisée d'étendue granulaire limitée supérieurement à 0,3 mm (alors que la granulométrie de la limaille de fer s'étend jusqu'à 0 , 6 mm). Avantageusement, selon l'invention, on formule le béton en remplaçant de 20 à 80 % (de préférence 30 à 70 %) en volume de sable par un volume identique d'éléments lourds. Une composition cimentaire préférée selon l'invention comprend de 190 à 600 litres de sable et d'éléments lourds, dont au moins 35 litres de sable, pour 1 m3 de composition durcie. On constate que de façon surprenante cette densification du béton ne réduit pas ses qualités mécaniques, la résistance à la compression de la composition durcie d'au moins 120MPa et pouvant dépasser 200MPa. Outre le ciment, le sable, les éléments lourds et l'eau, la composition comprend encore avantageusement des fibres métalliques, par exemple des fibres en acier de longueur 12 à 15 mm et de diamètre 0 ,16 à 0,20 mm. De préférence, elle comprend également de la fumée de silice, de la farine de quartz, et des adjuvants divers tels qu'un superplastifiant. Une composition préfère selon l'invention comprend, pour 1 m3 de composition durcie, Ciment 500 à 1000 kg Sable + élément lourd 1600 à 500kg (dont au moins 35 litres de sable) Fibres métalliques 75 à 300 kg Fumée de silice 70 à 300 kg Farine de quartz 0 à 400 kg Superplastifiant 10 à 50 kg (en extrait sec) Eau totale E/C = 0,19 à 0,27 Dans le béton de l'invention, les éléments fins viennent desserrer le squelette composé du sable et des éléments lourds mais la demande en eau pour la rhéologie nécessaire n'est pas augmentée, ce qui maintient le haut niveau de performances mécaniques. Exemples On prépare des compositions de béton ayant (avant remplacement du sable) les constituants suivants (pour obtenir un mètre cube de béton durci) : Ciment 700kg Fumée de silice 230 kg Farine de quartz 210 kg Sable 900kg Fibres métalliques 154 kg Superplastifiant (en extrait sec)32, 7 kg Eau totale 131 litres Les fibres métalliques sont des fibres en acier de longueur 12 à 15 mm et de diamètre de 0,16 à 0, 20 mm. Le volume de sable dans la formule de départ est 378 litres. On remplace une partie du sable par un volume identique de grenaille d'acier concassée et tamisée. La grenaille métallique (habituellement destinée au nettoyage de carrosserie, découpe de granit ...) est obtenue par refroidissement de l'acier en fusion sous un jet d'eau sous pression. Les produits de refroidissement sont triés, la grenaille de forme sphérique est tamisée par classe granulométrique. Le résidu est alors concassé. Ces résidus sont classés par classe granulométrique. Ils sont principalement utilisés pour la fabrication des lests. On utilise selon l'invention les résidus concassés dont la plage de variation granulométrique est 0,04 - 0,3 mm. Le tableau I ci-après donne la variation de la densité théorique du béton avec le degré de substitution du sable par les résidus métalliques : Tableau I . Taux de Exemplification, Quantité Quantités Densité substitution n référence de sable de résidus théorique du sable en kg/m3 métalliques du béton en kg/m3 durci 20% 800 588 2,9 30% 700 889 3, 0 40% F3 600 1 183 3,2 50% 500 1 477 3, 4 60% F4 400 1 770 3,6 70% 300 2 065 3, 8 80% F5 200 2 359 4, 0 90% 100 2 653 4, 2 Le tableau II ci-après donne les résultats obtenus par des formulations F3, F4, F5 correspondant à des substitutions respectives de 40%, 60%, 80% du volume du sable. TableauII : E/C Densité Etalement Densité Résistance Résistance Module (Fluid) sur après sur à la à la d'Young Pâte 20 coups éprouvette compression flexion (en fraîche (avec un Phi 7 (en MPa) 4*4*16 GPa) cône de durcie (en MPa) 100 mm à la base) Substitution 0,21 3,30 250 3,295 237,1/ 74,7 de 40% du (1,4%) sable 3,29 240 Notée F3 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ Substitution 0,22 3,58 220 3,646 244,6 47,3 75,2 de 60% du (1,4%) sable 3,62 220 NotéeF4 Substitution 0,22 3,92 190 3,965 225,4/ 74,8 de 80% du (1,4%) sable Notée F5 @ L'invention n'est pas limitée à ces exemples de réalisations. Les compositions cimentaires durcissables de l'invention sont notamment destinées à réaliser des écrans radiologiques, en particulier pour servir dans des conteneurs de déchets radioactifs. REVENDICATIONS 1. Composition cimentaire durcissable pour constituer un écran contre les radiations, notamment les rayons gamma et les neutrons, caractérisée en ce qu'elle comprend, pour obtenir 1 m3 de composition durcie, 190 à 600 litres de sable et d'éléments lourds granulaires dont l'étendue granulométrique est comprise dans celle du sable, dont au moins 35 litres de sable. 2. Composition cimentaire selon la revendication 1 dont les éléments lourds granulaires ont une étendue granulométrique limitée supérieurement au Dso du sable. 3. Composition cimentaire selon la revendication 1 ou 2 dont les éléments lourds granulaires ont une étendue granulométrique limitée supérieurement à 0,3 mm. 4. Composition cimentaire selon la revendication 3 dont les éléments lourds granulaires ont une étendue granulométrique limitée inférieurement à 0,04 mm. 5. Composition cimentaire selon l'une des revendications 1 à 4 dont les éléments lourds granulaires sont de la grenaille d'acier. 6. Composition cimentaire selon l'une des revendications 1 à 5 et dont le volume total de sable et d'éléments lourds granulaires est constitué par 30 à 70% d'éléments lourds. 7. Composition cimentaire selon la revendication 6 et dont le volume total de sable et d'éléments lourds granulaires est constitué par environ 60% d'éléments lourds. 8. Composition cimentaire selon l'une des revendications 1 à 7 et qui comprend, pour obtenir 1 m3 de composition durcie, de 500 à 1000 kg de ciment et d'autres constituants tels que la composition durcie présente une résistance à la compression d'au moins 120MPa. 9. Composition cimentaire selon l'une des revendications 1 à 8 et qui comprend, pour obtenir 1 m3 de composition durcie, de 75 à 300 kg de fibres métalliques. 10. Composition selon la revendication 9 et dont les fibres métalliques ont une longueur de 12 à 15 mm et un diamètre de 0,16 à 0,20 mm. 11. Composition cimentaire selon l'une des revendications 1 à 10 et qui comprend pour obtenir 1 m3 de composition durcie, de 70 à 300 kg de fumée de silice. 12. Composition cimentaire selon l'une des revendications 1 à 11 et qui comprend : Ciment 500 à 1000 kg Sable + élément lourd granulaires 1600 à 500 kg (dont au moins 35 litres de sable) Fibres métalliques 75 à 300 kg Fumée de silice 70 à 300 kg Farine de quartz 0 à 400 kg Superplastifiant 10 à 50 kg (en extrait sec) Eau totale E/C = 0,19 à 0,27 13. Composition cimentaire durcissable selon l'une des revendications 1 à 12 , caractérisée en ce que sa densité (mesurée sur pâte fraîche) est inférieure à 4. 14. Composition cimentaire durcie obtenue par durcissement d'une composition selon l'une des revendications 1 à 13. 15. Composition cimentaire durcie selon la revendication 14 qui présente une résistance à la compression supérieure à 200MPa. 16. Les écrans contre les radiations constitués par une composition cimentaire durcie selon la revendication 14 ou 15. 17. Conteneur de déchets radioactifs, caractérisé en ce qu'il comporte des écrans selon la revendication 16.