Brevet FR3022542A1 — publié le 20151225

Mélange pour béton résistant aux réactions sulfatiques. L'invention concerne un mélange pour béton permettant à ce dernier de résister aux attaques chimiques du type des réactions sulfatiques internes et des attaques sulfatiques externes. L'invention porte également sur un béton obtenu à partir d'un tel mélange et sur l'utilisation d'un composant spécifique permettant au dit béton de résister aux réactions sulfatiques internes et aux attaques sulfatiques externes. Le béton est un matériau composite obtenu par un mélange de ciment, de granulats, par exemple du sable et des gravillons, d'eau et d'éventuels adjuvants permettant de modifier les propriétés du béton frais ou durci. Parmi les principales causes de détérioration des structures en béton, les réactions sulfatiques conduisent à un gonflement interne des bétons qui se 15 traduisent par des fissures externes formant des lignes de rupture du béton. La Réaction Sulfatique Interne, communément dénommée RSI, affecte les parties de l'ouvrage ayant subi un échauffement important du béton au jeune âge. Cet échauffement s'explique parfois par la volonté d'accélérer la construction des ouvrages et de formuler des bétons à prise plus rapide et par conséquent plus 20 exothermique. La réaction sulfatique interne se produit lorsque le béton est en contact avec un apport d'eau extérieur, les sulfates impliqués dans la réaction étant eux contenus dans le béton et résultant de réactions qui seront détaillées plus loin. A l'inverse, l'Attaque Sulfatique Externe, communément dénommée ASE, 25 n'implique pas les sulfates contenus dans le béton mais des sulfates provenant de l'environnement extérieur. C'est notamment le cas lorsque le béton est en contact avec des eaux de diverses origines contenant des sulfates, par exemple des eaux au contact du gypse comportant des éléments de décomposition biologique des engrais ou de l'industrie chimique. 30 Il n'existe pas à ce jour de solutions satisfaisantes pour réduire les attaques sulfatiques des bétons. Sont connues des solutions consistant à abaisser les températures atteintes lors de la prise du béton. On cite à titre d'exemple des systèmes de refroidissement par tuyaux noyés dans la masse, dans lesquels de l'eau froide 3022542 2 circule, la réduction des épaisseurs des pièces, le coulage de nuit des bétons, le refroidissement des toupies sur camions ou le gâchage des bétons à la glace. Sont également connues des solutions consistant à utiliser des composants tels que des laitiers, des cendres volantes ou d'autres additions qui 5 interviennent en tant que liant de substitution partielle du ciment. Mais ces composants compliquent la formulation du béton, posent des problèmes d'approvisionnement de coût élevé ou d'esthétique des parements (cas des cendres volantes issues des centrales thermiques). Dans ce contexte, la présente invention vise une formulation simple de 10 béton qui résiste à la fois à la réaction sulfatique interne et à l'attaque sulfatique externe. A cet effet, l'invention porte en premier lieu sur l'utilisation d'un hydrofuge de masse pour fabriquer un béton résistant aux réactions sulfatiques internes et aux attaques sulfatiques externes. L'utilisation de l'invention peut également comporter les caractéristiques optionnelles suivantes considérées isolément ou selon toutes les combinaisons techniques possibles : - l'hydrofuge de masse est mélangé à au moins du ciment comportant des aluminates tricalciques, des granulats et de l'eau. - l'hydrofuge de masse comprend au moins un composé de la famille des isothiazolinones. - l'hydrofuge de masse comprend un mélange de benzisothiazolinone et de méthylisothiazolinone. L'invention porte également sur un mélange pour la fabrication d'un béton qui 25 est essentiellement caractérisé en ce qu'il comporte du ciment comprenant des aluminates tricalciques, des granulats, de l'eau, et un hydrofuge de masse. Avantageusement, l'hydrofuge de masse comporte au moins un composé de la famille des isothiazolinones. De préférence, l'hydrofuge de masse comprend un mélange de 30 benzisothiazolinone et de méthylisothiazolinone. L'invention porte enfin sur un béton fabriqué à partir d'un mélange tel que précédemment énoncé. 3022542 3 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées parmi lesquelles : - la figure 1 est un graphique comparant la déformation longitudinale d'une 5 éprouvette de béton dont la composition comporte de l'hydrofuge de masse et d'une éprouvette de béton dont la composition ne comporte pas d'hydrofuge de masse lorsque ces deux éprouvettes sont soumises à des essais mettant en évidence les phénomènes de Réaction Sulfatique Interne, - la figure 2 est un graphique comparant la déformation longitudinale d'une 10 éprouvette de béton dont la composition comporte de l'hydrofuge de masse et d'une éprouvette de béton dont la composition ne comporte pas d'hydrofuge de masse lorsque ces deux éprouvettes sont soumises à des essais mettant en évidence les phénomènes d'Attaque Sulfatique Externe, - la figure 3 est une photographie d'une partie d'une éprouvette de béton 15 dont la composition ne comporte pas d'hydrofuge de masse et qui a été soumise à des essais mettant en évidence les phénomènes d'Attaque Sulfatique Externe, - la figure 4 est une photographie d'une partie d'une éprouvette de béton dont la composition comporte de l'hydrofuge de masse et qui a été soumise soumises à des essais mettant en évidence les phénomènes d'Attaque Sulfatique 20 Externe, - la figure 5 est un graphique montrant l'évolution de l'indice de fissuration pour une éprouvette de béton dont la composition comporte de l'hydrofuge de masse et d'une éprouvette de béton dont la composition ne comporte pas d'hydrofuge de masse lorsque ces deux éprouvettes sont soumises à des essais mettant en évidence les phénomènes d'Attaque Sulfatique Externe. Selon l'invention, l'ajout dans la formulation d'un béton d'un hydrofuge de masse permet de limiter substantiellement les réactions sulfatiques se produisant au sein du béton au cours de sa prise, mais également des années après. Les réactions sulfatiques mettent en jeu la formation d'un minéral, l'ettringite, ou trisulfoaluminate de calcium (3Ca0A1203.3CaSO4(30 à 32)H20, qui est susceptible de provoquer un gonflement lors de sa formation, ce gonflement pouvant conduire à une fissuration du béton, voir à son éclatement. Il existe plusieurs types d'ettringite. 3022542 4 L'ettringite primaire se forme pendant l'hydratation du béton (réaction 1) en impliquant des aluminates tricalciques de formule (Ca03)3A1203 communément dénommés C3A et présent dans le ciment, l'eau et les sulfates. Une fois que tous les sulfates présents dans le béton ont réagi avec l'ettringite, cette dernière se 5 convertit en monosulfoaluminate par réaction du C3A et de l'ettringite formé. L'ettringite primaire se formant dans la matrice de béton frais maléable, elle n'est pas nuisible pour les ouvrages en béton. (1) C3A + sulfates + H2O = Ettringite (2) Ettringite + C3A = monosulfoaluminate 10 L'ettringite secondaire se forme après le durcissement du béton par des phénomènes de dissolution précipitation, en particulier lors d'un apport externe de sulfate où cette ettringite peut se former dans les espaces confinés du béton et peut entraîner un phénomène de gonflement. L'ettringite secondaire résulte ainsi du phénomène d'Attaque Sulfatique Externe. 15 L'ettringite différée se forme de la façon suivante. Pendant la prise du béton, à des températures supérieures à 65 °C, l'ettringite n'est pas stable. La réaction 3 ci-dessous va se produire au lieu de la réaction 1 de formation de l'ettringite primaire. Il reste donc des sulfates libres dans le béton qui vont être absorbés par les silicates de calcium hydratés qui 20 vont, au cours des années, relâcher peu à peu ces sulfates libres. (3) C3A + sulfates + H2O = Ettringite + sulfates libres En cas d'infiltration d'eau dans le béton, les sulfates libres peuvent réagir avec le C3A et/ou les monosulfoaluminates (Réaction 4) et former de l'ettringite différée dans des milieux confinés de la matrice durcie. 25 (4) C3A + sulfates libres + H2O = Ettringite L'ettringite différée résulte ainsi du phénomène de Réaction Sulfatique Interne. D'un point de vue morphologique, l'ettringite primaire se présente généralement sous forme d'aiguilles d'un diamètre de l'ordre du micron, l'ettringite 30 secondaire peut se présenter sous forme d'aiguilles lorsqu'elle a suffisamment d'espace ou sous forme massive dans les espaces confinés, et l'ettringite différée se présente généralement sous forme massive puisqu'elle se forme quasiment exclusivement dans des espaces confinés. 3022542 5 Dans un milieu confiné, la pression de cristallisation de l'ettringite s'élève jusqu'à 350MPa ce qui, combiné à l'augmentation du volume, cause l'expansion et la fissuration du béton. Les hydrofuges de masse sont connus comme adjuvant de mélange pour 5 augmenter l'étanchéité des bétons dans lesquels ils sont incorporés (cuvelages par exemple). Il a été découvert dans le cadre de l'invention qu'un hydrofuge de masse peut être détourné de son utilisation connue pour limiter la formation d'ettringite expansive issue des Réactions Sulfatiques Internes et des Attaques Sulfatiques 10 Externes. A cet effet, l'hydrofuge de masse va notamment former des liaisons avec les C3A en limitant ainsi l'interaction du C3A avec l'eau, ce qui empêche les réactions (3) et (4) de se produire. La formation d'ettringite différée sera ainsi limitée puisque l'apport extérieur d'eau est l'un des facteurs prédominants responsable de la formation de ce type d'ettringite par la Réaction Sulfatique 15 Interne. Et la formation d'ettringite secondaire expansive sera également limitée puisque les sulfates vont pénétrer plus difficilement dans le béton, les réactions d'Attaque Sulfatique Externe ne se produiront donc pas. Des essais ont été menés sur des éprouvettes de béton dont la formulation comporte un hydrofuge de masse, en comparaison avec des éprouvettes dont la 20 formulation ne comporte pas d'hydrofuge de masse, et ce pour des conditions environnementales favorables respectivement à la Réaction Sulfatique Interne et à l'Attaque Sulfatique Externe. L'hydrofuge de masse utilisé est liquide et comporte du benzisothiazolinone de la famille des isothiazolinones dans une proportion comprise entre 0,01 et 1% 25 volumique. L'hydrofuge de masse peut également comporter du méthylisothiazolinone, également de la famille des isothiazolinones, dans une teneur volumique inférieure à 0,01%. Essai n°1 : Réaction Sulfatique Interne 30 Cet essai permet de mesurer la réactivité des éprouvettes de béton vis-à-vis de la Réaction Sulfatique Interne. Trois éprouvettes sans hydrofuge et trois éprouvettes avec hydrofuge ont été testées. 3022542 6 La formulation du béton testé comporte 408 kg de ciment (pour augmenter I'exothermie) comprenant des aluminates tricalciques, 761 kg de sable, 938 kg de gravillons lavés et 144 kg d'eau. Pour les éprouvettes comportant l'hydrofuge de masse, ce dernier est ajouté dans la formulation à hauteur de 6 kg, soit de 1,5% 5 de la masse totale du ciment. Toutes les éprouvettes sont soumises à un traitement thermique simulant une chauffe importante lors de la prise du béton supérieure à 60°C, cet échauffement étant responsable de la formation d'ettringite différée. Pour ce faire, les éprouvettes sont placées dans une enceinte climatique 10 pendant 24 heures à une température de 800°C et dans des conditions hydriques proches de la saturation. Puis les éprouvettes subissent un cycle de 7 jours à 38°C dans une atmosphère dont l'humidité relative est inférieure à 30°C, suivi d'un cycle de 7 jours à 20°C dans de l'eau. 15 Les trois éprouvettes sans hydrofuge et les trois éprouvettes avec hydrofuge sont alors placées dans deux bacs différents pendant 66 semaines. Des mesures de la masse et des déformations longitudinales sont effectuées à partir de la fin du traitement thermique. Les mesures de déformation longitudinales sont réalisées à l'aide d'un réfractomètre à potence sur les quatre 20 faces de chaque éprouvette. A l'issu des 66 semaines, les éprouvettes de béton sans hydrofuge de masse et les éprouvettes de béton avec hydrofuge de masse ont subi une légère augmentation de leur masse inférieure à 5%. En référence à la figure 1, au bout de 66 semaines, la déformation 25 longitudinale des éprouvettes de béton sans hydrofuge dont la moyenne est représentée par la courbe 1 est de 0,30%, tandis que la déformation longitudinale des éprouvettes de béton avec hydrofuge dont la moyenne est représentée par la courbe 2 est quasiment nulle. Ainsi, les éprouvettes de béton avec hydrofuge présentent une déformation 30 négligeable alors que les éprouvettes avec hydrofuge ont gonflé de façon linéaire. Ces résultats montrent que les éprouvettes sans hydrofuge sont réactives vis-à-vis de la Réaction Sulfatique Interne, ce qui n'est pas le cas des éprouvettes sans hydrofuge, ce qui valide le choix de la formule de béton réactive à la Réaction Sulfatique Interne. 3022542 7 Essai n°2 :Attaque Sulfatique Externe Les éprouvettes utilisées sont celles ayant subies l'essai n°1. 5 Deux mois après la fin des essais de Réaction Sulfatique Interne, des sulfates sont ajoutés dans les bacs d'eau. Sont testées une éprouvette sans hydrofuge et une éprouvette avec hydrofuge. Le sulfate utilisé est du sulfate de sodium anhydre qui entraîne la formation d'ettringite secondaire expansive. Les sulfates sont introduits dans les bacs d'eau 10 jusqu'à saturation de la solution soit à une concentration de 160 grammes par litre à 20°C, ce qui correspond à une concentration environ 50 fois plus importante que celle de l'eau de mer. Des mesures de la masse et des déformations longitudinales sont effectuées à partir de la fin du traitement thermique et ce pendant 3 mois et demi. 15 A l'issu des 3 mois et demi d'essai, la masse de l'éprouvette dans hydrofuge a augmenté de 2,5% tandis que la masse de l'éprouvette avec hydrofuge est restée stable. On se réfère à la figure 2 comportant une courbe 3 représentant la moyenne de la déformation des éprouvettes sans hydrofuge et une courbe 4 représentant la 20 moyenne de la déformation des éprouvettes avec hydrofuge. Au cours du premier mois d'essai, la déformation de l'éprouvette sans hydrofuge augmente sensiblement de 0,08%, puis l'éprouvette se déforme de manière plus importante jusqu'à une déformation de 2% à la fin de l'essai. Pour ce qui est de l'éprouvette avec hydrofuge, on n'observe aucune 25 déformation au cours du premier mois, puis une sensible déformation de 0,08% à la fin de l'essai. A la fin de l'essai, la déformation de l'éprouvette sans hydrofuge est 20 fois plus importante que celle de l'éprouvette avec hydrofuge. Un examen visuel est également réalisé au cours de l'essai. 30 La figure 3 illustre une partie de l'éprouvette sans hydrofuge 5 à la Sème semaine. On constate l'apparition de fissures importantes 6. Pour cette éprouvette, les premières fissures sont apparues au cours de la première semaine. 3022542 8 Pour l'éprouvette avec hydrofuge, les premières fissures apparaissent au bout de la 10ème semaine d'essai. Ces fissures sont bien moins importantes que celles observées sur l'éprouvette sans hydrofuge. La figure 4 illustre une partie de l'éprouvette avec hydrofuge 7 à la 14ème semaine, sur laquelle on constate la 5 présence de légères fissures 8. Ces observations sont corroborées par la mesure de l'indice de fissuration IF permettant de quantifier l'état de fissuration du béton. Cet indice permet de suivre l'évolution de l'endommagement du béton par comparaison de l'état de fissuration à différents instants. Ces mesures sont réalisées à l'aide d'un fissuromètre sur les io éprouvettes qui présentent des fissures en surface. Les mesures sont prises selon quatre axes. Pour chaque axe, le nombre et l'ouverture de chaque fissure qui croise l'axe sont reportés. L'indice de fissuration est ensuite calculé à partir de ces données. En référence à la figure 5, on constate par l'évolution de la courbe 9 illustrant 15 l'indice de fissuration pour l'éprouvette sans hydrofuge, que cet indice de fissuration augmente au cours du temps pour atteindre une valeur de 8,7, alors que pour l'éprouvette avec hydrofuge qui commence à fissurer à la 10ème semaine, son indice de fissuration augmente faiblement pour atteindre une valeur d'environ 1 à la fin de l'essai. 20 Ainsi, l'éprouvette sans hydrofuge a subi une augmentation importante de sa déformation, tandis que l'éprouvette avec hydrofuge a subi une augmentation très faible de sa déformation. Par ailleurs, la déformation est très forte sur l'éprouvette sans hydrofuge, et très faible sur l'éprouvette avec hydrofuge. 25 Il a ainsi été mis en évidence que l'ajout d'hydrofuge dans la formule du béton permet de diminuer de manière significative la dégradation des éprouvettes soumises à une Attaque Sulfatique Externe et à une Réaction Sulfatique Interne. L'hydrofuge de masse présente ainsi un effet inhibiteur vis-à-vis des phénomènes de Réaction Sulfatique Interne et d'Attaque Sulfatique Externe. 30 L'invention trouve application dans le domaine ferroviaire, notamment pour la construction de toutes les structures en bétons telles que les ponts, les viaducs, les gares et les tunnels. L'invention trouve également application dans toute construction en béton de génie civile ou du bâtiment. REVENDICATIONS1. Utilisation d'un hydrofuge de masse pour fabriquer un béton résistant aux réactions sulfatiques internes et aux attaques sulfatiques externes. 2. Utilisation selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'hydrofuge de masse est mélangé à au moins du ciment comportant des aluminates tricalciques, des granulats et de l'eau. 3. Utilisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisée en ce que l'hydrofuge de masse comprend au moins un composé de la famille des isothiazolinones. 4. Utilisation selon la revendication 3, caractérisée en ce que l'hydrofuge de masse comprend un mélange de benzisothiazolinone et de méthylisothiazolinone. 5. Mélange pour la fabrication d'un béton caractérisé en ce qu'il comporte du ciment comprenant des aluminates tricalciques, des granulats, de l'eau, et un hydrofuge de masse. 6. Mélange selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'hydrofuge de 25 masse comporte au moins un composé de la famille des isothiazolinones. 7. Mélange selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'hydrofuge de masse comprend un mélange de benzisothiazolinone et de méthylisothiazolinone. 30 8. Béton fabriqué à partir d'un mélange selon l'une quelconque des revendications 5 à 7.