Brevet FR3130269A1 — publié le 20230616

Béton à faible dosage en ciment La présente invention concerne une composition de béton frais comprenant au moins : i) un liant hydraulique comprenant : - de 20% à 40% en poids de clinker Portland par rapport au poids total dudit liant, - de 45% à 75% en poids en filler par rapport au poids total dudit liant, et - de 5% à 15% en poids en matériau de granulométrie ultrafine par rapport au poids total dudit liant, étant choisi parmi les additions hydrauliques, les additions pouzzolaniques, les ciments ultrafins et leurs mélanges, ii) au moins un superplastifiant ou plastifiant, iii) de l’eau, et iv) des granulats. Figure pour l’abrégé : Néant Béton à faible dosage en ciment La présente invention se rapporte à un béton de structure formulé à partir d’un liant à faible teneur en clinker et forte teneur en filler, en particulier possédant une consistance fluide à l’état frais. L’invention concerne également un procédé de fabrication d’un tel béton. L’utilisation des bétons de ciment, conventionnellement considérés à titre de bétons de structure, pose un souci en termes d’impact environnemental. Plus précisément, ces bétons requièrent la mise d’un œuvre d’un liant à base de ciment Portland pour agglomérer un mélange de granulats et de sable. Or, la fabrication du clinker, constituant essentiel du ciment Portland, contribue fortement aux émissions de CO 2 . Afin de réduire les émissions de CO 2 liées à la fabrication de bétons, il a été proposé de substituer partiellement au clinker un ou plusieurs matériaux de substitution tels que les laitiers de haut fourneau, les cendres volantes, la fumée de silice, le métakaolin, ou encore les fillers calcaires ou siliceux. Or, une substitution importante de la teneur en clinker a généralement pour conséquence d’impacter négativement les propriétés d’un béton de structure, notamment sa résistance mécanique et sa durabilité. La réactivité de ces matériaux de substitution détermine donc usuellement leur taux de substitution dans des bétons de structure pour maintenir le niveau de qualités requises. Par exemple, le laitier de haut-fourneau, qui est un liant hydraulique latent, permet des taux de remplacement élevés, allant jusqu’à plus de 80%. Cependant, la ressource en laitier, déjà exploitée dans les bétons, est limitée. Pour leur part, les cendres volantes ont un effet pouzzolanique qui permet un remplacement du clinker jusqu’à environ 50%. Là encore, les ressources sont limitées et vont disparaître à terme du fait de l’impact environnemental néfaste des centrales thermiques. Concernant les additions ultrafines utilisées dans les bétons telles que la fumée de silice ou le métakaolin, elles sont habituellement incorporées à faible dosage, par exemple de 5 % à 20 % de la masse de liant, du fait de leur coût et de leur demande en eau plus importante que celle du ciment. Quant aux autres additions usuelles telles que les fillers calcaires ou siliceux, celles-ci sont quasi-inertes et ne permettent donc pas une réduction significative de la teneur en clinker. Le rapport « Eco-efficient cements : Potential , economically viable solutions for a low-CO 2 , cement-based materials industr y », édité par l’UNEP (United Nations Environment Programme) en 2016, propose quant à lui de recourir à des argiles calcinées, notamment du métakaolin, combinées avec du filler calcaire pour substituer jusqu’à 50% du clinker. Ainsi, Antoni et al . [1] propose des formulations de mortiers dans lesquelles le ciment est partiellement remplacé par un mélange de métakaolin et de filler calcaire dans un rapport pondéral métakaolin:filler calcaire de 2:1 et dans un rapport eau/liant de 0,5. Cependant, la proportion d’ultrafines dans ces compositions est élevée, impliquant un coût élevé et une forte demande en eau. Enfin, il a également été proposé dans WO 2007/132098 des compositions de béton à faible teneur en ciment, mettant en œuvre un très faible dosage en eau. Cependant, les bétons frais obtenus à partir de telles compositions ne présentent pas la fluidité et notamment la viscosité requises pour pouvoir être utilisés sur les chantiers de construction. Il demeure donc un besoin d’un béton à faible teneur en clinker ne présentant pas les inconvénients de l’art antérieur. En particulier, il demeure un besoin d’un béton à faible teneur en clinker possédant d’une part une consistance fluide et une faible viscosité à l’état frais, permettant son utilisation sur les chantiers de construction, notamment à son transport et/ou à sa mise en place, et d’autre part une résistance mécanique permettant de l’utiliser comme béton de structure. Il demeure également un besoin d’un béton à faible teneur en clinker qui soit peu couteux. L’invention vise précisément à proposer un béton à faible teneur en clinker et forte teneur en filler donnant satisfaction en ces termes. En particulier, elle vise à proposer une nouvelle composition de béton à faible teneur en clinker permettant d’améliorer efficacement le compromis entre d’une part ouvrabilité, associée à une haute fluidité et une faible viscosité, du béton à l’état frais, et d’autre part résistance mécanique du béton à l’état durci. Contre toute attente, les inventeurs ont constaté que ces objectifs peuvent être atteints via une composition conforme à l’invention. Ainsi, la présente invention concerne, selon un premier aspect, une composition de béton frais comprenant au moins : i) de 350 kg/m 3 à 550 kg/m 3 de liant hydraulique, dit liant, comprenant : - de 20% à 40% en poids de clinker Portland par rapport au poids total dudit liant et dont les particules présentent un D50 supérieur à 11 µm et une surface spécifique Blaine inférieure ou égale à 5500 cm²/g, - de 45% à 75% en poids en filler par rapport au poids total dudit liant et dont les particules présentent un D70 inférieur ou égal à 63 µm, et - de 5% à 15% en poids en matériau de granulométrie ultrafine par rapport au poids total dudit liant et dont les particules présentent une surface spécifique BET supérieure ou égale à 5 m²/g ou un D50 inférieur ou égal à 8 µm, et étant choisi parmi les additions hydrauliques, les additions pouzzolaniques, les ciments ultrafins et leurs mélanges, ii) au moins 0,05 % en poids, exprimé en extrait sec par rapport au poids total dudit liant, en superplastifiant ou plastifiant, iii) de l’eau dans un rapport massique eau/liant variant de 0,3 à 0,45, et iv) des granulats. Par « béton frais », on entend un béton tel qu’obtenu à l’issue du malaxage de ses différents constituants et avant sa prise, c’est-à-dire un béton qui a la capacité de se déformer et/ou de s’écouler. Les inventeurs ont ainsi mis au point une composition de béton frais originale pour l’élaboration d’un béton à faible teneur en clinker. Cette composition est avantageuse à plusieurs titres. Comme il ressort des exemples ci-après, elle permet d’obtenir un bon compromis entre résistance mécanique d’une part, et fluidité et viscosité du béton à l’état frais d’autre part. Par ailleurs, elle permet d’obtenir un béton dont les émissions de CO 2 sont fortement réduites par rapport à un béton traditionnel du fait de la faible teneur en clinker, et la réduction d’eau dans la formulation de béton permet d’aller plus loin dans l’optimisation environnementale de la composition. Enfin, un tel béton peut avantageusement être mis en œuvre comme béton de structure, et peut atteindre des classes de résistance au moins de classe C25/30, voire de classe C30/37. En particulier, la sélection des composants du mélange ternaire formant le liant ainsi que leurs proportions permet, par ajustement du rapport eau/liant et du ou des superplastifiant(s) ou plastifiant(s), d’obtenir une composition de béton frais dont la pâte, séparant les granulats, présente un volume et une viscosité adaptés pour atteindre une consistance fluide telle que requise pour une utilisation sur un chantier de construction, tout en favorisant une réactivité du liant et un empilement granulaire permettant d’atteindre d’excellentes propriétés de résistance mécanique après la prise et à 28 jours. L’invention concerne également l’utilisation d’un liant hydraulique, notamment tel que décrit dans la présente invention, comprenant : - de 20% à 40% en poids de clinker Portland par rapport au poids total dudit liant et dont les particules présentent un D50 supérieur à 11 µm et une surface spécifique Blaine inférieure ou égale à 5500 cm²/g, - de 45% à 75% en poids en filler par rapport au poids total dudit liant et dont les particules présentent un D70 inférieur ou égal à 63 µm, et - de 5% à 15% en poids en matériau de granulométrie ultrafine par rapport au poids total dudit liant et dont les particules présentent une surface spécifique BET supérieure ou égale à 5 m²/g ou un D50 inférieur ou égal à 8 µm, et étant choisi parmi les additions hydrauliques, les additions pouzzolaniques, les ciments ultrafins et leurs mélanges, et dont le rapport pondéral clinker/filler est d’au moins 0,32, pour former un béton frais possédant un affaissement au cône d’Abrams supérieur ou égal à 160 mm, de préférence supérieur ou égal à 180 mm, mesuré selon la norme NF EN 12350-2 à une température de 20°C à l’issue du gâchage, et de viscosité inférieure ou égale à 9 secondes, de préférence inférieure ou égale à 6 secondes, mesurée par la méthode du cône inversé selon la norme XP P18-469 à une température de 20°C à l’issue du gâchage. Le liant hydraulique est particulièrement avantageux pour former un béton frais de consistance fluide et de faible viscosité, correspondant aux propriétés requises pour couler du béton sur un chantier de construction ou comme éléments préfabriqués. L’invention concerne aussi l’utilisation d’une composition de béton frais, notamment selon l’invention, comprenant au moins : i) un liant hydraulique comprenant : - de 20% à 40% en poids de clinker Portland par rapport au poids total dudit liant et dont les particules présentent un D50 supérieur à 11 µm et une surface spécifique Blaine inférieure ou égale à 5500 cm²/g, - de 45% à 75% en poids en filler par rapport au poids total dudit liant et dont les particules présentent un D70 inférieur ou égal à 63 µm, et - de 5% à 15% en poids en matériau de granulométrie ultrafine par rapport au poids total dudit liant et dont les particules présentent une surface spécifique BET supérieure ou égale à 5 m²/g ou un D50 inférieur ou égal à 8 µm, et étant choisi parmi les additions hydrauliques, les additions pouzzolaniques, les ciments ultrafins et leurs mélanges, ii) au moins un superplastifiant ou plastifiant, iii) de l’eau et iv) des granulats, et dont l’affaissement au cône d’Abrams est supérieur ou égal à 160 mm, mesuré selon la norme NF EN 12350-2 à une température de 20°C à l’issue du gâchage, et la viscosité est inférieure ou égale à 9 secondes mesurée par la méthode du cône inversé selon la norme XP P18-469 à une température de 20°C à l’issue du gâchage, pour former un béton durci présentant une résistance à la compression supérieure ou égale à 25 MPa, de préférence supérieure ou égale à 30 MPa, mesurée sur cylindres selon la norme NF EN 12390-3, 28 jours après mise en contact dudit liant avec l’eau. En plus de posséder les propriétés de consistance fluide et de faible viscosité requises à l’état fluide pour une mise en œuvre sur un chantier de construction ou pour la préparation d’éléments préfabriqués, la composition de béton frais permet de former un béton durci possédant les propriétés mécaniques requises pour un béton de structure. L’invention concerne un procédé de préparation d’un béton durci comprenant la mise en œuvre d’un liant hydraulique comprenant : - de 20% à 40% en poids de clinker Portland par rapport au poids total dudit liant et dont les particules présentent un D50 supérieur à 11 µm et une surface spécifique Blaine inférieure ou égale à 5500 cm²/g, - de 45% à 75% en poids en filler par rapport au poids total dudit liant et dont les particules présentent un D70 inférieur ou égal à 63 µm, et - de 5% à 15% en poids en matériau de granulométrie ultrafine par rapport au poids total dudit liant et dont les particules présentent une surface spécifique BET supérieure ou égale à 5 m²/g ou un D50 inférieur ou égal à 8 µm, et étant choisi parmi les additions hydrauliques, les additions pouzzolaniques, les ciments ultrafins et leurs mélanges, et dont le rapport pondéral clinker/filler est d’au moins 0,32. Le liant peut être mis en œuvre sous la forme d’une composition de béton frais selon l’invention. En particulier, le procédé met en œuvre une composition de béton frais présentant les propriétés d’écoulement décrites précédemment, et permet d’obtenir un béton de structure. Le procédé de préparation d’un béton durci peut avantageusement être mis en œuvre sur un chantier de construction. Les utilisations et le procédé selon l’invention sont particulièrement avantageux pour former un élément structurant tel qu’un pieu, une paroi moulée, une semelle, une longrine, une dalle, un plancher, un poteau, une poutre ou un voile. Enfin, l’invention concerne un béton durci obtenu à partir de la composition de béton frais selon l’invention ou obtenu à partir du procédé selon l’invention. Par l’adjectif « sec », on caractérise un matériau dénué d’eau. Dans la suite du texte, les rapports pondéraux sont exprimés en extrait sec. Au sens de l’invention, l’expression « teneur en composé », par exemple « teneur en filler » couvre la mise en œuvre d’un unique filler ou d’un mélange de plusieurs fillers. Composition de béton frais comprenant au moins : i) de 350 kg/m 3 à 550 kg/m 3 de liant hydraulique, dit liant, comprenant : - de 20% à 40% en poids de clinker Portland par rapport au poids total dudit liant et dont les particules présentent un D50 supérieur à 11 µm et une surface spécifique Blaine inférieure ou égale à 5500 cm²/g, - de 45% à 75% en poids en filler par rapport au poids total dudit liant et dont les particules présentent un D70 inférieur ou égal à 63 µm, et - de 5% à 15% en poids en matériau de granulométrie ultrafine par rapport au poids total dudit liant et dont les particules présentent une surface spécifique BET supérieure ou égale à 5 m²/g ou un D50 inférieur ou égal à 8 µm, et étant choisi parmi les additions hydrauliques, les additions pouzzolaniques, les ciments ultrafins et leurs mélanges, ii) au moins 0,05 % en poids, exprimé en extrait sec par rapport au poids total dudit liant, en superplastifiant ou plastifiant, iii) de l’eau dans un rapport massique eau/liant variant de 0,3 à 0,45, et iv) des granulats. Composition de béton frais selon la revendication 1, dans laquelle le clinker et le filler sont mis en œuvre dans un rapport pondéral clinker/filler d’au moins 0,32, de préférence supérieur ou égal à 0,4, plus préférentiellement de 0,4 à 0,7. Composition de béton frais selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle ledit liant comprend de 45% à 70% en poids, de préférence de 45% à moins de 65% en poids, et plus préférentiellement de 50% à 58% en poids en filler par rapport au poids total dudit liant. Composition de béton frais selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle ledit liant comprend au moins 23% en poids, de préférence de 25% à 40% en poids, et plus préférentiellement de 25% à 35% en poids de clinker par rapport au poids total dudit liant. Composition de béton frais selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle ledit liant comprend au moins 7% en poids, notamment de 7,5% à 14% en poids en matériau de granulométrie ultrafine par rapport au poids total dudit liant. Composition de béton frais selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le filler comprend au moins un filler calcaire, de préférence dans laquelle le filler est un filler calcaire. Composition de béton frais selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le matériau de granulométrie ultrafine est choisi parmi les laitiers, la fumée de silice, le métakaolin, les argiles calcinées, les cendres volantes, les additions pouzzolaniques naturelles ou artificielles, les ciments ultrafins de classe CEM I, CEM II, CEM III, CEM IV ou CEM V, et leurs mélanges, et de préférence parmi les laitiers de haut-fourneau, la fumée de silice, le métakaolin, les argiles calcinées, les additions pouzzolaniques naturelles ou artificielles, les ciments ultrafins de classe CEM I, CEM II, CEM III, CEM IV ou CEM V et leurs mélanges. Composition de béton frais selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le clinker est mis en œuvre sous la forme d’un ciment Portland, de préférence choisi parmi le CEM I et le CEM II/A. Composition de béton frais selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le ou les superplastifiant(s) ou plastifiant(s) sont choisi(s) parmi les PCE (éthers polycarboxyliques), les PCA (acides polycarboxylique), les phosphonates, les NBSP (superplastifiants à base de naphtalène), les PNS (polynaphtalènes sulfonates), les LS (lignosulfonates) et leurs mélanges, de préférence choisi(s) parmi les PCE (éthers polycarboxyliques), les PCA (acides polycarboxylique), les phosphonates et leurs mélanges. Composition de béton frais selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant de 0,05 % à 1 % en poids, de préférence de 0,1 % à 0,5 % en poids, exprimé en extrait sec par rapport au poids total dudit liant, en superplastifiant ou plastifiant. Composition de béton frais selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le rapport massique eau/liant varie de 0,3 à 0,4, de préférence est supérieur à 0,32, plus préférentiellement d’au moins 0,34, voire varie de 0,36 à 0,4. Composition de béton frais selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les granulats comprennent au moins un matériau dont la taille particulaire est comprise entre 6 mm à 32 mm, en particulier les granulats comprennent au moins du sable, des gravillons ou leurs mélanges. Composition de béton frais selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le mélange du liant, de l’eau, du ou des superplastifiant(s) ou plastifiant(s) et, le cas échéant, de l’air occlus et des particules de sable de diamètre inférieur à 63 µm, forment une pâte, avec le volume de ladite pâte étant supérieur ou égal à 115%, en particulier à 120%, voire compris entre 120% à 135%, du volume poreux du squelette granulaire. Composition de béton frais selon l’une quelconque des revendications précédentes, possédant une viscosité inférieure ou égale à 9 secondes, de préférence inférieure ou égale à 6 secondes, mesurée par la méthode du cône inversé selon la norme XP P18-469 à une température de 20 °C à l’issue du gâchage. Composition de béton frais selon l’une quelconque des revendications précédentes, possédant un affaissement au cône d’Abrams supérieur ou égal à 160 mm, de préférence supérieur ou égal à 180 mm, mesuré selon la norme NF EN 12350-2 à une température de 20°C à l’issue du gâchage. Utilisation d’un liant hydraulique comprenant : - de 20% à 40% en poids de clinker Portland par rapport au poids total dudit liant et dont les particules présentent un D50 supérieur à 11 µm et une surface spécifique Blaine inférieure ou égale à 5500 cm²/g, - de 45% à 75% en poids en filler par rapport au poids total dudit liant et dont les particules présentent un D70 inférieur ou égal à 63 µm, et - de 5% à 15% en poids en matériau de granulométrie ultrafine par rapport au poids total dudit liant et dont les particules présentent une surface spécifique BET supérieure ou égale à 5 m²/g ou un D50 inférieur ou égal à 8 µm, et étant choisi parmi les additions hydrauliques, les additions pouzzolaniques, les ciments ultrafins et leurs mélanges, et dont le rapport pondéral clinker/filler est d’au moins 0,32, pour former un béton frais possédant un affaissement au cône d’Abrams supérieur ou égal à 160 mm, de préférence supérieur ou égal à 180 mm, mesuré selon la norme NF EN 12350-2 à une température de 20°C à l’issue du gâchage, et de viscosité inférieure ou égale à 9 secondes, de préférence inférieure ou égale à 6 secondes, mesurée par la méthode du cône inversé selon la norme XP P18-469 à une température de 20°C à l’issue du gâchage. Utilisation selon la revendication précédente d’un liant hydraulique tel que défini selon l’une quelconque des revendications 1 à 8. Utilisation d’une composition de béton frais comprenant au moins : i) un liant hydraulique comprenant : - de 20% à 40% en poids de clinker Portland par rapport au poids total dudit liant et dont les particules présentent un D50 supérieur à 11 µm et une surface spécifique Blaine inférieure ou égale à 5500 cm²/g, - de 45% à 75% en poids en filler par rapport au poids total dudit liant et dont les particules présentent un D70 inférieur ou égal à 63 µm, et - de 5% à 15% en poids en matériau de granulométrie ultrafine par rapport au poids total dudit liant et dont les particules présentent une surface spécifique BET supérieure ou égale à 5 m²/g ou un D50 inférieur ou égal à 8 µm, et étant choisi parmi les additions hydrauliques, les additions pouzzolaniques, les ciments ultrafins et leurs mélanges, ii) au moins un superplastifiant ou plastifiant, iii) de l’eau et iv) des granulats, et dont l’affaissement au cône d’Abrams est supérieur ou égal à 160 mm, mesuré selon la norme NF EN 12350-2 à une température de 20°C à l’issue du gâchage, et la viscosité est inférieure ou égale à 9 secondes mesurée par la méthode du cône inversé selon la norme XP P18-469 à une température de 20°C à l’issue du gâchage, pour former un béton durci présentant une résistance à la compression supérieure ou égale à 25 MPa, de préférence supérieure ou égale à 30 MPa, mesurée sur cylindres selon la norme NF EN 12390-3, 28 jours après mise en contact dudit liant avec l’eau. Utilisation selon la revendication précédente d’une composition de béton frais selon l’une quelconque des revendication 1 à 15. Procédé de préparation d’un béton durci comprenant la mise en œuvre d’un liant hydraulique comprenant : - de 20% à 40% en poids de clinker Portland par rapport au poids total dudit liant et dont les particules présentent un D50 supérieur à 11 µm et une surface spécifique Blaine inférieure ou égale à 5500 cm²/g, - de 45% à 75% en poids en filler par rapport au poids total dudit liant et dont les particules présentent un D70 inférieur ou égal à 63 µm, et - de 5% à 15% en poids en matériau de granulométrie ultrafine par rapport au poids total dudit liant et dont les particules présentent une surface spécifique BET supérieure ou égale à 5 m²/g ou un D50 inférieur ou égal à 8 µm, et étant choisi parmi les additions hydrauliques, les additions pouzzolaniques, les ciments ultrafins et leurs mélanges, et dont le rapport pondéral clinker/filler est d’au moins 0,32. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel ledit liant est mis en œuvre sous la forme d’une composition de béton frais selon l’une quelconque des revendication 1 à 15. Procédé selon la revendication précédente, comprenant au moins les étapes consistant à : a) former ladite composition de béton frais par malaxage de ses composants ; b) le cas échéant, couler la composition de béton frais, et c) laisser ladite composition de béton frais durcir pour obtenir ledit béton durci. Béton durci obtenu à partir de la composition de béton frais selon l’une quelconque des revendications 1 à 15 ou obtenu à partir du procédé selon l’une quelconque des revendications 20 à 22. Béton durci selon la revendication précédente, présentant une résistance à la compression supérieure ou égale à 25 MPa, de préférence supérieure ou égale à 30 MPa, mesurée sur cylindres selon la norme NF EN 12390-3, 28 jours après mise en contact dudit liant avec l’eau. Béton durci selon la revendication 23 ou 24, ledit béton durci étant sous la forme d’un élément structurant, notamment un élément préfabriqué ou coulé, en particulier un élément structurant d’un ouvrage de bâtiment ou de travaux publics tel qu’en infrastructure ou en superstructure.