FR 2635320 A1 19900216 FR 8910686 A 19890808 CC:POSITICNS DE E?OCN A PRISE RAPIDE DESTINEES AU BETCN DE REVETEMENT L'invention ccncerne des compositions et des pro- cédés de fabrication et d'acplicatlon de béton à prise rapide. Le béton est capable de conserver sa fluidité pendant une loncue période etde prendre ensuite rapidement. Les compositions à prise rapide de cette invention s'appliquent en particulier à la construction par revêtement. La construction par revêtement est un procédé da's lequel du béton est appliqué sur une surface (par ex. d'un tunnel ou d'une caverne sousterraine). I1 existe deux types principaux de procédés de construction par revêtement qui sont les suivants: 1. Projection de béton. Celle-ci peut être réalisée au moyen d'un béton ob- tenu par mélange à sec (système par mélange sec) ou d'un bé- ton obtenu par mélange humide (le système par mélange humide). a) Système par mélange à sec Le système par mélange sec est un système dans le- quel du béton mélangé à sec est véhiculé par de l'air compri- mé à travers un flexible de distribution et est appliqué par projection sous pression à partir de la buse, de l'eau et un 041 FR agent de prise rapide étant ajoutés en amont de la. buse juste avant le passage à travers la buse. Avec ce système, il est difficile de régler la quantité d'eau ajoutée et par consé- quent de maîtriser le rapport eau-ciment (désigné ci-après par rapport E/C). Il se produit en outre une perte de pous- sière, ce qui constitue un inconvénient. En variante, l'agent de prise rapide peut être introduit au point de mélange au lieu de l"'être au voisinage de la buse. b Système par mélange humide Le système par mélange humide est un système dans lequel le béton est mélangé en présence d'eau et est véhiculé par de l'air comprimé à travers un flexible de distribution vers une buse et est ensuite projeté hcrs de la buse, un agent de prise rapide étant introduit en amont de la buse juste avant le passage à travers la buse. Il y a aussi des exemples de ce système o le béon peut être pompé, plutôt que véhiculé par air comprimé, vers un point à mi-distance entre le point de mélange et la buse dans le flexible de distribution, suivi d'un transport:pneumatique entre ce point médian et la buse. Le système assure une bonne maîtrise du rapport E/C et produit peu de poussière. 2. Procédé par injection Celui-ci est également connu sous le nom de liaison sous pression. Le béton est mélangé et est ensuite pompé (non véhiculé par air comprimé) vers une buse à travers un flexible, l'agent de prise rapide étant introduit en amont de la buse juste avant le passage à travers la buse. Le béton est ensuite coulé dans un coffrage sur. une surface excavée. Le béton est très fluide (environ 18 cm en termes d'affaissement) après coulée dans le coffrage jusqu'à peu de temps avant le durcis- sement, autrement dit pendant plusieurs minutes après addition de l'agent de prise rapide. Ce temps de prise long peut être un inconvénient, car pour augmenter le rendement on souhaiterait pouvoir enlever aussi rapidement que possible les enveloppes du coffrage pour l'opération suivante et avant de pouvoir le faire, le béton devra avoir durci en 3 à 5 minutes jusqu'à at- teindre une rsistance 2 la compression d'au moins 1cm2. teindre une résistance à la compression d'au moins I lgfcm Conformément à l'invention, il est prévu une compo- sition à base de ciment destinée par exemple à la construction par revêtement, comprenant: a) du ciment et, de préférence un granulat (désigné ci- apres par composant a) b) un adjuvant qui est ou contient un copolymère d'un polycarbc- xylate (l'adjuvant étant désigné ci-après par composant b) et c) un agent de prise rapide ou accélérateur (désigné ci- après par composant c). Il est en outre prévu, conformément à l'invention, un procédé de fabrication et d'application d'une composition à base de ciment consistant: a) à mélanger les composants a) et b), de préférence en présence d'eau; b) à transférer le mélange vers une buse en vue de l'éjec- tion du mélange c) à introduire le composant c) en amont de la buse avant passage du mélange-à travers la buse et, d) à expulser le mélange à travers la buse en vue de l'ap- plication du mélange sur la surface à revêtir. Le composant a) est de préférence du béton. Ce bé- ton peut contenir une forte proportion de granulat fin (par ex. du sable) dans la quantité totale de granulat. Dans le composant a), le ciment employé est de préférence du ciment Portland et le granulat dont la présence est souhaitable est un granulat fin, de préférence du sable ayant une taille moyenne de particule de moins de 5 mm. Le granulat, lorsqu'il est présent, peut également comporter un granulat grossier ayant une taille de particule d'environ 15 mm. La quantité de granulat se situe de préférence entre 50 et 400% en poids par rapport au ciment. Le copolymère du composant b) est, de préférence a) un copolymère hydrosoluble d'une oléfine et d'un acide dicarboxylique,f-insaturé, b) un copolymère hydrosoluble d'un ester d'un monoaryl éther de polyéthylèneglycol avec de l'acide maléique et, fa- cultativement, de monomères capables de copolymériser avec ledit ester c) i un copoiymère hydrosoluble d'isobutylène-styrène et d'acide maléicue, d) un copolymère hydrosoluble d'isobutylène-ester acry- lique et d'acide maléique, e) un copolymère hydrosoluble d'isobutylènestyrène-ester acrylique et d'acide maléique et f) un sel hydrosoluble d'un copolymère dérivé d'un mono- acrylate de polyaikylèneglycol ou d'un monométhacrylate de polvalkylèneglycol et d'acide acrylique ou-d'acide méthacry- ligue, facuitativement avec un monomère capable d'être copo- lymérisé avec celui-ci. Des exemples de monomères susceptibles d'être co- po'lvmyrt ses sont des esters d'alcools aliphatiques en C1 à C20 et d'acide méthacrylique ou d'acide acrylique; des métha- crvlamides ou des acrylamides;!'acide maléique ou l'acide fu- marlcue ou leurs mono-cu diz-rsav-esavc sla.lccls en Cà C20 des alkylèneglycols en C2 à C4 ou des polyalkylènegly- ccis en C à C4, des acétates d'alcényle en C à C (par ex. 2 4' 2 6 l'acétate de vinyle et l'acétate de propényle); des.composés vinyliques aromatiques (par ex. le styrène, le p-méthylstyrène, le styrènesulfonate) ou des halogénures de vinyle (par ex. le chlorure de vinyle). Il est préférable que le copolymère dérive d'un mo- nométhacrylate de polyalkylèneglycol en C2 à C4 ou d'un mono- acrylate de polyalkylèneglycol en C2 à C4 et d'acide acrylique ou d'acide méthacrylique, facultativement neutralisé avec un alcali. Le copolymère est plus préférablement issu a) d'un monomère de formule I CH2=C(R1)-COLO(R2 -O)n -R3 (I); et b) d'un monomère de formule II CH =C(R)-COOX (II) 2 1 dans lesquelles chaque R est, indépendamment, -:.l'hydrogène ou un méthyle; R2 est un alkylène en C2 à C4 R3 est l'hydrogène ou un alkyle en C1 à C6 n est un nombre entier de 1 à 100 inclus et X est l'hydrogène, un métal monovalent ou un équiva- lent d'un métal divalent, un ammonium ou un groupe amine. Le copolymère du composant b) possède de préférence un poids moléculaire de 23.000 à 27.000. Les dosages du composant b) employé sont de préfé- rence d'au moins 0,01%, plus préférablement de 0,01% à 0,5% par rapport au poids du ciment et, mieux encore, se situent dans la gamme de 0,03 à 0, 2%. Ce qui est connu comme "effet accélérateur super-rapide" devient plus important à mesure que le dosage augmente, mais lorsqu'on utilise des dosages dépassant la limite supérieure de 0,5%, l'efficacité pla- fonne et une nouvelle additicn devi:ent ainsi peu économique. "'L'accélérateur" (composant c) est tel que défini pages 106-7, 548 de Concrete Admixtures Handbook de V.S. Ramachandran 1984 Noyes Publications dont le contenu est in- corporé à titre de référence. "L'agent de prise rapide" (composant c) est défini dans JIS A 0203, "Concrete Terminology", comme "un mélange chi- mique destiné à accélérer la réaction d'hydratation du ciment et à raccourcir de facon marquée le temps de prise du ciment". Des exemples typiques comprennent: a) des sels inorganiques (solides ou liquides)composés d'alu- minates alcalins et de carbonates alcalins ou de leurs mélanges, b) des minéraux du ciment et c) des minéraux naturels (par ex. des aluminates, du verre soluble et du sulfo-aluminate de calcium). Comme agents de prise rapide à base de sels inorga- niques, on peut citer des agents de prise rapide comprenant un aluminate et/ou un carbonate. Les agents de prise rapide à- base de minéraux naturels comprennent de l'alunite calcinée à laquelle ont été ajoutés des carbonates et/ou des aluminates. Les agents de-prise rapide à base de minéraux de ciment com- prennent des matières cimentaires composées d'aluminates de calcium tels que CaO.A1203, 12CaO.7A1203, CaO.2A1 203, llCaO.7A1203 CaF2 et 3CaO. 3A1203 CaF2 des formes amorphes de ces minéraux et peuvent également comporter en supplément des cuantités de gypse et/ou d'agents de prise rapide à base de seis inorganiques. L'alunite calcinée est obtenue par calcination de l'alunite à une température très élevée au-dessous de son point de fusion. L'alunite (ou pierre à alun) est un minéral à base de sulfate basique d'aluminium et de potassium hydraté qui a servi de source de carbonate de potassium et d'alumine. L'alunite est KAi3 (SO4)2(H)6 ayant une dureté de 3,5 à 4 à l'échelle Mohs. La quantité ou dosage du composant c) mis en oeuvre peut être exprimée en pourcentages en poids par rapport au poids du ciment dans la composition cimentaire. Ce sont a) approximativement 2 à 8% (produit solide ou liquide) dans le cas des agents de prise rapide à base de sels inorga- niques, b) approximativement 5 à 10% dans le cas des agents de prise rapide à base de minéraux cimentaires et c) approximativement 4 à 10% dans le cas des agents de prise rapide à base de minéraux naturels. Comme les agents de prise rapide sont coûteux, comparés au ciment, au sable et au gravier (les principaux ma- tériaux utilisés dans le béton qui est la composition cimen- taire préférée) et que le dosage de l'agent de prise -rapide nécessaire pour obtenir un effet accélérateur super-rapide op- timal est généralement plus fort que pour les mélanges chi- miques, ceci constitue un facteur important pour l'évaluation du coût d'un béton de revêtement. Il est par conséquent sou- haitable d'obtenir l'effet accélérateur super-rapide requis - avec un dosage aussi faible que possible. Par ailleurs, avec le procédé de projection de béton par mélange humide, l'effet accélérateur super-rapide est plus faible qu'avec le procédé de projection par mélange à sec. Une des raisons de ceci est que les particules de ciment se trouvent en contact avec l'eau bien avant qu'elles n'entrent en contact avec l'agent de prise rapide et il se forme ainsi à la surface des particules de ciment un mince film de produit d'hydratation initial qui empêche le contact entre les particules de ciment et l'agent de prise rapide. Dans le cas d'un système de pro- jection de béton par mélange humide, la consistance du béton doit être rendue assez fluide pour qu'il puisse être facile- ment transféré, à travers le flexible de distribution, vers la buse et il est par conséquent inévitable que le rapport E/C soit élevé. Etant donné toutefois que le rapport E/C est plus élevé dans le cas du procédé de projection par mélange humide que pour le procédé de projection par mélange sec (le procédé de projection de béton par mélange sec nécessite un rapport E/C d'environ 0,45:1, alors que pour le procédé de pro- jection de béton à l'état humide il est de 0,55:1 ou plus élevé) et que l'effet accélérateur super-rapide diminue à me- sure que le rapport E/C augmente, l'effet de prise rapide est très négativement influencé dans le procédé de projection par mélange humide. Ceci est valable pour la consistance du béton employé dans un procédé de construction par injection ou procédéde liaison sous pression pour assurer une bonne coulabi- lité lorsque le béton est coulé dans des coffrages. L'emploi du composant b) dans un béton devant être mélangé avant l'addition d'un agent de prise rapide a permis d'accroître l'effet accélérateur super-rapide de l'agent de prise rapide dans le béton sans diminuer la fluidité du bé- ton destiné à l'emploi comme béton de revêtement, auquel cas le béton est malaxé avant l'addition ultérieure de l'agent de prise rapide et est ensuite appliqué sur la surface excavée d'un tunnel ou d'une caverne souterraine. En utilisant le procédé selon l'invention dans une opération de projection de béton par mélange humide, on note une amélioration marquée de la propriété accélératrice super rapide du béton projeté tout en conservant la fluidité du bé- ton. Il est par conséquent possible de réduire le dosage de l'agent de prise rapide pour obtenir un effet accélérateur su- per rapide identique, par comparaison à celui nécessaire dans un procédé de projection par mélange humide conventionnel. De plus, étant donné que la propriété accélératrice super-rapide est améliorée, on note une diminution du rebond de matériau (proportion de matériau qui retombe lors de la projection sur une surface) dans le procédé de projection de béton, ce qui constitue un avantage économique très positif. Par ailleurs, cour la production de revêtements en béton par un procédé d'injection ou de liaison sous pression, il est possible d'aug- menter la productivité en raccourcissant le temps nécessaire à la prise avant l'addition de l'agent de prise rapide tout en conservant la fluidité du béton. Ceci est d'une grande im- portance. L'invention sera à présent illustrée par les ex- emples suivants. Exemples 1 et 2 Le béton des exemples est préparé dans les propor- tions indiquées dans le tableau pour former un béton de revête- ment. (1) ingrédients du béton: a) Ciment: un mélange en quantités égaies de ciments Portland ordi- naires de marque Onoda, Mitsubishi et Sumitomo. b) Granulat grossier: Pierre concassée Ohme graywacke (densité 2,64, absorption 0,67%', F.M. = 6,35, grosseur maximale 15 mm). c) Granulat fin: un mélange en quantités égales de sable-Oi River System et de sable de sablière Chiba. d) Adjuvant: a) Acide polycarboxylique Sel de calcium du copolymère d'un monométhacrylate de polyalkylèneglycol en C2 à C4 et d'acide méthacry- lique (désigné par "A": fabriqué par Nisso Master Builders Co., Ltd.). bi Lignosulfonate Nom de la spécialité: Pozzolith n 8 (désigné par "B": fabriqué par Nisso Master Builders Co., Ltd.) c) Oxycarboxylate Gluconate de sodium (désigné par "C"'). d) Produit de condensation de naphtalène sulfone -formaldéhyde Nom de la spécialité: Mighty 150 (désigné par"D", fa- briqué par Kao Soap Co., Ltd.). e) Produit de condensation de mélanine sulfonée-for,,aidéhyde. Nom de la spécialité: NL-4000 (désigné par "E": fabriqué par Nisso Master Builders Co., Ltd.). f) Agent de prise rapide à base de poudre de sel inor- ganique Nom de la spécialité: QP-500 (désigné par "F": fa- briué par Nisso Master Builders Co., Ltd.) g) Agent de prise rapide à base de minéral cimentaire, nom de la spécialité: QP-55 (désigné par "G": fa- briqué par Nisso Master Builders Co., Ltd.) Les dosages de tous les adjuvantssont les dosages habituels recommandés par les fabricants et sont exprimés en pourcentage en poids par rapport au ciment. Tableau 1 Proportions de mélange du béton N d'essai-N d'exemple' adjuvant,Agent prise rapide Quantité de (kg/m3) Type Dosage Type Dosage Cimont Eau Granulat Granulat fin grossier 1 Exemple 1 A 0,12 F 3 360 176 1058 705 2 I - - F 3 360 200 1047 698 3 II B 0750 F 3 360 176 1058 705 4 III C 0)20 F 3 360 176 1058 705 IV D 0)45 F 3 360 176. 1058 705 6 V E 0,50 F 3 360 1;6 1058 705 7 Exemple 2 A 0 12 G 6 360 1/6 1058 705 8 VI - - G 6 360 200) 1047 698 9 VII B 0150 G 6 360 1/6 1058 705 VIII C 0 20 G 6 360 176 1058 705 11 IX D 0,45.G 6 360 176 1058 705 12 X E 0,50 G 6 360 176 1058 705 o LM Ul oà C, 1: Dans le tableau 1 cidessus, les exemples 1 et 2 illustrent l'invention et les exemples I à X sont comparatifs. Après malaxage du ciment, de l'eau, du granulat fin, du granulat grossier et, le cas échéant,de l'adjuvant A à E, on laisse reposer pendant 30 minutes le mortier résultant, obtenu par séparation de la partie mortier et du granulat grossier à l'aide d'un tamis de 5 mm. L'agent de prise rapide est ajouté et mélangé à la main pendant 20 secondes. Le temps de prise initial (temps nécessaire pour que soit atteinte une résistance à la pénétration de 35 kg/cm2 selon la méthode "d'essai du temps de prise du béton") est mesuré pour chaque mortier. Le temps de prise est considéré ici comme le temps (minutes et secondes) à partir de l'addition de l'agent de prise rapide. Résultats des essais Les résultats d'essais dans le cas de l'emploi de l'agent de prise rapide F sont ceux indiqués dans le tableau 2 et les résultats d'essais dans le cas de l'emploi de l'agent de prise rapide G sont ceux indiqués dans le tableau 3. Tableau 2 Résultats de la mesure du temps de prise (agent de prise rapide F) N d'essai N d'exemple Temps de prise initial (min-sec.) 1 1 13 min 40 sec 2 I plus de 20 min 3 II plus de 20 min 4 III plus de 20 min IV plus de 20 min 6 V 17 min 20 sec !2 ableau Résultats de -a mesure du temps de prise (agent de prise rapide G) N, d'essai N d'exeMple Temps de prise initial (min-sec) 7 2 moins de 1 min 8 VI 3 min 30 sec 9 VII 4 min 20 sec VIII plus de 20 min il IX 4 min 12 X 3 min 10 sec Là o l'agent de prise rapide employé est F, le mor- Tier ccnfectionné en l'absence de l'un quelconque des adjuvants A E cu avec l'un quelconque ces autres adnuvants comparatifs B à E r.'attelnt pas la prise initiale en l'escace de 17 minutes, mais en utilisantl'adjuvant à base de polycarboxylate (A), la prise initiale est atteinte en 13 minutes et 40 secondes. Là o l'agent de prise rapide employé est G et !'adjuvant est le polycarboxylate (A), la prise initiale est atteinte en l'espace de 1 minute, alors qu'aucun des autres essais comparatifs ne présente une prise initiale au-dessous de 3 minutes. Ceci illustre le fait que le temps de prise est fortement raccourci par l'emploi de A plutôt que de B à E avec le même agent de prise rapide. On fait apparaître également le degré jusqu'auquel est maintenue la fluidité du béton (avant addition de l'agent de prise rapide). Les matières employées dans les essais et les pro- portions de mélange du béton sont les mêmes que celles indi- quées dans le tableau 1 à propos de l'exemple 1 et des exemples comparatifs I, IV et V. De plus, les adjuvantsemployés dans ces essais sont le polycarboxylate (A), le produit de condensation de naphtalène sulfoné-formaldéhyde (D) et le produit de condensation de mélamine sulfonée-formaldéhyde (E). Après malaxage du ciment, de l'eau, du granulat et del'adjuvant à 'alide d'un malaxeur basculant, on décharge l'ensemble du beton et mesure l'affaissement. On remet le bé- ton dans le malaxeur tout en poursuivant la rotation du mé- langeur à faible vitesse (2 t/min) pendant la durée requise. Les affaissements sont mesurés après 30 minutes et 60 minutes. Résultats des essais Les résultats des essais sont donnés dans le tableau 4 Tableau 4 Résultats de l'essai de perte d'affaissement du béton N d'essai N d'exemple Adjuvant Affaissement (cm) (tableau i) Tvpe Dosage Immédiat Après Après min 60 min 13 1 A 0,12 13,5 10,0 8,5 * 14 I - - 14,0 9,0 7,5 iV D 0,45 13,5 8,0 6,0 16 V E 0,50 14,0 6,5 5,0 Il ressort du tableau 4 que l'affaissement du béton utilisant l'adjuvant à base de polycarboxylate A n'est pas ré- duit comparativement à d'autres, même après une longue période de temps. Dans l'exemple comparatif utilisant l'adjuvant E, on peut noter que le temps de prise est relativement rapide mais que la variation d'affaissement en fonction du temps est importante (atteignant moins-de 5 cm après 60 minutes). RE EVZICANS 1. Une composition cimentaire comprenant a) du ciment (désigné ci-après par composant a); b) un adjuvant qui est ou contient un copolymère d'un polycarboxylate (l'adjuvant étant désigné ci-après par com- posant b) et c) un agent de prise rapide ou accélérateur '(dé- signé ci-après par composant c). 2. Une composition selon la revendication 1 dans I laquelle le composant a) est du béton. 3. Une composition selon la revendication 1 ou 2 dans laauelle le composant b) est a) un conclymère hydrosoluble d'une oléfine et d'un acide dicarboxylique >,i-insaturé, :5 D un ccoyvrère hydrosoluble d'un ester d'un monoaryl éther de pclyéthylèneglycol avec de l'acide maléique et, fa- cultatlvement, de monomères capables de copolymériser avec ledit ester c) un copolymère hydrosoluble d'ischbutylène-styrène et 2C d'acide maléique, d) un copolymère hydrosoluble d'isobutylène-ester acry- lique et d'acide maléique, e) un copolymère hydrosoluble d'iscbutylènestyrène-ester acrylique et d'acide maléique et f) un sel hydrosoluble d'un copolymère dérivé d'un mono- acrylate de polyalkylèneglycol ou d'un monométhacrylate de polyalkylèneglycol et d'acide acrylique ou d'acide méthacry- lique, facultativement avec un monomère capable d'être copo- lymérisé avec celui-ci. 4. Une composition selon l'une quelconque des re- vendications précédentes dans laquelle le composant b) est constitué par le copolymère dérivé d'un monométhacrylate de polyalkylèneglycol en C2 à C4 ou d'un monoacrylate de polyal- kylèneglycol en C à C4 et d'acide acrylique ou d'acide métha- crylique, facultativement neutralisé avec un alcali. 5. Une composition selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 3 dans laquelle le composant b) est constitué par un copolymère dérivé a) d'un monomère de formule I CH2=C(Rl)-O-O-(R-O) (I) et 2 1 nIe b) d'un monomère de formule II CH2=C(R1)-COOX (II) dans lesquelles chaque R1 est, indépendamment, l'hydrogène ou un méthyle; R2 est un alkylène en C2 à C4; R3 est l'hydrogène ou un alkyle en C1 à C6; n est un nombre entier de 1 à 100 inclus et X est l'hydrogène, un métal monovalent ou un i écui- valent d'un métal divalent, un ammonium ou un groupe amine. 6. Une composition selon l'une quelconque des re- vendlcations précédentes dans laquelle le copolymère du com- posant b) possède un poids moléculaire de 23.000 à 27.000. * 7. Une composition selon l'une quelconque des re- vendications précédentes dans laquelle la quantité de compo- sant b) employée est d'au moins 0,01%, par rapport au poids du ciment. 8. Une composition selon la revendication 7 dans laquelle la quantité de composant b) employée est de 0,01 à 0,5%. 9. Une composition selon l'une quelconque des re- vendications précédentes dans laquelle le composant c) est choisi parmi a) des sels minéraux (solides ou liquides) comprenant des aluminates alcalins et des carbonates alcalins ou leurs mé- langes, b) des minéraux cimentaires et c) des minéraux naturels. 10. Une composition selon l'une quelconque des re- vendications précédentes dans laquelle la quantité de compo- sant c) employée est de 2 à 10% par rapport au poids de ci- ment sec. 11. Un procédé pour la fabrication et l'application d'une composition cimentaire selon l'une quelconque des reven- aIasaa es aDegins Ll ans @DueTig np uoT:eYId -de,i ap anA us 'asnq el sasae x es5ueTW l aesTndxa e (p ja ssnq ef saaelJ e abueliBu np a5bssed al queAe asnq eT 9p quoWe U9 (D;ULSodWoD el GITnpOlUT e (Z -opC9,! gp anA ua asnq aun siaAh abUelTw a7 3ieipzupl e (îq !q '