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PRÉPARATION DE :BÉTON PROJETÉ
DOMAINE TECHNIQUE
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La présente invention concerne une méthode améliorée dans le
domaine de la technologie du béton projeté (shotcrete), laquelle utilise
une microstructure, le béton projeté étant constitué d'un minéral de la
plus grande stabilité chimique en mélange avec du ciment, des agrégats,
10 de l'eau, lesquels sont mis en oeuvre par projection de préférence avec
de l'air comprimé. Plus particulièrement, la présente invention se réfère
à l'addition de sulfate de baryum, notamment de la barytine, dans la
technologie du béton projeté, dans le but d'améliorer l'alimentation, le
mélange, le transport et la projection, ainsi qu'aux produits améliorés qui
15 en résultent, notamment des coulis, enduits, mortiers, bétons, remblais,
et autres.
TECHNIQUE ANTÉRIEURE
20 On sait que l'application de mortiers et bétons par projection
connut ses débuts aux États-Unis au tournant du siècle. La projection
s'effectuait avec une machine appelée "Cernent Gun". Préalablement, la
technologie du béton projeté telle que connue jusqu'à présent a été
appliquée pour la première fois en Roumanie vers 1905 dans la
25 construction d'un barrage en béton, protégé par une couche de béton
projeté d'une épaisseur de 8 cm.
En 1965, donc environ 60 ans plus tard, l'ouvrage a été vérifié et
on a constaté que le béton projeté en parement amont se trouvait en bon
état tandis qu'en parement aval le barrage présentait des déformations et
30 des fissures. Cet ouvrage a démontré la durabilité du béton projeté, les
déformations étant attribuées au vieillissement depuis 60 ans et aux
équipements périmés utilisés à l'époque.
La technologie du béton projeté a été beaucoup améliorée
pendant cette période de plus de 90 années, surtout depuis la seconde
35 guerre mondiale, notamment en ce qui concerne les équipements, les
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composantes, les problèmes d'environnement, l'hygiène et la sécurité du
travail, les maladies professionnelles et la formation des travaillews,
mais de façon insuffisante.
Le béton projeté est donc un béton appliqué par projection de
préférence pneumatique à très haute vitesse avec ou sans pompage
préalable. Par rapport au béton conventionnel, moulé et vibré, ce
concept de projection à haute vitesse lui donne des avantages et des
désavantages bien caractéristiques, et en conséquence le destine à des
usages bien spécifiques. Ainsi, la puissance et la vitesse de projection
facilite l'obtention d'un produit plus compact, plus dense, plus
imperméable, moins poreux, et donne aussi un produit qui possède une
meilleure cohésion et une meillewe adhérence aux surfaces qui lui sont
destinées qu'elles soient de forme, de texture, ou de dweté régulières ou
irrégulières. Entre autres, ce concept de projection pneumatique permet
de transporter les composantes du mélange, depuis le mélangeur aux
surfaces réceptrices par l'entremise de boyaux, sur une très longue
distance, notamment jusqu'à 600 mètres dans le procédé par voie sèche.
La projection permet d'opérer dans des espaces très exiguës, d'éliminer
des structwes et d'effectuer des applications verticales, de même que des
applications horizontales vers le haut ou vers le bas. La projection
permet aussi d'obtenir une meillewe protection anti-corrosive,
particulièrement sw des renforcements métalliques, ainsi qu'une
protection ignifuge. Malheweusement, en dépit de ses avantages
importants et nombreux, ce concept de projection, possède aussi
plusiews désavantages, difficultés et limites que la science et l'industrie
ont tenté de corriger, mais avec très peu de succès, depuis plusiews
années. Dépendant du procédé de mélange choisi, c'est-à-dire, le
procédé par voie sèche ou par voie humide, les principaux désavantages
sont les suivants: abrasion de (équipement de mélange et des boyaux
utilisés pow le transport et la projection; blocage de (équipement de
mélange et des boyaux; qualité irrégulière de l'opération mélange, et
ségrégation dwant le transport et la projection; nettoyage long, di~cile
et souvent imparfait des équipements après usage; nécessité très
importante d'ajuster de façon adéquate le degré d'humidité à fintériew et
à fextériew des équipements pendant le mélange et au cocas des
opérations de transport pow éviter la prise hâtive et indésirabïe du
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ciment; besoin d'utilisation de retardateurs de prise ou de super-
plastifiants dans le procédé par voïe humide; production de poussières,
principalement dans le procédé par voie sèche, pendant l'alimentation, le
transport et la projection, affectant sérieusement les poumons du
5 "nozzleman", la visibilité et l'adhérence aux surfaces réceptrices;
rebonds durant la projection, provoquant des pertes de matériaux, des
risques de blessures au "nozzleman", des poches de sable et des vides
dans le produit appliqué; projection saccadée, avec blocages, saccades et
coups de lance, provoquant des risques de blessures au "nozzleman", et
10 aussi des variations dans la qualité, l'homogénéité et l'uniformité du
produit obtenu; difficulté pour le "nozzleman" d'obtenir un réglage
parfait du rapport eau-ciment pendant la projection dans le procédé par
voie sèche, ce qui est un facteur essentiel de qualité du produit obtenu;
l'expertise et l'expérience adéquates du "nozzleman" comme facteur
15 déterminant; la production d'électricité statique, surtout dans le procédé
par voie sèche.
Plusieurs innovations ont été suggérées dans le passé afin de
corriger ces désavantages, ou pour améliorer la performance de la
technologie de béton projeté, notamment en utilisant des accélérateurs
20 ou des retardateurs de prise, des agents entraîneurs d'air, des latex, des
réducteurs d'eau ou des super-plastifiants.. Cependant, plus il y a de
composantes, plus il est difficile de contrôler la durabilité à long terme à
cause des problèmes de compatibilité des additifs-adjuvants, des
ciments, ou des agrégats utilisés. De plus, on doit se rappeler que le
25 béton projeté est souvent utilisé dans des environnements inconnus, ou
dans des environnements qui deviendront inconnus ou non-contrôlés
dans le temps.
Il est bien connu dans l'art antérieur (brevet U.S.A. 4,931,098)
d'améliorer l'application de béton par projection en utilisant une fumée
30 de silice contenant au moins 90% de Si02, dans la composition de
départ. On préconïse l'utilisation de S-30% en poids de fumée de silice
par rapport au poids de solution de barbotine et 8 à 10% en poids par
rapport au poids de ciment. L'utilïsation de fumée de silice est basée sur
le fait que l'on obtïent à court terme un produit plus imperméable qui
35 contribue aussi à la production d'une quantité satisfaisante de rebonds.
Cependant, il a été noté que la fumée de silice représente une source de
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maladies professionnelles à long terme et que son utilisation n'a pas
éliminé ou fait diminuer les réactions alcalines ni la formation des
fissures et micro-fissures de dilatation ou de contraction à long terme.
Plus encore, les "nozzleman" ainsi que les environnementalistes sont
devenus réticents à manipuler et utiliser ce produit dans la technologie
de bëton projeté.
L'un des demandeurs, l'ingénieur Ioan Toma, a déjà appliqué la
technologie de béton projeté en 1943 en Roumanie, dans une mine de
charbon. L'abattage (1e front de travail) était situé dans une zone où il y
avait émanation de gaz méthane, CH4, et l'opération avait pour but de
colmater et d' empêcher l'émigration du gaz.
De plus, un brevet concernant une machine de béton projeté
commercialisé en Roumanie et au Maroc, sous le nom de "Machine à
torcreter type Toma" Iui fut décerné en Roumanie à titre d'auteur sous le
numéro 51.166, le 27 juin 1966. D'autre part, un autre brevet Roumain
lui fut décerné à titre de co-auteur sous le numéro 50.548, le 14 mars
1966 sur un dispositif pour projeter un mélange de bétonnage. Ce
dispositif est actionné par un moteur pneumatique et sert à protéger les
roches de faible consistance 15 minutes après le tir de dérochage. Un
autre brevet lui fut émis en Roumanie à titre d'auteur sous le numéro
51.338 le 20 octobre 1967 et concerne un procédé de consolidation par
béton projeté d'excavation souterraine dans des roches de faible
consistance. Le procédé consiste à exécuter des canaux dans les parois
rocheuses d'une profondeur adéquate sous forme hélicoïdale et sous
divers angles.
D'autre part, on sait que l'utilisation de barytine dans les
mélanges de béton conventionnel a été étudiée depuis longtemps.
L'objectif a été de produire un béton lourd et opaque aux rayons X et
gamma. Cependant, toutes ces études n'ont porté que sur le béton
obtenu par coulage et vibration et ont mal réussi à éliminer la
ségrégation gravimétrique (ce qui a pour conséquence de diminuer le
compactage et (imperméabilité).
Les inventeurs considèrent donc que les efforts d'innovation
doivent, autant que possible, s'inscrire dans la perspective du
développement durable, tel que décrit dans la Convention de Rio.
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L'invention a donc pour objet de recourir le moins possible à des
composantes constituées chimiquement etlou qui risquent d'agir
chimiquement entre elles et/ou avec leur environnement à court, moyen
ou long terme.
L'EXPOSÉ DE L'INVENTION
L'invention concerne une méthode selon laquelle on prépare un
mélange à projeter à base de ciment, et l'on projette ce mélange à haute
vitesse sur une surface dans des conditions telles que ledit mélange
forme un revêtement qui adhère à ladite surface, caractérisé en ce que
ledit mélange comporte du sulfate de baryum.
De préférence, le mélange à projeter est un mélange de béton, et
ce dernier comporte jusqu'à environ 100% en poids de sulfate de baryum
par rapport au poids de ciment dans ledit mélange.
De préférence, le mélange de béton comportera entre environ 2 et
50% en poids de sulfate de baryum par rapport au poids de ciment dans
ledit mélange, par exemple entre environ 2 et 10% en poids de sulfate de
baryum.
On pourra, par exemple, utiliser le sulfate de baryum sous forme
de barytine. La barytine utilisée aura de préférence une granulométrie
variant entre 0,01 micron et 75mm et aura une teneur entre environ 80 et
99%.
Selon une réalisation préférée, la surface à traiter peut contenir
des roches edou du béton dégradé (armé ou non armé). Le traitement
(en "sandwich") s'effectuera alors en projetant sur la surface un premier
mélange pour former une couche qui rend la surface étanche et/ou
ignifuge, en projetant ensuite successivement ou alternativement un ou
plusieurs desdits mélanges de béton sur la couche étanche pour former
une ou des structures protectrices et portantes, et enfin en projetant un
dernier mélange destiné à constituer une couche de protection éliminant
ou diminuant ainsi la formation d'efflorescence et la dégradation de la
surface par l'aggression d'agents chimiques extérieurs.
Selon une autre réalisation, la surface est constituée par des
gisements, des minerais métallifères et non métallifères, charbon, sel et
dépôt de glace, et matériaux de construction de faible consistance ou par
du béton dégradé, et préalablement à la projection sur cette surface, on
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pratique des canaux sur la surface de façon à ancrer le mélange de
béton. Ces canaux auront habituellement une profondeur d'environ au
moins lOcm et une largeur d'environ au moins l5cm. De préférence, on
pratiquera des canaux constituant des nervures de résistance en forme
hëlicoïdale avec un pas d'au moins environ SOcm. On peut renforcer ces
canaux de forme hélicoïdale avec des éléments métalliques (grillage ou
barres d'armature), ou par ancrage. De préférence, les canaux auront un
profil en coupe de forme rectangulaire ou trapézoïdale.
MANI~RE DE RÉALISER L'INVENTION
Il a donc été découvert que le sulfate de baryum (BaS04) , que
l'on retrouve sous forme d'un minéral appelé barytine, est d'une trés
grande utilité lorsqu'on l'incorpore comme élément essentiel dans la
fabrication et Ia mise en place du béton projeté. Il a été constaté que la
barytine améliore la technologie de projection du béton et vice-versa,
que la technologie de projection de béton optimise certaines
caractérisüques de la barytine. Cette relation bénéfique n'existe pas
dans la technologie du béton conventionnel.
Les propriétés de la barytine sont les suivantes:
pH: 6,4 à 7,2;
faible dureté: 3 à 3,5 sur l'échelle Mohs;
densité: 4, 3 à 4, 6;
inactivité chimique;
extrême insolubilité de 0,000285 g/100g H20 à 30°C;
absence complète d'effervescence dans l'acide chlorhydrique;
opacité aux rayons X et aux rayons gamma;
faible degré d'abrasivité;
propriétés de lubrifiant et d'agent de remplissage;
teinte pâle et très faible pouvoir réflecteur (un peu supérieur à
celui du quartz);
finesse jusqu'à 0,01 micron;
grande compressibilité réversible (décompressibilité et non-
agglomérabilité);
caractère amorphe;
propriétés anti-magnétiques;
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non-toxicité relative pour l'humain et pour l'animal;
influence néfaste sur les colonies de benthos;
température de fusion: 1250°C;
bas coefficient d'expansion et stabilité à la chaleur;
bonne capacité d'accumulation thermique;
bonne capacité d'isolation thermique;
bas taux d'absorption d'huile;
facilité de mouillage par l'huile.
Ces propriétés de la barytine, dans un contexte de projection
cimentaire avec aggrégats petits ou gros ont un effet multiplicateur, et
non seulement cumulatif. Elles agissent entre elles par interaction; on
parle d'une combinaison en synergie.
Ainsi, le caractère lubrifiant et de remplissage de la barytine
permet entre autres: de diminuer l'abrasion du mélangeur et des boyaux;
d'assurer un transport pneumatique et par pompage plus facile par suite
de moins de résistance exercée par les parois du boyau, et moins de
friction des particules des composantes entre elles; une meilleure
fluidisation des particules des composantes et moins de ségrégation; une
(vitesse de) projection moins énergivore; d'obtenir un mélange plus
homogène du ciment, de l'eau et des agrégats, et conséquemment, un
rythme de projection plus doux, plus uniforme, et avec moins de
saccades; de diminuer la quantité de poussière produite lors de
l'alimentation, du transport, ou de la projection; d'améliorer la
pompabilité; de diminuer le barbotage; de réduire le retrait initial et la
micro-fissuration initiale, et ainsi d'augmenter la résistance mécanique à
long terme et la durabilité du béton, en diminuant le ratio eau-ciment
sans affecter négativement la maléabilité-oeuvrabilité (souvent obtenue
par des retardateurs de prise, des réducteurs d'eau, des super-
plastifiants); d'améliorer la cohésion du produit fraîchement projeté et
d'augmenter l'épaisseur possible maximale par application; d'obtenir une
meilleure pénétration des fissures des surfaces de réception et un contact
plus intime avec le béton original existant et les armatures, résultant
d'une meilleure élimination du film d'air présent à la surface des
armatures et du béton existant; de produire moins d'électricité statique
durant le transport et la projection; de faire le nettoyage des équipements
de mélange, de transport et de projection plus facilement et plus
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rapidement; de réduire les quantités et la grosseur des vides dans Ie
béton causés entre autres par l'utilisation de fibres; de rendre possible
une application par projection à filltérieur d'une fourchette plus large de
températures ambiantes.
S L'inactivité chimique et le pH neutre de la barytine permettent
entre autres: d'obtenir une meilleure durabilité en milieu agressif humide
(H20, sulfates, chlorures, réactions alcalines notamment avec Ia silice,
etc.) de la pâte de ciment et des armatures métalliques; d'adoucir le choc
thermique d'hydratation chimique du ciment qui cause le retrait et la
micro-fissuration initiale du béton (cet adoucissement du choc
thermique résulte aussi de la capacité d'accumulation thermique de la
barytine); de rendre son utilisation compatible avec les ciments,
aggrégats, additifs, et adjuvants normalement utilisés dans la technologie
du béton projeté; la réalisation de barrières isolantes contre les
agressions chimiques des gaz ou des liquides; Ia projection sur une
surface humide.
La finesse et la mollesse de la barytine permettent: entre autres
une meilleure maléabilité-oeuvrabilité; une meilleure cohésion du
produit projeté; une plus grande quantité de produit projeté par
application; une meilleure compactions une meilleure imperméabilité à
l'air et à l'eau; une plus grande densité; une plus faible porosité par suite
de la diminution des vides sans affecter négativement la maléabilité-
oeuvrabilité; une diminution des rebonds; une diminution de la poussière
produite durant la projection; une augmentation de la résistance
mécanique en compression surtout; une meilleure étanchéité aux gaz;
une adhérence accrue par un contact plus intime avec toutes les surfaces
de réception incluant les fissures et la partie cachée arrière des
armatures; un choc thermique diminué par suite de la densité générée
par la compaction avec le résultat qu'il y a moins d'oxygène disponible
pour l'hydratation; (amélioration de la résistance aux cycles gel-dégel, à
cause d'une capacité d'isolation supérieure contre l'eau, l'air, les
chlorures, etc.
La densité de la barytine permet d'obtenir entre autres: un
meilleur écoulement du mélange de béton dans la trémie d'alimentation;
une plus grande force d'impact du produit projeté sur la surface de
réception, ce qui augmente l'adhérence, le compactage et fauto-
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compactage, la cohésion et l'épaisseur possible maximale du revêtement
et en conséquence une réduction de la quantité d'accélérateur de prise
nécessaire pour une même cohésion; une diminution de l'émission de
poussière lors de l'alimentation dans les trémies (poussières provenant
du ciment, du sable, mais aussi des adjuvants minéraux â réaction
pouzzolanique tels que la fumée de silice); ainsi qu'une augmentation de
la vitesse de sédimentation des poussières, en particulier dans les mines;
moins de rebonds lors de l'application.
EXEMPLES COMPARATIFS
L'ingénieur Toma a expérimenté un mélange de béton projeté
avec barytine, utilisant une courbe granulométrique discontinue et une
barytine dont la qualité est conforme aux spécifications qui suivent. Les
résultats ont été très concluants, et ont motivé la présente demande.
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Proportions en poids des différents constituants exprimé en
nombre de parties pour 100 parties de ciment, selon
l'expérience ci-dessus, utilisant une courbe granulométrique
discontinue.
O U L-I S- E N-D-U~- ,~0~ - _
- ~ R F M R
- -- r , a_T
A)IMENT 100 100 100 100
100
B)BARYTINE
teneur
BaS04 95-97% 95-97i 93-95% 90-93~ 85-90%
Si02 3% 2 3% 3%
7%
granulomtrie
(microns)
0,01 4 1-50 2 2 2
0,5
4 47 1 0,5 3 3
3
47 100 0 2 2,5 - 3
2
(mm)
1 3 - _ _ 4
2
3 7 - - - 10 15-20
procd de fabrication (a:hydrogravitationnel , b:
cyclone)
(c: flottation)
a,b a,b a,b a,b a,b,c
C)H20 50-100 40 5-40 30-35 25-30
3
D)SABLE_DE-QUARTZ-(teneur i02: % minimum)
S 0
9
(mm)
0,1 3 - - 200 200 200
E)GRAVIER
(mm)
3 7 - - 100 100 150
15 25 - - - 100 100
50 75 - - - - 200
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Le barytine utilis tait conforme
aux critres de qualit
suivants:
BaS04 97% t 5%
S102 1% ~ 5%
Fe2O3 max 0,15%
BaC03 max 0,4%
Cu, Mn max 0,003%
Pb, As nant
Autres sulfures 0,13%
A1203 max 0,15%
SrS04 max 0,15%
Sels solubles dans l'eau 0,05%
Autres alcalis 0,1%
C~2 nant
Chlorures max 0,03%
Humidit + volatile max 0,08%
pH 7
Absorption d'huile minrale 11
Densit minimum 4,30
Duret max
Granulométrie BaS04
Poudre micronisée 0,01-4 microns
Poudre fine 4-47 microns
Poudre normale 47-1000 microns
Granulométrie A é ats
Sable 1-4 mm
Gravier 7-25 mm
Grossier (remblai) 25-75 mm
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Plus récemment, les demandeurs ont réalisé des essais par
projection de béton sur des panneaux en bois, sur un parapet en béton, et
sur un quai de déchargement en béton armé fortement dégradé. Les
essais comportaient des projections vers le plafont, vers le plancher, et
5 vers le mur. L'épaisseur de béton projeté variait entre 3 cm et 15 cm.
Des comparaisons ont été faites en utilisant a) un mélange standard, b)
un mélange standard avec 2% de barrytine en rapport du ciment, c) un
mélange standard avec 5% de barytine en rapport du ciment, d) un
mélange standard avec 66 2/3% de barytine en rapport du ciment.
10 De façon générale, on a noté, en utilisant la barytine:
1 ) une légère diminution de la poussière produite durant
l'alimentation et durant la projection;
2) que le béton projeté couvrait mieux, s'étendait mieux, et
remplissait mieux; le nozzleman l'a qualifié de plus "boueux";
15 3) que la tenue, la cohésion, et l'épaisseur maximale possible par
application étaient comparables, sinon supérieures;
4) que la finitian à la truelle était aussi facile, sinon plus facile, mais
surtout plus lisse; de plus, un jet à main de barytine sur la surface finie et
lissée a permis une finition additionnelle plus lisse et plus "régulière".
20 Après avoir recueilli des échantillons par carottage quelques jours
après la projection, an a observé dans le cas des carottes avec barytine,
par rapport aux carottes sans barytine:
1) une répartition plus uniforme des agrégats grossiers, depuis le
début de la carotte, jusqu'à la fin, indiquant une diminution dans la
25 quantité de rebonds en début de projection et une meilleure compactions
2) moins de vides (d'air), donc moins poreux;
3) une adhérence plus intime avec la surface de réception (bois,
béton ancien, métal);
4) une meilleure uniformité de la couleur, indiquant une meilleure
30 homogénéité du mélange;
S) une meilleure imperméabilité à l'eau;
6) une résistance en arrachement, en compression, en cisaillement,
et en torsion comparables;
7) un meilleur enrobage du treillis métallique (et probablement des
35 barres d'armatures) et des agrégats grossiers;
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8) une surface latérale des carottes notablement plus douce, plus
lisse.
Par ailleurs, certains tests ont été faits avec fumée de silice et
barytine, d'autres avec fumée de silice sans barytine: on n'a noté aucune
incompatibilité d'asssociation.
De plus, deux types d'équipements (machines à projeter) ont été
utilisée, sans différence notoire au niveau des résultats.
On peut utiliser à titre d'exemples non limitatifs,la projection de
béton renfermant de la barytine selon l'invention dans les endroits dont
on connaît peu ou mal l'évolution dans le futur; dans les endroits dont on
connaît peu ou mal l'évolution dans le passé; pour la fabrication de
conduits et tuyaux en béton, devant résister aux agressions chimiques
liquides; dans la fabrication et la réparation de piscines et de bassins
aquicoles; dans la construction de dômes, coupoles, voûtes et autres qui
nécessitent habituellement des treillis de renfort; en agriculture, pour
isoler les déchets animaux contaminants, les pesticides et les engrais et
pour conserver les périssables à l'abri de l'humidité et des variations de
température, de même qu'en horticulture poux la fabrication de paillis;
pour le stockage thermique; pour les revêtements extérieurs des
bâtiments soumis à l'action corrosive du vent et de l'air marin-salin le
long des littoraux océaniques; dans les travaux de réparation des
infrastructures en béton pour les rendre plus durables, plus
économiques, plus flexibles en rapport avec les conditions de site, moins
dangereux pour la santé des travailleurs; pour s'assurer des résultats plus
prévisibles; pour assurer une plus longue vie aux équipements
notamment machines et boyaux; pour effectuer des réparations diverses
telles que les projections de coulis dans les solages-fondations, les
projections de mortier lors de la réparation de murs de briques, les
projection de coulis et (application d'enduit pour réparer les voûtes de
métro; pour les soutènements miniers et la réhabilitation de sites
miniers; poux la fabrication de blocs, briques, pavés, dalles et autres,
réalisés par une projection dans des moules; et pour toutes combinaisons
d'usages ci-haut mentionnées notamment les conduites d'eau dans les
pays chauds ou secs, où l'eau est une denrée précieuse.
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