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I
BETON A FAIBLE TENEUR EN CIMENT
DOMAINE DE L'INVENTION
L'invention concerne un beton a faible teneur en ciment Portland, ainsi que
des
procedes de preparation d'un tel beton et des compositions utiles pour la mise
en ceuvre de ces
procedes.
ARRIERE-PLAN TECHNIQUE
Les developpements technologiques des dernieres annees dans le domaine des
betons
ont conduit a la mise au point de formulations cimentaires innovantes
permettant d'obtenir
des betons a ultra haute performance en terme notamment de resistance a la
compression. Ces
formulations impliquent generalement le recours a des materiaux
supplementaires en plus du
ciment et des agregats et / ou sable, qui sont par exemple des fibres, des
adjuvants organiques
ou des particules dites ultrafines, de taille generalement inferieure aux
grains de ciment.
Par exemple le document EP 0518777 decrit une composition de mortier
comprenant,
outre du ciment Portland : du sable de diametre compris entre 80 m et 1 mm
(en particulier
entre 125 et 500 m), de la microsilice vitreuse de diametre compris entre 0,1
et 0,5 m et un
2.0 agent reducteur d'eau ou fluidifiant. La microsilice represente seulement
de 10 a 30 % en
poids par rapport au ciment.
Le document WO 95/01316 decrit une composition pour beton comprenant, outre du
ciment Portland : du sable de diametre 150 a 400 m, des elements fins a
reaction
pouzzolanique (notamment de la silice amorphe mais aussi des cendres volantes
ou laitiers de
haut-fourneau) de diametre inferieur a 0,5 m, une faible quantite de fibres
metalliques et
eventuellement de la poudre de quartz broye (de grosseur moyenne 10 m) et
d'autres
adjuvants en faibles quantites. La silice amorphe peut 6tre presente a raison
de 10 a 40 % en
poids par rapport au ciment, et la poudre de quartz broye, lorsqu'elle est
utilisee, est
typiquement presente a raison de 40 % en poids par rapport au ciment. La
composition pour
beton de ce document necessite donc environ 900 kg de ciment par m3 de beton.
Dans le document WO 95/01317, c'est une composition pour beton tres proche de
la
precedente qui est divulguee, avec exclusivement de la laine d'acier en tant
que fibres
metalliques et de la silice amorphe en tant qu'elements a reaction
pouzzolanique.
Les compositions cimentaires decrites dans le document WO 99/23046 sont plus
specifiquement dediees a la cimentation de puits, et comprennent outre un
liant hydraulique :
de 20 a 35 % en poids par rapport au liant de microsilice de granulometrie
comprise entre 0,1 et
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50 pm, et de 20 a 35 % en poids par rapport au liant de particules minerales
ou organiques de
diametre compris entre 0,5 et 200 pm, ainsi qu'un superplastifiant ou
fluidifiant.
Le document WO 99/28267 concerne une composition de beton comprenant du
ciment, des fibres metalliques ainsi que : de 20 a 60 % en poids par rapport a
la matrice
cimentaire d'elements granulaires de type sable tamise ou broye, de taille
inferieure a 6 mm ;
des elements a reaction pouzzolanique de taille inferieure a 1 gm ; des
elements aciculaires ou
plaquettaires de taille inferieure a 1 mm ; et un agent dispersant. Dans les
exemples, les
elements a reaction pouzzolanique sont constitues par de la silice vitreuse a
raison d'environ
30 % en poids par rapport au ciment Portland.
De maniere relativement voisine, le document WO 99/58468 decrit une
composition
de beton dans laquelle sont au moins inclus : une faible quantite de fibres
organiques, des
elements granulaires de taille inferieure a 2 mm, des elements fins a reaction
pouzzolanique
de taille inferieure a 20 pm et au moins un agent dispersant. Dans les
differents exemples
cites, la composition comprend environ 30 % de farine de quartz et environ 30
% de fumee de
silice en poids par rapport au ciment.
Ces proportions entre les differentes classes granulometriques ne sont pas
fondamentalement modifiees dans un document ulterieur (WO 01/58826) divulguant
encore
d'autres compositions de beton.
Le document EP 0934915 decrit un beton prepare a partir de ciment dont les
grains ont
un diametre moyen compris entre 3 et 7 pm, auquel sont ajoutes : du sable, de
la fumee de
silice de diametre caracteristique inferieur a I pm, un agent anti-mousse et
un superplastifiant,
de sorte qu'au moins trois classes granulometriques soient representees. Au vu
des differents
exemples, on constate que la fumee de silice est minoritaire par rapport au
ciment, ce demier
etant typiquement present a hauteur d'environ 900 kg par m3 de beton.
11 ressort de I'analyse de I'art anterieur :
1) que l'optimisation des formulations est specifiquement dirigee vers les
betons a
hautes ou ultra hautes performances et ne s'applique generalement pas aux
betons d'usage courant ; et
2) que tous les betons connus actuellement presentent une teneur relativement
elevee en ciment.
Ainsi, meme si l'on examine les betons classiques, qui ont de moins bonnes
performances en terme de resistance a la compression que les betons
susmentionnes, par
exemple les betons de type B25 (c'est-a-dire dont la resistance a la
compression 28 jours apres
le gachage est d'au moins 25 MPa), on constate que la quantite de ciment est
typiquement de
260 a 360 kg par m3 de beton. Les normes europeennes actuelles ne prevoient
d'ailleurs pas
de taux de ciment inferieurs a 260 kg/m3 pour les betons d'usage courant.
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Or les procedes de fabrication du ciment, et plus particulierement de son
constituant
primordial, le clinker, sont a l'origine de fortes emissions de dioxyde de
carbone. La
production de grains de clinker suppose en effet :
a) le prechauffage et la decarbonatation de la farine crue qui est obtenue par
broyage
des matieres premieres, que sont notamment le calcaire et 1'argile ; et
b) la cuisson ou clinkerisation de la farine a une temperature de 1500 C,
suivie par
un brusque refroidissement.
Ces deux etapes sont productrices de CO2, d'une part en tant que produit
direct de la
decarbonatation et d'autre part en tant que produit secondaire de la
combustion qui est mise
en ceuvre a 1'etape de cuisson pour foumir 1'elevation en temperature.
Le taux d'emission atteint donc au minimum environ 560 kg de CO2 par tonne de
liant
pour un beton B25 classique (sur une base de 850 kg de COZ emis en moyenne par
tonne de
ciment), et il est encore superieur pour un beton a ultra-haute performance.
Or les fortes emissions de dioxyde de carbone dans les procedes classiques de
production de compositions cimentaires et de beton constituent un probleme
environnemental
majeur, et, dans le contexte actuel, sont amenees a 6tre fortement penalisees
sur le plan
economique.
11 existe donc un fort besoin d'un procede permettant de produire du beton
avec des
emissions associees de dioxyde de carbone reduites, ledit beton presentant des
proprietes
mecaniques satisfaisantes et en particulier equivalentes a celles des betons
d'usage courant
existants, en vue de son utilisation dans l'industrie de la construction.
RESUME DE L'INVENTION
L'invention a donc pour objet un melange comprenant en proportions massiques :
- de 0,4 a 4 %, de preference de 0,8 a 1,7 %, de materiaux de classe
granulometrique ultrafine, constituee de particules de D90 inferieur a I m et
/ ou
de surface specifique BET superieure a 6 m2/g ;
- de I a 6 %, de preference de 2 a 5%, de ciment Portland ;
- de 8 a 25 %, de preference de 12 a 21 %, de materiaux de classe
granulometrique
fine, constituee de particules dont le D 10 et le D90 sont compris entre I m
et 100
m et de surface specifique BET inferieure a 5 m2/g, differents du ciment ;
- de 25 a 50 %, de preference de 30 a 42 %, de materiaux de classe
granulometrique
moyenne, constituee de particules dont le D10 et le D90 sont compris entre
100 m et 5 mm; et
- de 25 a 55 %, de preference de 35 a 47 %, de materiaux de classe
granulometrique
superieure, constituee de particules dont le Dl0 est superieur a 5 mm.
L'invention concerne egalement un pre-melange liant comprenant :
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- du ciment Portland ;
- une classe granulometrique fine telle que defmie ci-dessus ; et
- une classe granulometrique ultrafine telle que definie ci-dessus ;
dans lequel la proportion massique de ciment Portland dans le pre-melange est
inferieure a 50 % et de preference de 5 a 35 %, de maniere plus
particulierement preferee de
10a25%.
Avantageusement, la proportion massique de la classe granulometrique ultrafine
dans
ledit pre-melange liant est de 2 a 20 %, de preference de 5 a 10 %.
Avantageusement, le pre-melange liant selon l'invention, comprend en
proportions
massiques :
- de 5 a 35 %, de preference de 10 a 25 %, de ciment Portland ;
- de 60 a 90 %, de preference de 65 a 85 %, de materiaux de la classe
granulometrique fine, et
- de 2 a 20 %, de preference de 5 a 10 %, de materiaux de la classe
granulometrique
ultrafine.
Selon un mode de realisation avantageux du melange ou pre-melange liant selon
l'invention, la classe granulometrique ultrafine est constituee de materiaux
choisis parmi le
groupe compose des fumees de silice, des poudres calcaires, des silices
precipitees, des
carbonates precipites, des silices pyrogenees, des pouzzolanes naturelles, des
pierres ponces,
des cendres volantes broyees, des broyats de liant hydraulique silicique
hydrate ou carbonate,
et des melanges ou co-broyages de ceux-ci, sous forme seche ou de suspension
aqueuse.
Selon un mode de realisation particulier du melange ou pre-melange liant selon
l'invention,l'ensemble (ciment Portland et classe granulometrique fine) est
compose :
- d'une premiere sous-classe granulometrique, constituee de particules dont le
D10
et le D90 sont compris entre 1 et 10 m ; et
- d'une seconde sous-classe granulometrique, constituee de particules dont le
D10
et le D90 sont compris entre 10 et 100 m ;
et dans lequel la premiere sous-classe granulometrique comprend du ciment
Portland.
Selon un mode de realisation altematif du melange ou pre-melange liant selon
1'invention, 1'ensemble (ciment Portland et classe granulometrique fine) est
constitue de
particules dont le D10 et le D90 sont compris entre I et 20 gm.
Selon un mode de realisation avantageux du melange ou pre-melange liant tel
que
defini ci-dessus, la classe granulometrique fine comprend un ou plusieurs
materiaux choisis
parmi les cendres volantes, les pouzzolanes, les poudres calcaires, les
poudres siliceuses, la
chaux, le sulfate de calcium, les laitiers.
Avantageusement, le melange ou pre-melange tel que defini ci-dessus comprend :
- du ciment Portland et des cendres volantes ; ou
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- du ciment Portland et de la poudre calcaire ; ou
- du ciment Portland et du laitier ; ou
- du ciment Portland, des cendres volantes et de la poudre calcaire ; ou
- du ciment Portland, des cendres volantes et du laitier ; ou
5 - du ciment Portland, de la poudre calcaire et du laitier ; ou
- du ciment Portland, des cendres volantes, de la poudre calcaire et du
laitier.
Selon un mode de realisation, Ie melange ou le pre-melange comprend du ciment
Portland et des cendres volantes et ne comprend pas de laitier.
Seton un mode de realisation, le melange ou le pre-melange comprend du ciment
Portland et du laitier et ne comprend pas de cendres volantes.
Avantageusement, le melange ou pre-melange liant tel que defini ci-dessus
comprend
en outre :
- un agent fluidifiant
- eventuellement un accelerateur et / ou un agent entraineur d'air et / ou un
agent
viscosant et / ou un retardateur.
Selon un mode de realisation avantageux du pre-melange liant tel que defini ci-
dessus,
la proportion d'agent fluidifiant est de 0,05 a 3 %, de preference de 0,1 a
0,5 %, exprimee en
rapport massique d'extrait sec de 1'agent fluidifiant sur la masse de pre-
melange liant.
L'invention a egalement pour objet un melange comprenant :
- un pre-melange liant tel que defini ci-dessus ;
- une classe granulometrique moyenne telle que definie ci-dessus ; et
- une classe granulometrique superieure telle que definie ci-dessus.
Avantageusement, ledit melange comprend, en proportions massiques :
- de 10 a 35 %, de preference de 15 a 25 %, de pre-melange liant ;
- de 25 a 50 %, de preference de 30 a 42 %, de materiaux de la classe
granulometrique moyenne ; et
- de 25 a 55 %, de preference de 35 a 47 %, de materiaux de la classe
granulometrique superieure.
Selon un mode de realisation avantageux du melange susmentionne :
- la classe granulometrique moyenne comprend du sable et / ou du sablon ; et
- la classe granulometrique superieure comprend des gxanulats et / ou des
graviers et
/ ou des cailloux et / ou des gravillons.
Selon un mode de realisation avantageux du melange susmentionne, le
coefficient
d'espacement du squelette par le liant est de 0,5 a 1,3, de preference de 0,7
a 1,0.
L'invention concerne egalement une composition de beton humide, comprenant :
- un melange selon 1'invention, gache avec
- de 1'eau.
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Avantageusement, ladite composition de beton humide comprend :
- de 10 a 100 kg/m3, de preference de 20 a 40 kg/m3 de materiaux de la classe
granulometrique ultrafine telle que definie ci-dessus ;
- de 25 a 150 kg/m3, de preference de 50 a 120 kg/m3, de maniere plus
particulierement preferee, de 60 a 105 kg/m3, de ciment Portland ;
- de 200 a 600 kg/m3, de preference de 300 a 500 kg/m3 de materiaux de classe
granulometrique fine telle que definie ci-dessus ;
- de 600 a 1200 kg/m3, de preference de 700 a 1000 kg/m3 de materiaux de la
classe
granulometrique moyenne telle que definie ci-dessus ;
- de 600 a 1300 kg/m3, de preference de 800 a 1 100 kg/m3 de materiaux de la
classe
granulometrique superieure telle que definie ci-dessus ; et
- eventuellement, un agent fluidifiant.
Avantageusement, ladite composition de beton humide comprend en outre :
- un accelerateur et / ou un agent entraineur d'air et / ou un agent viscosant
et / ou
un retardateur.
Selon un mode de realisation avantageux de la composition de beton humide
selon
l'invention, le rapport E/C, ou E designe la quantite d'eau et C la quantite
de ciment Portland,
est compris entre I et 2,5, de preference entre 1,3 et 1,5. D'autres gammes
possibles pour le
rapport E/C sont par exemple : entre I et 1,3 ; entre I et 1,5 ; entre 1,3 et
2,5 ; et entre 1,5 et
2,5.
Selon un mode de realisation avantageux de la composition de beton humide
selon
l'invention, le rapport E/L, ou E designe la quantite d'eau et L Ia quantite
de materiaux de
1'ensemble (ciment Portland et classe granulometrique fine), est compris entre
0,1 et 0,45, de
preference entre 0,18 et 0,32. D'autres gammes possibles pour le rapport E/L
sont par
exemple : entre 0,1 et 0,18 ; entre 0,1 et 0,32 ; entre 0,18 et 0,45 ; et
entre 0,32 et 0,45.
Les ratios E/C et E/L sont notamment ajustes en fonction de la quantite de
ciment et
les proprietes mecaniques finales recherchees. A quantite de ciment plus
faible, le ratio sera
aussi relativement plus faible. L'homme du metier, par des tests de routine,
saura determiner
la quantite d'eau en fonction de la quantite de ciment, fines et ultra-fines
de la composition, en
fonction de mesures de resistance a la compression des echantillons.
Avantageusement la composition de beton humide selon l'invention, comprend de
60
a 180 I/m3, de preference de 80 a 150 1/m3, de maniere plus particulierement
preferee de 95 a
1351/m3 d'eau.
Selon un mode de realisation avantageux, la composition de beton humide selon
I'invention est un beton autopla~ant.
L'invention a en outre pour objet une composition de beton comprenant moins de
150 kg/m3, de preference moins de 120 kg/m3, de maniere plus particulierement
preferee, de 60
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a 105 kg/m3, de ciment Portland et presentant une resistance a la compression
superieure ou
egale a 4 MPa 16h apres le gachage, et superieure ou egale a 25 MPa, de
preference
superieure ou egale a 30 MPa, 28 jours apres le gachage.
L'invention concerne egalement un objet en beton durci de la composition
definie ci-
dessus.
L'invention concerne en outre un objet en beton durci, comprenant :
- de 10 a 100 kg/m3, de preference de 20 a 40 kg/m3 de materiaux de la classe
granulometrique ultrafine telle que definie ci-dessus ;
- des hydrates de ciment Portland en une quantite correspondant a une quantite
de
ciment Portland de 25 a 150 kg/m3, de preference de 50 a 120 kg/m3, de maniere
plus particulierement preferee, de 60 a 105 kg/m3 ;
- de 200 a 600 kg/m3, de preference de 300 a 500 kg/m3 de materiaux de la
classe
granulometrique fine telle que definie ci-dessus ;
- de 600 a 1200 kg/m3, de preference de 700 a 1000 kg/m3 de materiaux de la
classe
granulometrique moyenne telle que definie ci-dessus ;
- de 600 a 1300 kg/m3, de preference de 800 a l 100 kg/m3 de materiaux de la
classe
granulometrique superieure telle que definie ci-dessus.
Selon un mode de realisation avantageux de 1'objet en beton durci selon
l'invention, le
coefficient d'espacement du squelette par le liant est de 0,5 a 1,3, de
preference de 0,7 a 1,0.
Avantageusement, l'objet en beton durci selon 1'invention, presente un retrait
a 80
jours inferieur a 400 m/m, de prdference inferieur a 200 m/m.
L'invention concerne en outre un procede de preparation d'une composition de
beton
humide comprenant une etape de :
- gachage d'un melange selon 1'invention avec de 1'eau.
L'invention conceme par ailleurs un procede de preparation d'une composition
de
beton humide comprenant une etape de :
- gachage d'un pre-melange liant selon l'invention avec des materiaux de
classe
granulometrique moyenne telle que definie ci-dessus, des materiaux de classe
granulometrique superieure telle que definie ci-dessus et de 1'eau.
Selon un mode de realisation du procede de preparation d'une composition de
beton
humide selon l'invention, la quantite de ciment Portland utilisee est
inferieure a 150 kg/m3,
de preference inferieure a 120 kg/m3, de maniere plus particulierement
preferee, comprise
entre 60 et 105 kg/m3.
L'invention concerne par ailleurs un procede de preparation d'une composition
de
beton humide comprenant une etape de gachage de :
- de 10 a 100 kg/m3, de preference de 20 a 40 kg/m3, de materiaux de la classe
granulometrique ultrafine telle que definie ci-dessus ;
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- de 25 a 150 kg/m3, de preference de 50 a 120 kg/m3, de maniere plus
particulierement preferee, de 60 a 105 kg/m3 de ciment Portland ;
- de 200 a 600 kg/m3, de preference de 300 a 500 kg/m3 de materiaux de la
classe
granulometrique fine telle que definie ci-dessus ;
- de 600 a 1200 kg/m3, de prefdrence de 700 a 1000 kg/m3 de matdriaux de la
classe
granulometrique moyenne telle que definie ci-dessus ;
- de 600 a 1300 kg/m3, de preference de 800 a 1100 kg/m3 de materiaux de la
classe
granulometrique superieure telle que definie ci-dessus ; et
- eventuellement, un agent fluidifiant et / ou un accelerateur et / ou un
agent
entraineur d'air et / ou un agent viscosant et / ou un retardateur ; avec
- de 1'eau.
Selon un mode de realisation avantageux du procede de preparation d'une
composition
de beton humide selon l'invention, le gdchage est effectue a un rapport E/C,
ou E designe la
quantite d'eau et C Ia quantite de ciment Portland, compris entre 1 et 2,5, de
preference entre
1,3 et 1,5.
Selon un mode de realisation avantageux du procede de preparation d'une
composition
de bdton humide selon 1'invention, le gachage est effectue a un rapport E/L
compris entre 0,1
et 0,45, de preference entre 0,18 et 0,32, ou E designe la quantite d'eau et L
la quantitd de
materiaux de 1'ensemble (ciment Portland et classe granulometrique fine).
Selon un mode de realisation avantageux du procede de preparation d'une
composition
de beton humide selon l'invention, la quantite d'eau utilisee est de 60 a 180
1/rn3, de
preference de 80 a 1501/m3, de maniere plus particulierement preferee de 95 a
135 I/m3.
Selon un mode de realisation du procede de preparation d'une composition de
beton
humide selon l'invention, la resistance a la compression est superieure ou
egale a 4 MPa 16h
apres le gachage.
Selon un mode de realisation du procede de preparation d'une composition de
beton
humide selon 1'invention, la resistance a la compression est superieure ou
egale a 25 MPa, de
preference superieure ou egale a 30 MPa, 28 jours apres le gachage.
L'invention a encore pour objet un procede de preparation d'un beton humide
coule,
comprenant une etape de :
- coulage d'une composition de beton humide selon l'invention, ou susceptible
d'etre obtenue par le procede susmentionne.
L'invention conceme encore un procede de fabrication d'un objet en beton,
comprenant une etape de :
- durcissement d'une composition de beton humide selon l'invention ou
susceptible
d'etre obtenue par le procede de preparation d'une composition de beton humide
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susmentionne, ou d'une composition de beton humide coulee telle que decrite ci-
dessus.
L'invention permet de repondre au besoin de reduction des emissions de CO2
jusqu'ici
insatisfait par les betons connus. En effet la quantite de ciment (et en
particulier de clinker)
utilisee dans le cadre de la presente invention est inferieure a celle qui est
traditionnellement
necessaire. Par exemple, pour une formule selon l'invention a 70 kg de clinker
par m3 de
beton, 1'emission de CO2 est de 1'ordre de 110 kg par tonne de liant, ce qui
represente
quasiment une reduction de 80 % de 1'emission de CO2 par rapport a un beton
classique de
type B25, tout en n'entrainant pas d'amoindrissement sensible des performances
mecaniques
du beton, puisque l'invention foumit un beton presentant une resistance a la
compression
mecanique superieure ou egale a 25 MPa 28 jours apres le gachage.
Le beton obtenu selon I'invention presente egalement les avantages suivants :
- son comportement vis-a-vis de la corrosion des armatures du beton anne est
au
moins aussi bon voire est ameliore par rapport a un beton de type B25
classique ;
- sa porosite et sa permeabilite sont plus faibles que celles d'un beton de
type B25
classique ;
- son retrait est moins important que celui d'un beton de type B25 classique ;
- sa resistance a la diffusion des chlorures est amelioree par rapport a un
beton de
type B25 classique.
Les differents buts et avantages de l'invention sont obtenus grace a une
optimisation
poussee de 1'ensemble des parametres de formulation, et notamment grace a:
- la mise au point de compositions liantes presentant une compartimentation
des
materiaux en classes granulometriques disjointes, notamment en une classe
fine,
une classe moyenne, une classe superieure, et une classe ultrafine, ce qui
permet
une optimisation de 1'empilement des differentes particules, et une
optimisation du
coefficient d'espacement du squelette par le liant ;
- la presence, en plus du ciment, de materiaux liants non cimentaires
appartenant a
la classe granulometrique fine, qui sont majoritaires par rapport au ciment et
dont
le choix et les proportions sont optimises ;
- l'utilisation d'ultrafines, et notamment d'elements a reaction
pouzzolanique,
susceptibles de participer a la fonction de liaison hydraulique ;
- I'ajustement de ]a demande en eau ;
- l'optimisation des differents adjuvants.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
Les figures la a Id representent les profils de distribution granulometrique
de divers
materiaux utilises pour preparer des compositions seches selon 1'invention
ainsi que les
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betons gaches associes. En abscisse figure la taille en m, et en ordonnee le
pourcentage
volumique. On pourra se referer a la partie exemples pour la signification des
noms des
materiaux. La figure la fournit ainsi le profil des materiaux utilises par
exemple dans les
formules CVI, CV2, CV7 ou CV8 ci-dessous ; la figure lb fournit celui des
materiaux
5 utilises par exemple dans la formule CV3 ci-dessous ; la figure lc fournit
celui des materiaux
utilises par exemple dans les formules CV4 ou CV5 ci-dessous ; la figure ld
fournit celui des
materiaux utilises par exemple dans les formules FC1, FC2 ou FC3 ci-dessous.
La figure 2 est une photographie qui donne une representation schematique
d'une
composition de mortier sec typique selon l'invention (a gauche) en comparaison
avec une
10 composition de mortier sec de type B25 classique (a droite). Les differents
constituants sont
les suivants : A, filler (filler calcaire dans 1'eprouvette de droite, cendres
volantes dans
l'eprouvette de gauche) ; B, ciment ; C, sable ; D, granulats ; E, eau ; F,
fumees de silice.
La figure 3 represente le retrait mesure sur un beton selon l'invention (x) en
comparaison d'un beton B25 classique temoin (o). En abscisse figure le temps,
en jours, et en
ordonnee la variation dimensionnelle du beton, en %.
DESCRIPTION DE MODES DE REALISATION DE L'INVENTION
L'invention est maintenant decrite plus en detail et de fagon non limitative
dans ]a
description qui suit.
Repartition des classes granulometriques
L'invention fournit des compositions de mortier sec, sous la forme de melanges
entre
divers constituants, dans les proportions massiques suivantes :
- de I a 6 %, de preference de 2 a 5 % de ciment Portland ;
- de 0,4 a 4 %, de preference de 0,8 a 1,7 %, de materiaux de classe
granulometrique
ultrafine ;
- de 8 a 25 %, de preference de 12 a 21 %, de materiaux de classe
granulometrique
fine, differents du ciment ;
- de 25 a 50 %, de preference de 30 a 42 %, de materiaux de classe
granulometrique
moyenne ;
- de 25 a 55 %, de preference de 35 a 47 %, de materiaux de classe
granulometrique
superieure.
Les materiaux qui composent le melange ci-dessus sont presents sous forme de
particules, c'est-a-dire d'elements unitaires de materiaux. La distribution de
la taille des
particules permet d'etablir une division des constituants en plusieurs u
classes
granulometriques , c'est-a-dire en compartiments essentiellement disjoints.
Ainsi, la classe granulometrique ultrafine est constituee :
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(i) de particules de D90 inferieur a I m ou
(ii) de particules de surface specifique BET superieure a 6 m2/g ou
(iii) de particules de D90 inferieur a 1 gm et de surface specifique BET
superieure a 6 m2/g.
La classe granulometrique fine correspond a un ensemble de particules dont le
D 10 et
le D90 sont compris entre 1 gm et 100 m et dont la surface specifique BET est
inferieure a
5 m2/g. La classe granulometrique moyenne correspond a un ensemble de
particules dont le
D 10 et le D90 sont compris entre 100 m et 5 nun. Et la classe
granulometrique superieure
correspond a un ensemble de particules dont le D 10 est superieur a 5 mm.
Le D90 correspond au 90eme centile de la distribution de taille des
particules, c'est-a-
dire que 90 % des particules ont une taille inferieure au D90 et 10 % ont une
taille superieure
au D90. De meme, le D10 correspond au IOeme centile de la distribution de
taille des
particules, c'est-a-dire que 10 % des particules ont une taille inferieure au
Dl0 et 90 % ont
une taille superieure au D10.
Le D10 et le D90 sont ici le Dv10 et le Dv90, comme il ressort des figures.
En d'autres termes : au moins 80 % des particules de la classe granulometrique
fine
(de preference au moins 90 %, de maniere particulierement preferee au moins 95
% voire au
moins 99 %) ont une taille comprise entre I m et 100 m ; au moins 80 % des
particules de
la classe granulometrique moyenne (de preference au moins 90 %, de maniere
particulierement preferee au moins 95 % voire au moins 99 %) ont une taille
comprise entre
100 m et 5 mm ; au moins 90 % des particules de la classe granulometrique
superieure (de
preference au moins 95 % voire au moins 99 %) ont une taille superieure a 5 mm
; et, selon
les modes de realisation correspondant aux cas (i) et (iii) ci-dessus, au
moins 90 % des
particules de Ia classe granulometrique ultrafine (de preference au moins 95
%, de maniere
particulierement preferee au moins 99 %) ont une taille inferieure a 1 m. Les
quatre classes
granulometriques (ultrafine, fine, moyenne et superieure) correspondent alors
a des
compartiments de taille essentiellement disjoints.
Le D10 ou le D90 d'un ensemble de particules peut etre generalement determine
par
granulometrie laser pour les particules de taille inferieure a 200 m, ou par
tamisage pour les
particules de taille superieure a 200 m.
Neanmoins, lorsque les particules individuelles ont une tendance a
I'agregation, il
convient de determiner leur taille par microscopie electronique, etant donne
que la taille
apparente mesuree par granulometrie par diffraction laser est alors plus
importante que la
taille particulaire reelle, ce qui est susceptible de fausser
l'interpretation.
La surface specifique BET est une mesure de la surface reelle totale des
particules, qui
tient compte de la presence de reliefs, d'irregularites, de cavites
superficielles ou intemes, de
porosite.
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Selon un mode de realisation alternatif, il peut y avoir un recouvrement entre
les tailles
des particules des classes fine et ultrafine, c'est-a-dire que plus de 10 %
des particules
respectivement des classes ultrafine et fine peuvent se situer dans une meme
gamme de taille.
Dans ce cas, la distinction entre classe fine et ultrafine est assuree par la
surface specifique
BET, les particules ultrafines etant celles qui presentent la plus grande
surface specifique (et
donc une grande reactivitd). En particulier, dans ce cas, la surface
specifique BET des
materiaux de la classe ultrafine est de preference superieure a 10 mZ/g,
avantageusement
superieure a 30 m2/g, et de maniere particulierement preferee superieure a 80
m2/g. II faut
d'ailleurs noter que les materiaux de la classe ultrafine peuvent aussi
presenter ces valeurs
preferees de surface specifique BET meme dans le cas ou leur D90 est inferieur
a 1 gm.
Un exemple de cas ou les classes ultrafine et fine se distinguent uniquement
par la
surface specifique BET et non par la taille des particules peut etre celui ou
les ultrafines sont
constituees de broyats de liant hydraulique hydrate. Dans cet exemple, les
ultrafines peuvent
avoir une taille de l'ordre de 10 pm, pour une surface specifique qui peut
etre de l'ordre de
100 m2/g (en raison de la porosite de ce materiau).
Un autre mode de realisation particulier de la presente invention prevoit
qu'il est
possible de subdiviser 1'ensemble constitue par le ciment et la classe
granulometrique fine en
deux sous-classes granulometriques :
- une premiere sous-classe granulometrique, constituee de particules dont le D
10 et le
D90 sont compris entre I et 10 pm ; et
- une seconde sous-classe granulometrique, constituee de particules dont le
D10 et le
D90 sont compris entre 10 et 100 pm.
Dans ce cas, le ciment appartient en particulier a la premiere sous-classe
granulometrique.
En d'autres termes, selon ce mode de realisation, au moins 80 % des particules
de la
premiere sous-classe granulometrique (de preference au moins 90 %, de maniere
tout
particulierement preferee au moins 95 % voire au moins 99 %) ont une taille
comprise entre I
et 10 m, et au moins 80 % des particules de la seconde sous-classe
granulometrique (de
preference au moins 90 %, de maniere tout particulierement preferee au moins
95 % voire au
moins 99 %) ont une taille comprise entre 10 et 100 pm. Toujours selon ce mode
de realisation,
le melange comporte 5 classes granulometriques ou 5 compartiments
essentiellement disjoints :
Ia classe ultrafine (moins de 1 m) ; la premiere sous-classe de 1'ensemble
ciment + classe fine
(1 m - 10 m) ; la seconde sous-classe de 1'ensemble ciment + classe fine (10
m - 100 m) ;
la classe moyenne (100 m - 5 nun) ; et la classe superieure (plus de 5 mm).
Selon un mode de realisation altematif, 1'ensemble constitue par le ciment et
la classe
granulometrique fine est constitue de particules dont le D 10 et le D90 sont
compri s entre I et
20 pm. En d'autres termes, selon ce mode de rdalisation, au moins 80 % des
particules de
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ciment ou de materiaux de la classe granulometrique fine (de preference au
moins 90 %, de
maniere tout particulierement preferee au moins 95 % voire au moins 99 %) ont
une taille
comprise entre I et 20 gm. Ce mode de realisation correspond au cas ou le
profil de
distribution granulometrique comprend une discontinuite : le melange ne
comprend quasiment
pas de particules de diametre compris entre 20 et 100 m.
Les differents modes de realisation decrits ci-dessus correspondent a des
modes
d'empilement de grains ou de particules optimises. L'invention fournit
egalement, comme
cela est decrit ci-dessus, les pre-melanges liants qui correspondent a ces
melanges pour
mortiers secs, et qui ne contiennent pas de materiaux de la classe
granulometrique moyenne,
ni de materiaux de la classe granulometrique superieure. Lesdits pre-melanges
liants sont
destines a Etre melanges avec des materiaux de classe granulometrique moyenne
et superieure
avant ou au moment de la preparation du beton.
De preference, les melanges selon l'invention sont caracterises par un
coefficient
d'espacement du squelette par le liant compris entre 0,5 et 1,3, de preference
entre 0,7 et 1,0.
Le squelette >> designe les materiaux de classe granulometrique moyenne et
superieure, et le
liant designe le ciment ainsi que les materiaux de classe granulometrique
fine et ultrafine.
Le coefficient d'espacement en question designe donc le rapport entre le
volume de liant
et le volume poreux du squelette. Ce coefficient se calcule notamment a partir
de la porosite
vibree du squelette.
Choix des materiaux
Dans les compositions telles que definies ci-dessus, le ciment est du ciment
Portland
choisi parmi les ciments Portland classiques de type CPA (Ciment Portland
Artificiel), et
notamment parmi les ciments decrits dans la norme europeenne EN 197-1. On
pourra utiliser
par exemple un ciment CEM I ou CEM2 52.5 N ou R ou PM (Prise Mer) ou PMES
(Prise Mer
Eau Sulfatee). Le ciment peut etre du type HRI (a Haute Resistance Initiale).
Dans certains
cas, notamment pour le type CEM2, le ciment Portland n'est pas constitue de
clinker pur mais
est foumi melange avec au moins un materiau supplementaire (laitier, fumee de
silice,
pouzzolane, cendres volantes, schiste calcine, calcaire...), en une quantite
allant jusqu'a 37%.
Dans ces cas-Ia, les quantites de ciment enoncees ci-dessus correspondent plus
particulierement aux quantites de clinker, tandis que les materiaux
supplementaires sont
comptabilises parmi la classe granulometrique appropriee (par exemple
typiquement classe
granulometrique fine pour Ia composante laitier, classe granulometrique
ultrafine pour la
composante fumee de silice...).
La classe granulometrique superieure peut comprendre des granulats et / ou
graviers et /
ou cailloux et / ou gravillons.
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La classe granulometrique moyenne peut comprendre notamment du sable ou du
sablon.
La classe granulometrique fine peut comprendre un ou plusieurs materiaux
choisis
parmi les cendres volantes, les pouzzolanes, les poudres calcaires, les
poudres siliceuses, la
chaux, le sulfate de calcium (en particulier le gypse sous forme anhydre ou
semi hydratee), les
laitiers.
Le terme anglais fillers est parfois employe pour designer la plupart des
materiaux
ci-dessus.
11 est particulierement interessant de melanger le ciment avec les produits
suivants
cendres volantes seules ; ou poudre calcaire seule ; ou laitier seul ; ou
cendres volantes et
poudre calcaire ; ou cendres volantes et laitier ; ou poudre calcaire et
laitier ; ou cendres
volantes, poudre calcaire et laitier.
Selon une variante, la classe fine comprend des cendres volantes
(eventuellement en
association avec encore d'autres materiaux) mais ne comprend pas de laitier.
Selon une
variante alternative, la classe fine comprend du laitier (eventuellement en
association avec
encore d'autres materiaux) mais ne comprend pas de cendres volantes. Ces deux
variantes
limitent le cout en CO2 total du pre-melange et du melange, puisque la
production de laitier et
de cendres volantes s'accompagne de 1'emission de COZ. Cet avantage en termes
de limitation
du cout CO2 est particulierement clair en ce qui concerne la premiere de ces
variantes.
La classe granulometrique ultrafine peut comprendre des materiaux choisis
parmi le
groupe compose des fumees de silice, des poudres calcaires, des silices
precipitees, des
carbonates precipites, des silices pyrogenees, des pouzzolanes naturelles, des
pierres ponces,
des cendres volantes broyees, des broyats de liant hydraulique silicique
hydrate ou carbonate,
et des melanges ou co-broyages de ceux-ci, sous forme seche ou de suspension
aqueuse.
Le terme broyats de liant hydraulique silicique hydrate designe notamment
les
produits decrits dans le document FR 2708592.
Tout agent fluidifiant (ou superplastifiant) classique peut avantageusement
etre ajoute
dans un melange ou pre-melange liant selon ]'invention, de preference a une
concentration de
0,05 a 3 %, de preference de 0,2 a 0,5 %, exprimee en rapport massique
d'extrait sec de
I'agent fluidifiant sur la masse de pre-melange liant. L'agent fluidifiant
peut etre utilise a
saturation ou non. La quantite d'agent est aussi determinee en fonction de la
qualite souhaitee
pour la pate, notamment si on souhaite que le beton soit autoplaqant ou non.
Des mesures
d'etalement permettent de determiner le type et la quantite de
superplastifiant a utiliser dans la
formulation.
D'autres additifs ou adjuvants connus peuvent egalement etre utilises dans le
cadre de
1'invention, par exemple des superplastifiants, accelerateurs, entraineurs
d'air, viscosants,
retardateurs...
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Beton
Le beton selon l'invention est prepare en gachant les melanges ci-dessus ou
les pre-
melanges liants ci-dessus avec de 1'eau. Dans ce cas, la quantite de ciment
Portland utilisee
5 est avantageusement inferieure a 150 kg/m3, de preference inferieure a 120
kg/m3, de maniere
plus particulierement preferee, comprise entre 60 et 105 kg/m3. 11 peut
egalement etre prepare
en gachant directement les differents ingredients entre eux et avec de 1'eau,
dans les
proportions suivantes :
- de 10 a 100 kg/m3, de preference de 20 a 40 kg/m3 de materiaux de la classe
10 granulometrique ultrafine ;
- de 25 a 150 kg/m3, de preference de 50 a 120 kg/m3, de maniere plus
particulierement preferee, de 60 a 105 kg/m3, de ciment Portland ;
- de 200 a 600 kg/m3, de preference de 300 a 500 kg/m3 de materiaux de classe
granulometrique fine ;
15 - de 600 a 1200 kg/m3, de preference de 700 a 1000 kg/m3 de materiaux de la
classe
granulometrique moyenne ;
- de 600 a 1300 kg/m3, de preference de 800 a 1100 kg/m3 de materiaux de la
classe
granulometrique superieure ; et
- eventuellement, un agent fluidifiant.
On entend par kg/m3 la masse de materiaux a utiliser par m3 de beton
produit.
Les materiaux en question presentent, selon des modes de realisations
particuliers, les
memes caracteristiques que celles qui ont ete decrites ci-dessus en relation
avec les melanges
et pre-melanges liants selon I'invention.
La quantite d'eau de gachage est reduite par rapport a un beton classique, a
raison de
60 a 1801/m3, de preference de 80 a 150 I/m3, de maniere plus particulierement
preferee de 95
a 135 1/m3 d'eau. Le rapport E/L, ou E designe la quantite d'eau et L la
quantite de liant
(materiaux de t'ensemble (ciment Portland + classe granulometrique fine)), est
donc reduit par
rapport a un beton classique, et se situe typiquement entre 0,1 et 0,45, de
preference entre 0,18
et 0,32. En revanche, le rapport E/C, ou E designe la quantite d'eau et C la
quantite de ciment,
est plus grand que dans le cas du beton classique, et ce en raison de la
faible quantite de
ciment qui est presente. Le rapport E/C est de preference compris entre I et
2,5, tout
particulierement entre 1,3 et 1,5.
Le malaxage s'effectue au moyen d'un malaxeur conventionnel, pendant une duree
de
malaxage usuelle dans le domaine.
Selon un mode de realisation, les compositions de beton formulees selon
l'invention
sont le resultat d'une optimisation complexe des differents parametres entrant
en jeu (choix
des materiaux et concentration de ceux-ci) afin de garantir un empilement
optimise (choix de
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la granulomdtrie et choix de 1'adjuvantation), une chimie de I'hydratation
optimisee (en effet
de nombreux composants participent a la reaction : poudre calcaire, cendres
volantes, fumees
de silice...) et une demande en eau optimisee.
Les constituants de la classe ultrafine, notamment les fumees de silice,
peuvent en
particulier avoir de multiples fonctions, a savoir un role de remplissage des
espaces libres
entre grains, un role de foumiture de sites de nucleation heterogenes
d'hydrates, un role
d'adsorption des alcalins et du calcium qui sont attires par les groupes
silanols en surface et
un role pouzzolanique.
Les compositions de beton obtenues selon l'invention presentent des proprietes
mecaniques comparables, de preference au moins aussi bonnes voire meilleures
par rapport
aux betons de type B25 classiques, notamment en terme de resistance a la
compression a 28
jours, de cinetique de prise, de retrait, de durabilite.
En particulier, selon un mode de realisation de ]'invention, la resistance a
la
compression est superieure ou egale a 4 MPa 16h apres le gachage, et
superieure ou egale a
25 MPa, de preference superieure ou egale a 30 MPa, 28 jours apres le gachage.
Par ailleurs,
le retrait a 80 jours est avantageusement inferieur a 400 m/m, de preference
inferieur a 200
m/m.
De preference, les betons selon 1'invention sont des betons fluides ou
autoplaqants.
On estime qu'un beton est fluide lorsque 1'affaissement au c6ne d'Abrams - ou
valeur
de slump - (selon la norme franqaise NF P 18-451, de decembre 1981) est
d'au moins 150
mm, de preference au moins 180 mm. On estime qu'un beton est autoplaqant
lorsque la valeur
de 1'etalement est superieure a 650 mm pour les betons (et en general
inferieure a 800 mm)
selon le mode operatoire decrit dans Specifrcation and Guidelines for Self
Compacting
Concrete, EFNARC, fevrier 2002, p.19-23.
La quantite de ciment utilisee pour preparer le beton selon l'invention est
tres
inferieure a celle qui est necessaire pour preparer un beton classique de type
B25, ce qui
permet de realiser des economies spectaculaires en terme d'emission de CO2.
Par rapport a
une formule B25 de reference qui contient 95 kg/m3 de calcaire et 260 kg/m3 de
ciment, un
beton selon l'invention contenant par exemple 70 kg/m3 de clinker permet de
realiser une
economie d'emission de CO2 d'environ 80 %. Cette economie peut atteindre plus
de 85 % si
l'on utilise seulement 50 kg/m3 de clinker.
Le beton selon 1'invention peut etre coule selon les methodes usuelles ; apres
hydratation / durcissement on obtient des objets en beton durci tels que des
elements de
construction, des elements d'ouvrage d'art ou autres.
EXEMPLES
Les exemples suivants illustrent l'invention sans Ia limiter.
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Exemple I: methode de granulometrie laser
Les courbes granulometriques des differentes poudres sont obtenues a partir
d'un
granulometre laser Malvern MS2000. La mesure s'effectue en voie humide (milieu
aqueux) ;
la taille des particules doit etre comprise entre 0,02 m et 2 mm. La source
lumineuse est
constituee par un laser rouge He-Ne (632 nm) et une diode bleue (466 nm). Le
modele
optique est celui de Fraunhofer, la matrice de calcul est de type
polydisperse.
Une mesure de bruit de fond est d'abord effectuee avec une vitesse de pompe de
2000
tr/min, une vitesse d'agitateur de 800 tr/min et une mesure du bruit sur 10 s,
en 1'absence
d'ultrasons. On verifie alors que l'intensite lumineuse du laser est au moins
egale a 80%, et
que 1'on obtient une courbe exponentielle decroissante pour le bruit de fond.
Si ce n'est pas le
cas, les lentilles de la cellule doivent etre nettoyees.
On effectue ensuite une premiere mesure sur 1'echantillon avec les parametres
suivants : vitesse de pompe de 2000 tr/min, vitesse d'agitateur de 800 tr/min,
absence
d'ultrasons, limite d'obscuration entre 10 et 20 %. L'echantillon est
introduit pour avoir une
obscuration legerement superieure a 10 %. Apres stabilisation de
l'obscuration, la mesure est
effectuee avec une duree entre 1'immersion et la mesure fixee a 10 s. La duree
de mesure est
de 30 s (30000 images de diffraction analysees). Dans le granulogramme obtenu,
il faut tenir
compte du fait qu'une partie de la population de la poudre peut etre
agglomeree.
On effectue ensuite une seconde mesure (sans vidanger la cuve) avec des
ultrasons. La
vitesse de pompe est portee a 2500 tr/min, 1'agitation a 1000 tr/min, les
ultrasons sont emis a
100 % (30 watts). Ce regime est maintenu pendant 3 minutes, puis on revient
aux parametres
initiaux : vitesse de pompe de 2000 tr/min, vitesse d'agitateur de 800 tr/min,
absence
d'ultrasons. Au bout de 10 s (pour evacuer les bulles d'air eventuelles), on
effectue une
mesure de 30 s (30000 images analysees). Cette seconde mesure correspond a une
poudre
desagglomeree par dispersion ultrasonique.
Chaque mesure est repetee au moins deux fois pour verifier la stabilite du
resultat.
L'appareil est etalonne avant chaque seance de travail au moyen d'un
echantillon standard
(silice C10 Sifraco) dont la courbe granulometrique est connue. Toutes les
mesures presentees
dans la description et les gammes annoncees correspondent aux valeurs obtenues
avec
ultrasons.
Exemple 2 : methode de visualisation directe par microscopie electronique a
balayage
Pour les poudres presentant une forte tendance a 1'agglomeration, on recourt a
la
technique de visualisation directe par microscopie a balayage (avec mesure et
comptage des
particules sur 1'image obtenue). Chaque echantillon de poudre est
eventuellement seche par
passage a 1'etuve a une temperature inferieure a 50 C, ou sous vide ou par
lyophilisation. Puis
on utilise deux methodes alternatives de preparation d'echantillon : la
preparation sur scotch
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pour observer la poudre de fagon globale (phenomenes d'agglomeration...) et la
preparation
en suspension pour caracteriser les particules individuellement (taille,
forme, aspect de
surface...)
Dans la preparation sur scotch, on prend un plot metallique et on depose une
pastille
conductrice autocollante double face ou du scotch conducteur double face sur
sa face
superieure. A 1'aide d'une spatule on saupoudre la poudre a observer sur cette
surface, en
veillant aux phenomenes electrostatiques lors du prelevement et du
saupoudrage. On peut
egalement appliquer la face munie de 1'adhesif double face sur la poudre a
observer. On
elimine la poudre en exces non retenue par I'adhesif en tapotant le plot, face
superieure
maintenue a la verticale, sur une surface dure. Eventuellement, on souffle
legerement
1'echantillon avec une bombe d'air sec pour eliminer les particules qui
seraient mal fixees et
on procede a la metallisation.
Dans la preparation en suspension on prend un plot en graphite. On le nettoie
a
1'ethanol, on polit la surface avec une pate a polir (par exemple PIKAL). On
introduit dans un
becher environ 10 cm3 du liquide de suspension, ici de 1'ethanol. On ajoute
progressivement
la poudre a observer, le becher etant place dans une cuve a ultrasons (afin
d'obtenir une faible
opacite de la suspension). L'application des ultrasons est prolongee une fois
l'introduction de
la poudre achevee. Puis on preleve quelques gouttes de suspension et on les
depose sur le plot
en graphite. Le prelevement est effectue au moyen d'une micropipette ou d'une
spatule. Pour
eviter les phenomenes de sedimentation, le prelevement est effectue le plus
rapidement
possible, sans cesser d'agiter ]a suspension. Le liquide est ensuite evapore,
eventuellement en
plagant le plot sous une lampe a infrarouges. La pellicule deposee doit etre
tres fine sans
presenter d'amoncellement, elle doit etre a peine visible a 1'Ceil nu. Dans le
cas contraire,
1'echantillon n'est pas utilisable. On elimine la poudre insuffisamment
retenue sur la surface
en tapotant le plot, face superieure maintenue a la verticale, sur une surface
dure.
Eventuellement, on souffle legerement 1'echantillon avec une bombe d'air sec
pour eliminer
les particules mal fixees, et on procede a la metallisation.
La metallisation est effectuee par projection sous vide d'un flot de metal en
fusion (or
ou carbone). La mesure de MEB elle-meme est effectuee de maniere classique
pour 1'homme
du metier.
Exemple 3: methode de mesure de la surface specifique BET
La surface specifique des differentes poudres est mesuree comme suit. On
preleve un
echantillon de poudre de masse suivante : 0,1 a 0,2 g pour une surface
specifique estimee a
plus de 30 m2/g ; 0,3 g pour une surface specifique estimee a 10-30 m2/g ; 1 g
pour une
surface specifique estimee a 3-10 mz/g ; 1,5 g pour une surface specifique
estimee a 2-3 m2/g ;
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2 g pour une surface specifique estimee a 1.5-2 m2/g ; 3 g pour une surface
specifique estimee
a 1-1,5 mZ/g.
On utilise une cellule de 3 cm3 ou de 9 cm3 selon le volume de 1'echantillon.
On pese
1'ensemble de la cellule de mesure (cellule + tige en verre). Puis on ajoute
1'echantillon dans
la cellule : le produit ne doit pas etre a moins d'un millimetre du haut de
1'etranglement de la
cellule. On pese 1'ensemble (cellule + tige en verre + echantillon). On met en
place la cellule
de mesure sur un poste de degazage et on degaze 1'echantillon. Les parametres
de degaza.ge
sont de 30 min / 45 C pour le ciment Portland, le gypse, les pouzzolanes ; de
3 h / 200 C pour
les laitiers, fumees de silice, cendres volantes, ciment alumineux, calcaire ;
et de 4 h / 300 C
pour 1'alumine de contr6le. La cellule est rapidement bouchee avec un bouchon
apres le
degazage. On pese 1'ensemble et on note le resultat. Toutes les pesees sont
effectuees sans le
bouchon. La masse de 1'echantillon est obtenue par soustraction de la masse de
la cellule a la
masse de la cellule + echantillon degaze.
On effectue ensuite I'analyse de 1'echantillon apres I'avoir mis en place sur
le poste de
mesure. L'analyseur est le SA 3100 de Beckman Coulter. La mesure repose sur
1'adsorption
d'azote par 1'echantillon a une temperature donnee, ici la temperature de
1'azote liquide soit -
196 C. L'appareil mesure la pression de la cellule de reference dans laquelle
1'adsorbat est a
sa pression de vapeur saturante et celle de la cellule de 1'echantillon dans
laquelle des
volumes connus d'adsorbat sont injectes. La courbe resultant de ces mesures
est l'isotherme
d'adsorption. Dans le processus de mesure, ]a connaissance du volume mort de
la cellule est
necessaire : une mesure de ce volume est donc realisee avec de 1'helium avant
1'analyse.
La masse de 1'echantillon calculee precedemment est entree en tant que
parametre. La
surface BET est determinee par le logiciel par regression lineaire a partir de
]a courbe
experimentale. L'ecart-type de reproductibilite obtenu a partir de 10 mesures
sur une silice de
surface specifique 21,4 m2/g est de 0,07. L'ecart-type de reproductibilite
obtenu a partir de 10
mesures sur un ciment de surface specifique 0,9 m2/g est de 0,02. Une fois
toutes les deux
semaines un contr6le est effectue sur un produit de reference. Deux fois par
an, un contr6le
est realise avec I'alumine de reference foumie par le constructeur.
Exemple 4 : matieres premieres utilisees
Dans ce qui suit, on utilise plus particulierement les materiaux suivants :
- classe granulometrique superieure : granulats 10-20 Cassis et granulats 6- l
0
Cassis (fournisseur Lafarge) ;
- classe granulometrique moyenne : sable de Honfleur (foumisseur Lafarge) ;
- ciment : ciment HTS CPA CEMI 52.5 PEMS Le Teil a 0,84 m2/g BET ou ciment
St Pierre La Cour CPA CEM 1 52.5 R a 0,89 m2/g BET (foumisseur Lafarge) ;
CA 02652276 2008-11-13
WO 2007/132098 PCT/FR2007/000834
- classe granulometrique fine : cendres volantes (aussi notees CV par la
suite)
Sundance a 1,52 m2/g BET (fournisseur Lafarge), Superpozz a 1,96 m2/g BET
(foumisseur Lafarge) ou Cordemais a 4,14 m2/g BET (foumisseur Surschiste) ;
poudre calcaire (aussi notee FC par la suite) Mikhart a 4,66 m2/g BET
(foumisseur
5 Provengale SA) ou BL200 a 0,7 m2/g BET (foumisseur Omya);
- classe granulometrique ultrafine : fumees de silice (aussi notees FS par la
suite)
Elkem 971 U a 21,52 m2/g BET.
Le profil de distribution granulometrique des materiaux utilises (tel que
determine par
granulometrie laser pour les particules de taille moyenne inferieure a 200 m
et par video-
10 granulometrie pour les particules de taille moyenne superieure a 200 m)
est represente dans
les figures la a ld et met en evidence la compartimentation des materiaux en
classes
granulometriques disjointes.
On utilise egalement dans les exemples qui suivent un adjuvant, le Premia 180,
en tant
que fluidifiant ou superplastifiant.
Exemple 5 : formulations de beton selon l'invention
La photographie de la figure 2 fournit une visualisation schematique commode
entre
un mortier sec selon l'invention et un mortier sec de type B25 classique. On
constate que la
part du ciment est reduite d'environ 80 % dans le mortier sec selon
1'invention, et que la
quantite de liant (ciment, classes fine et ultrafine) est environ 40 %
superieure dans le mortier
sec selon l'invention, par rapport au mortier classique. La quantite d'eau
est, elle, reduite, et
une nouvelle espece apparait, celle de la classe ultrafine.
Les fonnules qui suivent sont des formules de compositions de beton selon
1'invention, a base de cendres volantes. Les materiaux utilises sont ceux
decrits a 1'exemple 4.
Chaque nombre correspond a la masse de materiau utilisee (en kg) pour preparer
1 m3 de
beton.
Formule CV 1
Classe superieure Cassis 6-10 953,70
Classe moyenne Sable Honfleur 953,70
Ciment HTS 52.5 LT 74,20
Classe fine CV Superpozz 353,80
Classe ultrafine FS Elkem 971U 31,79
Fluidifiant Premia 180 6,00
Eau 100,00
Formule CV2
Classe superieure Cassis 10-20 676,20
Cassis 6-10 350,22
CA 02652276 2008-11-13
WO 2007/132098 PCT/FR2007/000834
21
Classe moyenne Sable Honfleur 874,77
Ciment HTS 52.5 LT 72,21
Classe fme CV Superpozz 354,06
Classe ultrafine FS Elkem 971 U 30,95
Fluidifiant Premia 180 4,54
Eau 100,00
Formule CV3
Classe superieure Cassis 6-10 953,85
Classe moyenne Sable Honfleur 953,85
Ciment HTS 52.5 LT 74,20
Classe fine CV Cordemais 374,95
Classe ultrafine FS Elkem 971U 31,79
Fluidifiant Premia 180 12,00
Eau 110,00
Formule CV4
Classe superieure Cassis 6-10 953,70
Classe moyenne Sable Honfleur 953,70
Ciment HTS 52.5 LT 74,20
Classe fine CV Sundance 296,00
Classe ultrafine FS Elkem 971U 31,80
Fluidifiant Premia 180 6,00
Eau 100,00
Formule CV5
Classe superieure Cassis 10-20 663,45
Cassis 6-10 343,38
Classe moyenne Sable Honfleur 857,93
Ciment HTS 52.5 LT 70,19
Classe fine CV Sundance 336,49
Classe ultrafine FS Elkem 971U 30,08
Fluidifiant Premia 180 6,00
Eau 100,00
Formule CV6
Classe superieure Cassis 6-10 953,70
Classe moyenne Sable Honfleur 953,70
Ciment SPLC 52.5 R 74,20
CA 02652276 2008-11-13
WO 2007/132098 PCT/FR2007/000834
22
Classe fine CV Superpozz 353,80
Classe ultrafine FS Elkem 971 U 31,79
Fluidifiant Premia 180 6,00
Eau 100,00
Formule CV7
Classe superieure Cassis 6-10 953,70
Classe moyenne Sable Honfleur 953,70
Ciment HTS 52.5 LT 73,50
Classe fine CV Superpozz 350,30
Classe ultrafine FS Elkem 971U 31,10
Fluidifiant Premia 180 10,00
Eau 103,50
Formule CV8
Classe supdrieure Cassis 6-10 954,00
Classe moyenne Sable Honfleur 954,00
Ciment HTS 52.5 LT 102,00
Classe fine CV Superpozz 329,00
Classe ultrafine FS Elkem 971U 32,00
Fluidifiant Premia 180 3,50
Eau 130,00
Les formules suivantes sont des formules de compositions de bdton selon
l'invention,
a base de poudre calcaire, ou filler calcaire.
Formule FC 1
Classe superieure Cassis 6-10 950,00
Classe moyenne Sable Honfleur 950,00
Ciment HTS 52.5 LT 70,00
Classe fine FC Mikhart 1 90,00
FC BL200 304,00
Classe ultrafine FS Elkem 971 U 30,00
Fluidifiant Premia 180 8,00
Eau 100,00
Formule FC2
Classe superieure Cassis 10-20 661,84
Cassis 6-10 342,54
Classe moyenne Sable Honfleur 855,84
CA 02652276 2008-11-13
WO 2007/132098 PCT/FR2007/000834
23
Ciment HTS 52.5 LT 70,02
Classe fine FC Mikhart 1 100,03
FC BL200 336,78
Classe ultrafine FS Elkem 971 U 30,01
Fluidifiant Premia 180 7,07
Eau 100,00
Formule FC3
Classe superieure Cassis 10-20 661,84
Cassis 6-10 342,54
Classe moyenne Sable Honfleur 855,82
Ciment HTS 52.5 LT 70,02
Classe fine FC BL200 436,50
Classe ultrafine FS Elkem 971U 30,01
Fluidifiant Premia 180 7,07
Eau 100,00
Exemple 6 : performances des betons selon l'invention
Les performances des betons selon l'invention sont evaluees sur les points qui
suivent.
- Resistance a la compression. Celle-ci est mesuree en fabriquant des
eprouvettes
cylindriques de diametre 70, 110 ou 160 mm et d'elancement 2, en rectifiant
celles-ci selon la norme NF P18-406, puis en les mettant sous charge jusqu'a
la
rupture. En ce qui concerne la mise en charge, le protocole consiste a
entourer
chaque echantillon de deux ou trois epaisseurs de ruban de cellophane, a le
centrer
sur le plateau inferieur d'une presse au moyen d'un gabarit de centrage
(machine
d'essais mecaniques de capacite 3000 kN asservie en force, conforme aux normes
NF P18-411 et 412), a configurer un asservissement en force de I MPa/s, a
effectuer la mise en charge jusqu'a la rupture selon la norme NF P18-406 et a
relever la valeur de la charge a la rupture. Par Ia suite on en deduit la
valeur de la
resistance en divisant la force par la section de 1'eprouvette.
- Retrait. Celui-ci est mesur6 sur des eprouvettes fabriquees confonnement a
la
norme NF P 196-1 en utilisant des moules prismatiques de dimensions 4x4x16 ou
7x7x28 ou lOX10x40 (en cm). Un sechage uniforme est assure en disposant les
eprouvettes horizontalement sur deux supports ayant un contact lineique avec
les
eprouvettes. Des plots de mesures conformes a la norme NF P 15-433 sont ancres
dans chaque eprouvette. Les eprouvettes sont demoulees, puis des mesures sont
effectuees a I'aide d'un retractometre (initialement puis a chaque echeance
choisie). Pendant toute la duree de 1'experimentation, le local dans lequel
les
eprouvettes sont conservees est maintenu a une temperature de 20 C 2 C et a
une humidite relative de 50 % f 5%.
CA 02652276 2008-11-13
WO 2007/132098 PCT/FR2007/000834
24
- Durabilite (mesure de porosite a 1'eau et de permeabilite au gaz). Celle-ci
est
evaluee selon le test de I'AFGC ou Association Franqaise de Genie Civil (voir
Document Scientifique et Technique, 2004 : Conception des betons pour une
duree de vie donnee des ouvrages ))).
Ces performances sont parfois comparees dans la suite a celles d'un beton B25
classique (temoin), de composition suivante :
Granulats Cassis 10-20 655,00 kg/m3
Granulats Cassis 6-10 339,00 kg/m3
Sable Honfleur 0-4 847,00 kg/m3
Ciment SPLC CEMI 52.5 257,00 kg/m3
Filler MEAC BL 200 95,00 kg/m3
Adjuvant chrysoplast 209 0,77 kg/m3
Eau 164,00 kg/m3
Il importe de noter que le beton choisi comme temoin presente des perfonnances
exceptionnellement elevees au regard du standard B25. Aussi, un beton qui
presente des
performances legerement inferieures a celles de ce temoin peut tout de meme
etre juge
entierement satisfaisant.
Le resultat des mesures de resistance a la compression est reporte dans le
tableau I ci-
dessous : il montre en particulier que de nombreuses formulations parmi celles
de 1'exemple 5
permettent d'obtenir une resistance a la compression superieure ou egale a 4
MPa a 16 h et
superieure ou egale a 25 voire 30 MPa a 28 jours.
Tableau 1- resistance a la compression (en MPa) jusqu'a 28 jours
Echeance : 16 h Echeance : 24 h Echeance : 28 j
Temoin 10,3 15,2 43
CV1 (1) 3,83 6,00 34,37
CV2 (2) 6,03 36,75
CV3 (1) 3,79
CV5 (2) 4,1 39,03
CV6 (1) 5,61 8,13
FC I (1) 4,89 6,28
FC2 (2) 8,30 43,10
FC3 (2) 4,67 6,63 38,07
(1) : experience realisee sur une eprouvette de 70 mm de diametre, pour un
facteur
d'elancement de 2 ;
(2) : experience realisee sur une eprouvette de 110 mm de diametre, pour un
facteur
d'elancement de 2.
CA 02652276 2008-11-13
WO 2007/132098 PCT/FR2007/000834
Le temoin est teste sur une eprouvette de 110 mm de diametre, pour un facteur
d'elancement de 2.
Une autre experience distincte est effectuee sur un autre lot de ciment, pour
suivre la
5 resistance a la compression de certains echantillons a plus long terme. Les
resultats sont
reportes dans le tableau 2, et indiquent que certaines formules acquierent sur
1a duree une
resistance mecanique semblable a celle d'un beton B25 de tres bonne qualite,
ou meme
meilleure.
10 Tableau 2 - resistance a la compression (en MPa) jusqu'a une echeance de 4
mois
I mois 2 mois 3 mois 4 mois
Temoin 36,8 39,8 45,1 46,1
CV2 32 44,9 49 53,9
FC3 32 39,8 45,1 44,8
L'experience de comparaison du retrait entre un beton selon l'invention et un
beton
B25 temoin a donne lieu aux resultats qui sont rassembles a la figure 3. La
formule CV2 (x)
est caracterisee par un retrait moindre au-dela d'une quinzaine de jours en
comparaison d'une
15 formule classique. Aussi, un beton de ce type semble adapte a des
applications horizontales
ou a des ouvrages massifs.
En ce qui conceme 1'etude de la durabilitd, les proprietes physiques des
betons
formules selon 1'invention sont plus favorables que celles d'un bdton B25
classique, du fait
d'une moindre porosite a 1'eau (environ 10 %, respectivement 8 %, pour un
beton de formule
20 CV2, contre environ 17 %, respectivement 14 %, pour un beton B25 classique,
un jour,
respectivement 28 jours, apres le gachage) et d'une moindre permeabilite au
gaz (environ
5.10-16 m2 pour un beton de formule CV2 contre 1,1.10-15 mZ pour un beton B25
classique, 28
jours apres le gachage). Des essais de corrosion montrent egalement que le
comportement est
ameliore par rapport a un beton B25 normal.
