METHOD OF IMPROVING THE SHORT-TERM RESISTANCE OF CONCRETE

METHODE D'AMELIORATION DES RESISTANCES A COURT TERME DES BETONS

Abrégé français

De façon générale, l'invention porte sur un nouvel adjuvant, permettant l'augmentation des résistances à court terme des bétons. Cet adjuvant consiste en un mélange de proportions choisies de formiate de sodium et de microsilice. Cet adjuvant est introduit dans des dosages permettant l'augmentation des résistances à court terme (24 h) du béton. Le dosage de l'adjuvant comporte au moins 0,4% de microsilice et au moins 0,9% de formiate de sodium, pourcentages calculés sur le poids total du ciment. Il est noté des gains de résistance à 16 h variant de 25 à 40% en fonction du béton.

Abrégé anglais

This invention generally pertains to a new adjuvant, improving the short-term resistance of concrete. This adjuvant consists in mixing selected proportions of sodium formate and microsilica. This adjuvant is introduced in dosages improving the short-term (24h) resistance of concrete. The dosage of adjuvant comprises at least 0.4% of microsilica and at least 0.9% of sodium formate, percentages calculated based on the total weight of the cement. It is to be noted that improved resistance after 16h varies between 25 and 40% depending on the concrete.

Revendications

12
Les réalisations de l'invention au sujet desquelles un
droit exclusif de propriété ou de privilège est revendiqué,
sont définies comme il suit:
1. Un adjuvant pour du béton contenant du ciment, ledit
adjuvant comprenant du formiate de sodium et de la
microsilice dans des proportions d'au moins 0,9% par poids
total du ciment en ce qui concerne le formiate de sodium et
d'au moins 0,4% par poids total du ciment en ce qui
concerne la microsilice.
2. L'adjuvant pour béton de la revendication 1,
comprenant également un superplastifiant présent dans une
proportion d'au moins 0,5% par poids total du ciment.
3. L'adjuvant pour béton de l'une ou l'autre des
revendications 1 et 2, dans lequel les proportions de
formiate de sodium sont entre 0,9% et 3% par poids total du
ciment.
4. L'adjuvant pour béton de la revendication 3, dans
lequel les proportions de formiate de sodium sont entre
0,9% et 1,5% par poids total du ciment.
5. L'adjuvant pour béton selon l'une quelconque des
revendications 1 à 5, dans lequel les proportions de
microsilice sont entre 0,4% et 6,6% par poids total du
ciment.
6. L'adjuvant pour béton de la revendication 5, dans
lequel les proportions de microsilice sont entre 0,4% et 3%
par poids total du ciment.

13
7. L'adjuvant pour béton de la revendication 6, dans
lequel les proportions de microsilice sont entre 0,4% et 1%
par poids total du ciment.
8. L'adjuvant pour béton selon l'une quelconque des
revendications 1 à 7, dans lequel les proportions de
superplastifiant sont entre 0,5% et 2% par poids total du
ciment.
9. Dans un procédé de fabrication d'un mélange de béton
contenant du ciment, l'ajout en tant qu'adjuvant d'un
mélange de formiate de sodium et de microsilice dans des
proportions d'au moins 0,9% par poids total du ciment en ce
qui concerne le formiate de sodium et d'au moins 0,4% par
poids total du ciment en ce qui concerne la microsilice.
10. Dans le procédé fabrication de la revendication 9,
l'ajout en tant qu'adjuvant d'un mélange de formiate de
sodium et de microsilice dans des proportions de 0,9% à
1,5% par poids total du ciment en ce qui concerne le
formiate de sodium et de 0,4% à 3% par poids total du
ciment en ce qui concerne la microsilice.
11. Un mélange pour béton hydraulique comprenant du béton
hydraulique contenant du ciment et des agrégats, dans
lequel ledit mélange comprend en outre un adjuvant
comprenant du formiate de sodium et de la microsilice dans
des proportions d'au moins 0,9% par poids total du ciment
en ce qui concerne le formiate de sodium et d'au moins 0,4%
par poids total du ciment en ce qui concerne la
microsilice.

14
12. Le mélange pour béton hydraulique de la revendication
11, comprenant également un superplastifiant présent dans
une proportion d'au moins 0,5% par poids total du ciment.
13. Le mélange pour béton hydraulique selon l'une
quelconque des revendications 11 et 12, dans lequel les
proportions de formiate de sodium sont entre 0,9% et les
proportions de microsilice sont de 0,4% à 6,6% par poids
total du ciment.
14. Un mélange pour béton comprenant du ciment, un agrégat
et de l'eau ainsi qu'un adjuvant comprenant du formiate de
sodium et de la microsilice dans des proportions d'au moins
0,9% par poids total du ciment en ce qui concerne le
formiate de sodium et d'au moins 0,4% par poids total du
ciment en ce qui concerne la microsilice.

Description

CA 02244499 2001-07-18
TITRE DE L'INVENTION
ADJUVANT AMÉLIORANT LA RÉSISTANCE Ä COURT TERME DES BÉTONS
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention a trait aux bétons de ciment Portland. Plus précisément,
l'invention a trait aux adjuvants entrant dans la fabrication de bétons et en
particulier aux adjuvants aiméliorant la résistance à court terme des bétons.
ARRI~RE-PLAN TECHNOLOGIQUE
Le développement rapide des résistances en compression des bétons est
recherché dans plusieurs applications du béton. Le facteur le plus important
est
l'accélération de la cadence de coffrage et décoffrage pour ainsi augmenter la
rentabilité d'une production.
Ä cette fin, les adjuvants de béton les plus utilisés jusqu'à présent se
basent sur
des additifs minéraux ou chimiques.
Additifs minéraux
L'ouvrage de METHA, F'.K. (1983), Concrete: Structure, Properties, and
Materials, Prentice Hall, décrit l'existence de trois catégories d'additifs
m i néraux:
hydrauliques : réagïssent avec l'eau pour former des hydrates;
pouzzolaniques : ajouts siliceux réagissant avec la chaux formée au cours de
l'hydratation du ciment;
autres : classe regroupant entre autres les carbonates et les fines
inertes.
L'effet des ajouts hydrauliques est en général très lent, i.e. de l'ordre de
sept
jours avant de déceler une résistance à la compression plus forte que pour un
béton de référence.

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.2.
Tout comme les ajouts hydrauliques, l'action des ajouts pouzzolaniques sur
l'hydratation du ciment est, en général, très lente. En effet, leur effet
n'est
sensible, en général, qu'à partir de sept jours d'hydratation (HJORTH, L.
(1983),
Microsilica in Concrete et BEEDLE (1989), The Effect of Fine Pozzolanic and
Other Particules on the Hydration of C3S, Advances in Cernent Research,
n°5,
3-8), voir aussi NELSON, J.A., YOUNG, F. (1977), Additions of Colloidal
Silicas
and Silicas to Portland Cernent, Cernent and Concrete Research, vol.7,
pp. 277-282.
Cependant, parmi les ajouts pouzzolaniques, il est connu que les microsilices
(diamètre inférieur à 0,'1 ,um) permettent une accélération de l'hydratation
du
ciment à court terme. l_es taux de substitution utilisés pour la silice
varient de
3% à 6,6%.
Quant aux autres ajouts, il est connu d'introduire dans (e malaxage du béton
des
produits ultra-fins non réactifs ou de fines calcaires qui réagissent
chimiquement. En particulier, les fines calcaires composées de carbonate de
calcium à un taux de substitution de 20% réagissent avec le C3A et en
accélèrent
l'hydratation.
Dans tous les cas, un trop grand surcroît d'ajouts solides cause une
diminution
de la maniabilité du béton à couler.
Additifs chimiques
II est de mÉeme connu d'employer des agents chimiques en tant qu'accélérateurs
de prise du béton:
- chlorures et nitrate de calcium,
- formiates de sodium et calcium,
- sels de lithium,
- triéthanolamine.

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-3-
Un accélérateur classique et efficace est le chlorure de calcium. II est un
des
accélérateurs les plus utilisés dans l'industrie du béton. Malheureusement,
son
utilisation pose des problèmes d'effets secondaires indésirables. En
particulier, il
accélère la corrosion des armatures. Ceci a nécessité l'établissement de
normes
d'utilisation qui restreignent le dosage en ions chlore (au plus, 2% de CaCl2
en
masse par rapport au poid<_> de liant).
Le formiate de calcium, Ca(COOH)z est également un accélérateur de prise
efficace. II est connu que l'addition de formiate de calcium ou sodium, permet
de diminuer le temps nécessaire pour atteindre la prise finale de 2 à 3
heures. Le
dosage optimal se situe généralement entre 2%-3%. Cependant, son effet
dépend du type de cimern~ utilisé. En particulier les dosages en sulfates et
C3A
conditionnent l'efficacitE~ du formiate comme accélérateur. En fait, le
rapport
C3A/SO3 doit être supérieur à 4 pour que le formiate de calcium ait un effet
accélérateur (GEBLER (1983), Evaluation of Calcium Formate and Sodium
Formate as Accelerating Admixtures for Portland Cernent Concrete, Journal of
the American Concrete-Institute, pp. 439-444).
La triéthanolamine est gé néralement efficace mais son prix est élevé. Les
sels de
lithium accélèrent la cinétïque d'hydratation de certains ciments comme les
ciments alumineux.
Mélanges d'additifs minéraux et chimiques
II est connu, (Alkali-Silicate Admixture for Cernent Composites Incorporating
Pozzolan or Blast Furnace Slag, Cernent and Concrete Research, vo1.23,
pp. 1215-1 222. ZIVICA (1993)), de mélanger silicate, alcalis et pouzzolanes
afin
de réaliser un accélérateur. II est aussi connu d'activer au silicate de
sodium un
laitier de haut fourneau afin d'obtenir un durcissement accéléré du béton.
Le brevet américain 4,373,956 présente un mélange d'additifs comprenant des
composés alcalins ou alcalino-terreux ou se) d'ammonium d'acide thiocyanique

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Lt
ainsi que alc,.rnolamine, le tout dans des; proportions
choisies. Pour ;~a part , le br:~vc~t américain R.eissue 35, 194
présente aussi i_~ne cc~rn~~inaison sc--__emblable.
Cependant, ~~ucun de ces addit:: i.fs ou mélanges d' additifs ne
permet d' o~~tenir une rêsistar~ce à court t:e:rme souhaitée
tout: en mainterrant tara ~~:cîit oie t_abrication raisonnable. Un
besoin impow tant: demc=_urF~ donc af ln de réporndre aux carences
de l' art antér:i.eur er prêsentvarat l_' :invent ion d'un nouvel
addi tif ou mélange d' addi. t:if s permettant d' améliorer
1.0 sensiblement, la rési.star_ce ~ court terme s<~ns toutefois
augmenter de' façon déraisonnable les coûts de production du
béton.
D'autres ~~uts et objets dE~ la présence invention
dev=;endront apparent. s à la lecture de la description
détaillée qui suit:.. Il. irrrporte de noter que cette
description détailiêe prése7ntc_~ des incorporations et
exemples préféx-entiF>7..:~ de L':invent.ïon et est fournie à
titre d' illustration. C".eux spéc:;_alisés darïs :Le domaine de
l' invention pourront:: appo.r.teJt: p=Lusieurs aménagements et
~:0 modifications à ces incorporations cet exemples
préférentiels ~~ans 1::~>,_~t:efois dépasser i~~ cadre de la
présente in~renti_on.
SOMMAIRE DE L'INVENTION
De façon générale, L' ~.nven~.ion porvte sux~ un nouvel
adj avant , pE~rme t:.tant 1. ' ,_~uctment:ut i.cn ç~e" ré;~ ist antes â court
terrne des bétons . C~w t: adj ~zvan.t cc>r~siste en Dun mélange de
proportions choisiE~~ cW : fc:~rmiate de sodium et de
microsilice confëranr_ un ~_~ffet ~~~:~uplé et synergique

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<:i
supérieur aux caractéristiqL~es de ces adjuvants lorsque
utilisés seuls. Cet ~c:~~uvant combiné est intrc>duit dans des
dosages permettant L'augmentation des résist<~nces à court
terme (16 :z à 24 11;1 du bét~~n. Le dosag~~ de l'ad,juvant
comporte au moins 0,-I~ de microsilice et d°au moins 0,9% de
formiate de sodium, howrcer:;t:age; c:alcul~e:~ sur le poids
total du c:iment~ cor;.t:enu dans le béton. Il est noté des
gains de résistance à 16 h v~;~:riant de 25 à 40~ en fonction
du béton.
7. 0

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5-
II est préférable selon la présente invention d'ajouter un superplastifiant
dans le
mélange de béton de façon à maintenir l'affaissement du béton frais au niveau
de celui du béton non adjuvanté.
BR~VE DESCRIPTION DES FIGURES
Figure 1. Analyse à affaissement constant de l'effet du formiate de sodium sur
les résistances à la compression à 16 h d'un mortier contenant de la
microsilice.
Figure 2. Évolution, sur mortier de béton, de la demande en superplastifiant
nécessaire pour atteindre un affaissement égal à celui de la référence sans
ajout.
Analyse faite avec 1 % de formiate de sodium.
Figure 3. corrélation de l'évolution dans le temps de la rhéologie d'un béton
et
de son mortier associé..
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION
La présente invention divulgue l'invention d'une combinaison d'adjuvants qui,
lorsqu'ajoutée au béton lors du malaxage de ce dernier, permet d'améliorer ses
résistances à jeune âge (24~ h).
Le principe de l'invention est basé sur l'effet couplé et synergique de la
microsilice et du formiate de sodium sur la cinétique d'hydratation du ciment.
Cet effet synergique est plus élevé que l'effet de la microsilice et du
formiate de
sodium pris séparément.
Afin de valider la présente invention, plusieurs données expérimentales ont
été
recueillies. Ces données expérimentales confirment l'effet du dosage en
formiate de sodium sur des mortiers de béton contenant divers dosages de
silice
pour une rnaniabilité constante et égale à celle de la référence sans ajout.
II est
constaté que l'ajout d'un superplastifiant lors du malaxage du béton évite la

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Ö-
perte d'affaissement de ce dernier, telle qu'elle est provoquée par la
présence de
si I ice.
La description des compositions du béton et du mortier de référence telle
qu'elle apparaît dans le tableau 1;
ii. La corrélation entre l'affaissement du béton et celui du mortier qui est
illustré par la figure 3;
iii. La composition du ciment utilisé lors des essais relatifs au tableaul (en
particulier la teneur C3A qui est égale à 8%), qui est donnée dans le
tableau 2
Tableau 1
COMPOSITIONS DU BÉTON ET DU MORTIER DE RÉFÉRENCE
Beton (kg/m3) Mortier de béton (kg)
Ciment CPA-CEM I 52,5 350 350
Sable 0/1 (sec) 490 537
Sable '/4 (sec) 245 268
Gravillon 4/10 (sec) 375 0
Gravillon 10/20 (sec) 700 0
Eau Totale 185 160

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7.
Tableau 2
COMPOSI~rIONS DE BOGUE ET CHIMIQUE DU CIMENT UTILISÉ
Composition de Bogue
C: ~A 8
C;S 67
CzS 8
CAF 11
Composition chimique
SiOz 20,4
AIzOa 5,3
Fez03 3,6
TiOz 0,24
C:aO 64,
5
Mg0 0,
68
SO:3 3,10
Kz0 0,19
NazO 0,01
Perte au feu 1,9
30

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_8_
Les variables étudiées étaient
i. élargir le domaine de variation du dosage en microsilice jusqu'à 1 % de
façon à ce qu'il y ait une bonne correspondance avec les données du
tableau 3;
ii. exprimer le dosage en superplastifiant en %, à savoir 0,2 à 1 %; et
iii. préciser que les pourcentages sont relatifs à la masse de ciment.
Les bornes de variation des variables étudiées ont été fixées suite à quelques
essais préliminaires. l_es réponses enregistrées sont : (1) la résistance en
compression à 16 h (MPa) et (2) l'affaissement au cône modifié sur mortier
(mm). La température de mûrissement est de 20°C.
Les résultats obtenus sont présentés au tableau 3.
Tableau 3
Résultats du plan d'expérience concernant l'étude de l'effet du formiate de
sodium sur un mortier de k>éton contenant de la microsilice.
N essaiMicrosiliceFormiateSuperplastifiantAffaissementf'c*
(%) _(%) (g) (mm) 16h
(MPa)
1 0,5 1 1 50 22,3
2 0,5 1 4 80 21,1
3 0,42 0,9 3,25 85 19,8
4 0,42 1,1 3,25 80 21,6
5 0,58 0,9 3,25 60 21,1
6 0,58 1,1 3,25 60 21,4
7 0,5 0,5 1,75 50 19,3
8 0,5 1,5 1,75 60 21,7
9 0,1 1 1,75 95 18,6
10 0,9 1 1,75 25 23,8
11 0,5 1 2,5 60 21,9
Rf. 0 _ --0- --0 80 16,1
f'c* : Résistance en compression
% en poids du ciment

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9.
L'analyse c~e ce plan d'ex:périences avec la contrainte d'affaissement
constant
compris entre 75 mm Eet 8 5 mm (affaissement de référence : 80 mm) est
illustrée
par la figure 1.
Cette étude confirme donc l'effet synergique du formiate de sodium et de la
microsilice. En effet, l'ajout combiné de formiate et de microsilice engendre
des
gains de résistances supérieurs à ceux produits par l'ajout de silice seule.
Les
données révèlent que l'effet couplé et synergique est décelé lors d'une
combinaison de 0,9°/° ou plus de formiate de sodium et de 0,4%
ou plus de
microsilice. Préférablement, la combinaison d'adjuvants selon la présente
invention sera d'environ 0,9% à 3% en formiate de sodium, préférablement 1
à 1,5%, et d'environ 0,4% â 6,6% en microsilice, préférablement 0,4% à 3% et
plus préférablement de 0,4% à 1 %, le tout préférablement accompagné d'un
superplastifiant en proportion d'environ 0,5% à 2% pour atteindre
l'affaissement
voulu.
En ce qui concerne les dosages en superplastifiant, on constate que
l'utilisation
de microsilice impliqua l'emploi de superplastifiant afin de respecter les
normes
maximales d'affaissement (figure 2).
En conclusion, les mélanges étudiés permettent de dépasser les performances
accélératrices de 2% dc~ Ca(:Iz à 16 h de mûrissement à 20°C.
Exemples
La présente invention est aussi illustrée à l'aide des exemples suivants:
Exemple 1
Étude du phénomène de couplage sur deux ciments contenant respectivement
5% et 11 % de C3A.

CA 02244499 2002-07-31
Tableau 4
Rêsistance à la compression sur mortier â 16 h (en MPa):
~tude de l'ajout de microsilice et de formiate de sodium
pour deux ciments contenant respectivement 5% et 11% de C3A
Dosage
en
microsilice
0% 1%
0% 17,5 (11%*) (0,4%)** 21,4 (11%*) (1,75%**)
Dosage
en
9,1 (5%*) (0%**) 11,6 (5%*) (1,15%**)
formiate
1% 18,1 (11%*) (0,4%)** 22,5 (11%*) (1,75%**)
de sodium
8,2 (5%*) (0%**) 13,2 (5%*) (1,15%**)
(* Teneur en C3A du ciment utilisé)
(** Dosage en superplastifiant nécessaire pour atteindre un
affaissement sur mortier de béton égal à 80 mm)
20

CA 02244499 2002-07-31
11
Étude du phénomène de couplage sur trois ciments contenant
respectivement 5%. 11% et 8% de CgA
Tableau 5
Résistance à la compression sur mortier â 16 h (en MPa):
Étude de l'effet synergique de l'ajout de microsilice et de
formiate de sodium pour trois ciments contenant
respectivement 5, 11 et 8~ C3A
~ C3A ~ formiate % silice f'c (16 h) Q
0 0 9, 1 0, 0,
5 1 0 8,2 -0,9~1~6
5 0 1 11,6 2,5
5 1 1 13,2 4,1
soit 27~ de synergie (19, 1) .- synergie = 2, 5
% C3A ~ formiate ~ silice f'c (16 h) Q
11 0 0 17,5 0,0,
11 1 0 18,1 -0,6 ~4~5
11 0 1 21,4 2,5
11 1 1 22,1 4,6
synergie ~ 0,1

CA 02244499 2002-07-31
11a
~ C3A ~ formiate ~ silice f'c (16 h) Q
8 0 ~ 0,0 16,1 0,0,
8 1 0,0 16,7 0,6't 2~6
8 0 1,5 18,1 2,0
8 1 1,5 20,0 3.9
synergie = 1,3
Commentaires sur les exemples
L'effet synergique est constaté qu'elle que soit la teneur
en C3A. Cependant, l'effet est plus marqué pour les faibles
teneurs en C3A. I1 est constaté que l'ajout couplé de
formiate de sodium et de silice permet des gains de
résistance â la compression de l'ordre de 25~ à 40~ à 16 h
de mûrissement.
I1 est aussi constaté que la teneur plus élevée en C3A du
ciment utilisé nécessite un emploi plus élevê du
superplastifiant pour atteindre un affaissement maximal de
80 mm.
I1 va se soi que la présente demande peut recevoir
aménagements et variantes sans pour autant sortir du cadre
de la présente invention telle que décrite.

Dessin représentatif