Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
WO 2022/018037 1
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Description
Titre : PROCEDE DE FABRICATION D'UN BETON FORMULE A BASE DE
LAITIER ACTIVE
Domaine technique
La présente invention se rapporte à un béton bas carbone, notamment à un béton
de structure
bas carbone, formulé à base de laitier, en particulier de laitier activé.
L'invention concerne
également un procédé de fabrication d'un tel béton.
Technique antérieure
L'utilisation des bétons de ciment, conventionnellement considérés à titre de
bétons de
structure, pose un souci en termes d'impact environnemental. Au regard de leur
composition,
à savoir un mélange de granulats et de sable agglomérés par un liant à base de
ciment,
généralement de ciment Portland, ces bétons contribuent fortement aux
émissions de CO2,
principalement dues à la fabrication du clinker, constituant essentiel du
ciment Portland.
Afin de réduire l'impact environnemental des bétons, il a été proposé de
remplacer,
généralement partiellement, le clinker par d'autres composés. Ainsi,
différentes classes de
ciment, comportant des teneurs en clinker inférieures à celles du ciment
Portland, ont été
développées. Cependant, pour des teneurs en clinker trop faibles, la
résistance du béton est
insuffisante pour que le béton soit mis en uvre comme béton de structure.
Une autre solution alternative pour réduire l'impact environnemental du béton
est le
remplacement d'un liant à base de ciment par un liant à base de laitier
activé. Un laitier est
considéré comme ayant une empreinte carbone très faible, car il s'agit
généralement d'un
sous-produit de l'industrie métallurgique, notamment généré lors de la
fabrication de la
fonte. Un laitier activé est un laitier, auquel est ajouté au moins un
activateur, permettant
d'accélérer la réaction du laitier avec l'eau. WO 2019/110134 et WO
2019/110280 proposent
tout particulièrement une formulation de liant à base de laitier activé
comprenant au moins
un laitier, au moins un activateur et au moins un chélatant et/ou une source
de chélatant,
ainsi qu'une composition humide comprenant le liant, de l'eau et au moins un
granulat.
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Cependant, jusqu'à présent, il est très difficile de mettre en uvre un béton
de laitier activé
sur un chantier, notamment pour former un élément structurant, car les
performances
atteintes par un tel béton sont insuffisantes par rapport à un béton de
ciment.
En particulier, ces bétons ne reproduisent pas les propriétés des bétons
classiques, en tel lies
de:
- fluidité sur une durée suffisante pour transporter le béton et le mettre
en place ;
- résistance mécanique au court terme (de l'ordre d'un jour), notamment
pour permettre de
décoffrer rapidement et ne pas ralentir les chantiers ;
- résistance mécanique au long terme (de l'ordre de 28 jours) pour pouvoir
utiliser le béton
comme béton de structure ;
- robustesse, notamment vis-à-vis des variations de teneur en eau, ainsi
que des conditions
du chantier telles que la température ;
- retrait, qui doit être limité pour maintenir les dimensions de l'élément
moulé au cours de
la réaction et du séchage.
Il demeure donc un besoin d'un béton de laitier activé doté de performances
améliorées à
ces égards.
L'invention vise précisément à proposer un béton de laitier activé donnant
satisfaction en
ces termes.
Contre toute attente, les inventeurs ont constaté que ces objectifs peuvent
être atteints
notamment via l'ajustement d'un procédé de préparation particulier d'un béton
de laitier
activé.
Exposé de l'invention
Ainsi, la présente invention concerne, selon un premier aspect, un procédé de
fabrication
d'un béton de laitier activé, comprenant au moins les étapes consistant à :
a) Disposer d'un pré-mélange P d'eau et de granulats, la température dudit pré-
mélange P
étant au moins égale à 10 C, de préférence 15 C,
b) Disposer d'un système d'activation A comprenant au moins un co-liant, un
chélatant, un
carbonate de métal alcalin et un matériau carbonaté distinct dudit carbonate
de métal alcalin,
c) Incorporer sous malaxage dans ledit pré-mélange P, ledit système
d'activation A et un
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laitier S, lesdits système d'activation A et laitier S étant introduits de
manière successive
et/ou simultanée,
d) Prolonger ledit malaxage jusqu'à obtention d'un béton frais, et
e) Laisser ledit béton frais durcir.
Selon une première variante, l'étape c) met en oeuvre ledit système
d'activation A sous la
forme d'un pré-mélange P' avec un laitier S. Un tel pré-mélange P' peut être
encore qualifié
de liant au sens de l'invention.
Selon une deuxième variante, l'étape c) comprend l'incorporation du laitier S
consécutivement à celle du système d'activation A.
Selon une troisième variante, l'étape c) comprend l'incorporation du système
d'activation A
consécutivement à celle du laitier S.
Les première et deuxième variantes sont préférées.
Selon un mode de réalisation particulier, le procédé comprend en outre
l'incorporation d'au
moins un adjuvant notamment choisi parmi les plastifiants, les
superplastifiants et leurs
mélanges, notamment en étape c) ou d).
Comme il ressort des exemples ci-après, un tel procédé permet d'améliorer
significativement
les performances d'un béton de laitier activé par rapport à un procédé de
fabrication usuel
de béton sur chantier.
Avantageusement, les étapes c) à d), voire a) à d), du procédé peuvent être
réalisées dans
une centrale à béton, de préférence une centrale à béton à malaxeur à action
forcée. Ce type
de malaxeur possède des pales qui tournent autour d'un axe vertical ou
horizontal, ou de
deux axes horizontaux, et créent un cisaillement élevé du matériau favorisant
la qualité et la
rapidité du mélange.
Alors que pour les bétons fabriqués à partir de ciments traditionnels l'ordre
d'introduction
des différents constituants est sans incidence majeure sur les propriétés du
mélange, les
inventeurs ont découvert que l'introduction du système d'activation A dans un
pré-mélange
P permet, contre toute attente, d'augmenter significativement la durée
d'ouvrabilité d'un
béton de laitier activé.
Comme illustré dans les exemples qui suivent, un tel procédé permet notamment
de former
et de maintenir un béton frais à une fluidité élevée, notamment un béton de
classe de
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consistance S4 selon la nonne NF EN 206/CN, pendant une durée d'au moins 2
heures, soit
au moins environ 3 fois plus longtemps qu'avec un procédé classique.
De plus, la présence du co-liant requis selon l'invention permet
avantageusement de limiter
le retrait du béton, d'améliorer sa résistance au jeune âge, et d'obtenir une
meilleure
robustesse de la formulation, notamment vis-à-vis des variations de la
température ambiante,
de la nature et de la source des granulats et de leur humidité, ainsi que des
variations du
rapport eau / laitier S, voire du rapport eau / (laitier S + système
d'activation A).
Enfin, la mise en oeuvre du pré-mélange P à une température au moins égale à
10 C,
préférentiellement 15 C, permet d'améliorer la robustesse du procédé vis-à-vis
des
variations de la température ambiante.
Selon un autre de ses aspects, la présente invention concerne un béton de
laitier activé obtenu
par le procédé selon l'invention.
Un béton conforme à l'invention possède, outre l'avantage d'être un béton bas
carbone, voire
très bas carbone, le grand intérêt de pouvoir être utilisé comme béton de
structure.
Selon encore un autre de ses aspects, l'invention concerne un béton frais de
laitier activé
obtenu à l'issue de l'étape d) du procédé selon l'invention.
Ce béton frais permet notamment d'avoir suffisamment de temps pour le mettre
en place sur
le chantier avant la prise.
Selon encore un autre de ses aspects, l'invention concerne un béton armé de
laitier activé
comprenant des armatures d'acier et un béton de laitier activé selon
l'invention.
L'invention concerne également un élément structurant comprenant un béton de
laitier activé
selon l'invention.
Enfin, elle concerne un élément préfabriqué comprenant un béton de laitier
activé selon
l'invention.
Par béton frais , on entend un béton dans la phase qui suit le malaxage et
précède la prise,
c'est-à-dire un béton qui a la capacité de se déformer et/ou de s'écouler.
Par l'adjectif sec , on caractérise un matériau dénué d'eau de gâchage.
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Dans la suite du texte, les rapports pondéraux sont exprimés en extrait sec.
Par ailleurs, le terme liant se rapporte dans la suite du texte à
l'ensemble du système
d'activation A avec le laitier S. Ainsi, la masse du liant est la masse totale
du système
d'activation A et du laitier S.
Description détaillée
Procédé de fabrication d'un béton de laitier activé
Comme il ressort de ce qui précède, le procédé de l'invention requiert la mise
en présence
d'un pré-mélange P, d'un système d'activation A et d'un laitier S.
Pré-mélange P
L'étape a) du procédé consiste à disposer d'un pré-mélange P d'eau et de
granulats, dont la
température est au moins égale à 10 C, de préférence au moins égale à 15 C.
Le terme granulat se rapporte à une large catégorie de matériaux particulaires
utilisés en
construction.
Les granulats peuvent être choisis parmi les fillers, les sables, les sablons,
les graviers, les
gravillons, la roche concassée, les scories, le béton concassé ou recyclé, les
granulats
géosynthétiques, le schiste expansé, l'argile expansée et leurs mélanges.
Notamment, les fillers peuvent être choisis parmi les cendres volantes, la
fumée de silice, les
pouzzolanes, et le schiste calciné et leurs mélanges. La roche concassée peut
être formée à
partir de roches siliceuses, calcaires, et/ou silico-calcaires.
De préférence, les granulats sont choisis parmi les matériaux conformes à
l'article 10 de la
norme NF P 18-545.
De préférence, les granulats ont une taille inférieure à 32 mm.
Le plus souvent, les granulats mis en oeuvre sur un chantier sont sous forme
humide compte-
tenu qu'ils sont le plus souvent manipulés en atmosphère extérieure. Le
procédé de
l'invention permet avantageusement de considérer également ce type de
granulats humides,
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par nature moins aisés à manipuler que les granulats secs pour la fabrication
du béton de
laitier activé.
Ces granulats sont généralement considérés à une proportion pondérale variant
de 65%
à 80% par rapport au poids total du béton frais.
Par ailleurs, le pré-mélange P est préparé avec une eau portée à une
température adéquate
pour ajuster la température dudit pré-mélange P à une valeur au moins égale à
10 C, de
préférence au moins égale à 15 C. Cette température de pré-mélange P permet,
via une
solubilisation des espèces réactives en jeu dans les premières heures du béton
frais, de
stimuler significativement la réaction du laitier S avec l'eau dès son
incorporation dans le
pré-mélange P.
En fait, le contrôle de la température du pré-mélange P est avant tout
déterminant lorsque la
température ambiante est inférieure à 10 C. Les inventeurs ont en effet
constaté qu'une
température inférieure à 10 C ralentit voire empêche la prise et/ou la montée
en résistance
du béton.
En conséquence, l'eau mise en oeuvre pour former le pré-mélange P est de
préférence à une
température variant de 10 C à 85 C.
Selon un mode de réalisation préféré, le pré-mélange P est à une température
au moins égale
à 15 C en étape a), voire à une température variant de 15 C à 25 C.
Système d'activation A
Ce système d'activation A comprend au moins un co-liant, un chélatant, un
carbonate de
métal alcalin et un matériau carbonaté distinct du carbonate de métal alcalin.
De préférence,
le système d'activation A est sous la forme d'un mélange sec, et notamment
d'une poudre.
a) Co-liant
Le co-liant peut être un liant aérien ou hydraulique, de préférence un liant
hydraulique apte
à l'emploi selon la norme NF EN 206/CN. Par exemple, le co-liant peut être de
la chaux, du
clinker ou du ciment Portland.
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De préférence, le co-liant est un précurseur d'ions calcium. En particulier,
le co-liant est apte
à libérer des ions calcium lorsqu'il est mis en contact avec l'eau.
Le co-liant est avantageusement caractérisé par une finesse Blaine (ASTM C
204) (Bf)
exprimée en cm2/g et par ordre de préférence croissante :
- 500 < Bf < 10000;
- 1000 < Bf < 9000;
-2000 < Bf < 8000.
La teneur en co-liant mise en oeuvre dans le procédé est avantageusement
faible, en
particulier inférieure à 20%, et de préférence inférieure à 10% en masse par
rapport à la
masse du liant.
Selon un mode de réalisation préféré, le procédé met en oeuvre le co-liant à
une teneur
inférieure à 5% en masse, en particulier variant de 1% à 5% en masse, par
rapport à la masse
totale desdits système d'activation A et laitier S. En variante, le procédé
met en uvre de
préférence le co-liant et le laitier S dans un rapport pondéral co-liant /
laitier S variant de 1%
à 5%.
Avantageusement, la présence de co-liant dans le système d'activation A permet
de réduire
le retrait du béton au cours de la prise et du séchage. De plus, le co-liant
permet d'accélérer
la montée en résistance du béton, et d'atteindre une classe de résistance au
moins égale à
C30/37 à 28 jours selon la norme NF EN 206/CN. Enfin, le co-liant contribue à
la robustesse
du procédé vis-à-vis des matières premières, du rapport eau / liant et de la
température.
b) Chélatant
Au sens de l'invention, le terme chélatant couvre tout composé doté de la
capacité à se
chélater ou à former un tel composé. De préférence, le chélatant est un
composé doté de cette
aptitude.
Avantageusement, ce ou ces chélatant(s) est un chélatant de l'ion calcium ou
de l'ion
aluminium, et de préférence de l'ion calcium.
Le chélatant peut être choisi parmi :
- les phosphonates, de préférence les monophosphonates et/ou les
diphosphonates ;
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- les phosphates, de préférence les tripolyphosphates et/ou les
hexamétaphosphates ;
- les carboxylates, de préférence les polyacrylates, les citrates, les
tartrates et/ou les
gluconates ;
- les amines ;
- leurs dérivés, leurs sels ;
- et leurs mélanges ;
de préférence choisi parmi le PBTC (acide phosphonobutane-1,2,4-
tricarboxylique), le
ATMP (acide amino-triméthylène phosphonique), le HEDP (acide 1-
hydroxyéthylidène-
1,1-diphosphonique), le DTPA (acide diéthylène triamine penta acétique), le
DCTA (acide
diaminocyclohexanetétra-acétique), le PAA (acide polyacrylique), le PPA
(phosphino-
polyacrylate), le PMA (acide polymaléique), le MAT (terpolymère acide
maléique), le
SPOCA (acide phosphonocarboxylique sulfoné), le PPCA (acide poly-phosphono
carboxylique), le EDTMP (acide éthylènediaminetétraméthylène phosphonique), et
le
DTPMP (acide diéthylènetriamine-pentaméthylènephosphonique), leurs dérivés,
leurs sels
et leurs mélanges.
En particulier, le chélatant peut être choisi parmi les phosphonates, de
préférence les
monophosphonates et/ou les diphosphonates, et plus préférentiellement parmi le
HEDP
(acide 1 -hydroxy éthylid ène -1,1-d ipho sphoniqu e) et
le EDTMP (acide
éthylènediaminetétraméthylène phosphonique).
Plus particulièrement, le chélatant peut être choisi parmi les chélatants
proposés dans les
documents WO 2019/110134 et WO 2019/110280 de la société ECOCEM. Parmi ces
chélatants s'avère tout particulièrement intéressant le composé suivant :
[Chem 11
0 OH 0
II
H O¨P¨ C¨P ¨OH
OH CH3OH
Par ailleurs, le procédé peut mettre en oeuvre le chélatant et le laitier S
dans un rapport
pondéral du chélatant par rapport au laitier S variant de 0,001% à 2%, de
préférence
de 0,01% à 1%, et plus préférentiellement de 0,1% à 0.7%.
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En variante, le procédé peut également mettre en oeuvre le chélatant et le
liant dans un rapport
pondéral du chélatant par rapport au liant variant de 0,001% à 2%, de
préférence de 0,01%
à 1%.
c) Carbonate de métal alcalin
Le système d'activation A comprend également au moins un carbonate de métal
alcalin.
Le carbonate de métal alcalin est mis en oeuvre en tant qu' activateur de la
réaction eau/laitier,
également nommé activateur dans la suite du texte. Le carbonate de métal
alcalin permet
donc d'accélérer la réaction eau/laitier.
Le carbonate de métal alcalin favorise la prise et/ou la cure et/ou le
durcissement du laitier
S.
Le carbonate de métal alcalin peut être sous forme solide, hydraté ou anhydre,
par exemple
sous la forme d'une poudre ou bien sous une forme liquide, par exemple en
solution ou
suspension. De préférence, le carbonate de métal alcalin est sous la forme
d'une poudre.
En particulier, le système d'activation A comprend au moins un carbonate de
métal alcalin
choisi parmi les carbonates de sodium, les carbonates de potassium, les
carbonates de lithium
et leurs mélanges.
De préférence, le système d'activation A comprend au moins un carbonate de
métal alcalin
choisi parmi les carbonates de sodium, les carbonates de potassium et leur
mélange, et plus
préférentiellement comprend au moins le carbonate de sodium.
Le procédé selon l'invention peut mettre en oeuvre le carbonate de métal
alcalin et le laitier
S dans un rapport pondéral carbonate de métal alcalin / laitier S variant de
2% à 12%, de
préférence de 6% à 10%.
En variante, le procédé peut mettre en oeuvre le carbonate de métal alcalin et
le liant dans un
rapport pondéral carbonate de métal alcalin / liant variant de 2% à 11%, de
préférence de 5%
à 9%.
Par ailleurs, la concentration du carbonate de métal alcalin, de préférence du
carbonate de
sodium, dans l'eau peut varier de 100 g/L à 300 g/L, de préférence de 150 g/L
à 250 g/L.
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d) Matériau carbonaté distinct dudit carbonate de métal alcalin
Le système d'activation A comprend en outre au moins un matériau carbonaté
distinct du
carbonate de métal alcalin, également appelé matériau carbonaté dans la suite
de la
description. En particulier, le système d'activation A comprend au moins un
carbonate de
métal alcalino-terreux.
De préférence, le matériau carbonaté comprend au moins du carbonate de
calcium. En
particulier, le matériau carbonaté distinct du carbonate de métal alcalin se
présente sous la
forme d'au moins un matériau choisi parmi le calcaire, la dolomite, le
carbonate de calcium
précipité, la craie, le marbre, l'aragonite, le travertin, le tuffeau et leurs
mélanges, et de
préférence comprend au moins, voire consiste en, du calcaire.
De préférence, le matériau carbonaté est mis en oeuvre sous la forme d'un co-
produit(s) de
différentes industries, ou sous sa forme naturelle, ou synthétique.
Le matériau carbonaté peut être un solide cristallin ou un solide ionique.
Selon un mode avantageux de l'invention, le matériau carbonaté est une poudre
dont la taille
médiane D50 peut être choisie dans les catégories suivantes :
a'1) D50 est compris dans l'intervalle 1250 ttm ¨ 40 mm], par exemple [5 ¨ 15
mm] ;
a'2) D50 est compris dans l'intervalle 116,0 ¨ 250,0 !am], par exemple [90 ¨
110 iam] ;
a'3) D50 est compris dans l'intervalle 16,0 ¨ 16,0 !_tm], par exemple [9 ¨ 11
pm] ;
a'4) D50 est compris dans l'intervalle 13,0 ¨ 6,01..1m], par exemple [3,5 ¨
5,5 i_tm] ;
a'5) D50 est compris dans l'intervalle 10,9 ¨ 3,0 !_tm], de préférence [1,0 ¨
2,0 !dm], par
exemple [1,4¨ 1,6 wn] ;
a'6) D50 est compris dans l'intervalle 10,02 ¨ 0,91..1m], par exemple [0,49¨
0,51 !lm] ;
a'7) et leurs mélanges.
Un exemple de matériau carbonaté de classe a' 6) est le carbonate de calcium
précipité
(PCC).
Le matériau carbonaté, de préférence sous forme de poudre, peut comprendre (en
pourcentage massique sec par rapport au matériau carbonaté) :
actl) 100% de matériau carbonaté de classe a'1), ou
aa2) 100% de matériau carbonaté de classe a'3), ou
act3) entre 90% et 10%, de préférence entre 80% et 30%, de matériau carbonaté
de classe
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a' 1), et entre 10% et 90%, de préférence entre 20% et 70% de matériau
carbonaté de classe
a'2), ou
ota4) entre 1% et 40%, de préférence entre 10% et 30%, de matériau carbonaté
de classe a'3),
ou
(ia5) entre 1% et 20%, de préférence entre 5% et 15%, de matériau carbonaté de
classe a'3),
et entre 99% et 80%, de préférence entre 95% et 85% de matériau carbonaté de
classe a'5).
Par ailleurs, la surface spécifique du matériau carbonaté, obtenue par méthode
BET, peut
aller de 1 à 60 m2/g, par exemple de 20 à 30 m2/g et/ou de 3 à 13 m2/g.
Par ailleurs, le procédé met en oeuvre le matériau carbonaté et le laitier S
dans un rapport
pondéral matériau carbonaté / laitier S pouvant varier de 1% à 50%, de
préférence de 3%
à 35% et plus préférentiellement de 5% à 15%. En variante, le procédé met en
uvre le
matériau carbonaté et le liant dans un rapport pondéral matériau carbonaté /
liant pouvant
varier de 1% à 35%, de préférence de 3% à 25% et plus préférentiellement de 5%
à 20%.
Selon un mode de réalisation, le système d'activation A peut en outre
comprendre au moins
un co-activateur, différent du carbonate de métal alcalin.
e) Co-activateur
Le co-activateur peut être choisi parmi le groupe comprenant la chaux, les
sels de chlorure
et/ou de fluorure et/ou de sulfate solubles, leurs hydrates, leurs formes
anhydres et leurs
mélanges. De préférence, le co-activateur peut être choisi parmi le groupe
comprenant au
moins la chaux, le NaCl, CaCl2, NaF, Na2SiF6, KC1, Na2SO4, K2SO4, CaSO4, leurs
hydrates,
leurs formes anhydres et leurs mélanges.
En particulier, le procédé peut mettre en uvre le co-activateur et le laitier
S dans un rapport
pondéral co-activateur / laitier S variant de 0,001% à 30%, de préférence de
0,01% à 16%,
et plus préférentiellement de 0,05% à 10%.
En variante, le procédé peut mettre en uvre le co-activateur et le liant dans
un rapport
pondéral co-activateur / liant variant de 0,001% à 20%, de préférence de 0,01%
à 14%, et
plus préférentiellement de 0,05% à 9%.
En étape b) du procédé de l'invention, le système d'activation A tel que
défini ci-dessus,
peut être mis en oeuvre en tant que tel ou sous la forme d'un pré-mélange P'
avec un laitier
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S. La mise en oeuvre d'un pré-mélange P', que l'on peut également qualifier de
liant, est
particulièrement avantageuse dans le cas de la préparation de béton
directement sur chantier,
car elle permet un meilleur contrôle des proportions de mélange. Par ailleurs,
le procédé sur
chantier est dans ce cas facilité et accéléré.
Laitier S
Le laitier S peut être mis en oeuvre sous la forme du pré-mélange P' tel que
décrit
précédemment, ou sous forme individualisée à l'état de poudre.
Classiquement, le laitier est mis en oeuvre sous la forme d'un co-produit(s)
d'industries
différentes, ou sous sa forme naturelle, ou synthétique. En général, le
laitier est une poudre
ou un coulis.
De préférence, le laitier S comprend au moins un laitier moulu de haut
fourneau (en anglais
Ground granulated blast-furnace slag , GGBS). En particulier, le laitier S
peut être un
GGBS.
Un GGBS est un matériau granulaire généralement obtenu par refroidissement
rapide avec
de l'eau du laitier fondu provenant de la fusion du minerai de fer dans un
haut fourneau,
suivi d'un broyage pour améliorer la réactivité du GGBS. Le GGBS est un verre
amorphe
d'alumino-silicate, essentiellement composé de SiO2, CaO, MgO, et A1203.
Le GGBS est de préférence fabriqué selon la norme européenne NF EN 15167-1.
La composition chimique du laitier S peut être la suivante, en pourcentage
massique sec par
rapport au laitier S :
[Tableau 1]
CaO ' Si02 A1203 Fe203
1102 Mg0 S03 Na2O K20
[30.0- [30.0- [5.0- [0.1-1.5] [0.1-3.0] [1.0- [0.5- [0.01-
[0_01-
50.0] 50.0] 18.0] 15.0] 3.0]
2.0] 1.01
Selon un mode préféré de l'invention, le laitier S est une poudre dont la
taille médiane D50
peut être choisie dans les catégories suivantes :
al) D50 est compris dans l'intervalle 17,0 ¨ 20,0 Inn 17,0 ¨ 60 urn] ou [7,0 ¨
100,0 !am]
(par exemple un GGBS standard) ;
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a2) D50 est compris dans l'intervalle [3,0 ¨ 7,01..tm] (par exemple un GGBS
fin) ;
a3) D50 est compris dans l'intervalle [0,5 ¨ 3,0 !lm], de préférence [1,0¨ 2,0
prn] ou [0,5 ¨
2,0 pu] (par exemple un GGBS ultra-fin) ; et
a4) leurs mélanges.
On appelle taille médiane d'un ensemble de particules, notée D50, la taille
divisant les
particules de cet ensemble en première et deuxième populations égales en
masse, ces
première et deuxième populations ne comportant que des particules présentant
une taille
supérieure, ou inférieure respectivement, à la taille médiane.
Dans un autre mode de réalisation, la poudre de laitier S comprend (en
pourcentage massique
sec par rapport au laitier S) :
al) 100% de poudre de laitier de classe al), ou
a2) entre 99% et 50%, de préférence entre 99% et 60%, de poudre de laitier de
classe al), et
entre 1% et 50%, de préférence entre 1% et 40% de poudre de laitier de classe
a2), ou
a3) entre 1% et 40%, de préférence entre 1 et 30% de poudre de laitier de
classe a3).
Le laitier S peut aussi avoir une finesse Blaine (Bf) (norme ASTM C 204),
exprimée en
cm2/g, telle que, par ordre de préférence croissante :
- 500 < Bf < 20000 ;
- 1000 < Bf < 10000;
-2000 < Bf < 8000;
- 3000 < Bf < 7000 ;
-3500 < Bf < 6000.
Selon une variante de l'invention, le laitier S comprend 70% à 99,1% en masse,
de préférence
80% à 99,1% en masse, par rapport à la masse du laitier S, de particules
telles que 2500 <
Bf < 8000, de préférence 3500 < Bf < 7000, et 30% à 0,1% en masse, de
préférence 20% à
0,1% en masse, par rapport à la masse du laitier S, de particules telles que
8000 < Bf < 16000,
de préférence 10000 < Bf < 14000.
En remarque, le GGBS est un liant hydraulique et le laitier seul peut alors
réagir avec l'eau.
De préférence, le procédé met en oeuvre le laitier S dans un rapport pondéral
laitier S / liant
pouvant varier de 30% à 95%, de préférence de 50% à 92% et plus
préférentiellement
de 60% à 90%.
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Selon un mode de réalisation particulièrement préféré, le système d'activation
A est sous la
forme d'un pré-mélange P' avec un laitier S, le pré-mélange P' comprenant au
moins :
- un GGBS,
- un co-liant, de préférence choisi parmi les liants hydrauliques,
- un chélatant choisi parmi le HEDP, le EDTMP et leur mélange,
- du calcaire,
- du carbonate de sodium, notamment avec un rapport carbonate de sodium /
GGBS de 6 à
10%.
Dans le cas où le système d'activation A est sous la forme d'un pré-mélange
P', celui-ci peut
en outre comprendre au moins un filler, par exemple des cendres volantes, de
la fumée de
silice, des pouzzolanes, du schiste calciné ou leurs mélanges.
Le(s) co-liant(s), le(s) chélatant(s), le(s) matériau(x) carbonaté(s)
distincts du carbonate de
métal alcalin, le(s) carbonate(s) de métal alcalin, le(s) co-activateur(s),
le(s) laitier(s) et le(s)
filler(s) peuvent comporter d'autres caractéristiques telles que décrites dans
les demandes
WO 2019/110134 et WO 2019/110280.
Le procédé selon l'invention considère en son étape c) l'incorporation sous
malaxage dans
ledit pré-mélange P, dudit système d'activation A et d'un laitier S, lesdits
système
d'activation A et laitier S étant introduits de manière successive et/ou
simultanée.
Selon un premier mode de réalisation, le système d'activation A et le laitier
S sont introduits
de matière successive dans le pré-mélange P. Par exemple, le système
d'activation A peut
être incorporé avant ou après le laitier S dans le pré-mélange P. De
préférence, le système
d'activation A est incorporé avant le laitier S dans le pré-mélange P. Ce
premier mode de
réalisation est particulièrement avantageux dans le cas où du laitier en vrac
est déjà
disponible dans un des silos de la centrale à béton et/ou si les granulats
présentent un taux
d'humidité particulièrement élevé (typiquement supérieur à 6%).
Selon un autre mode de réalisation, le système d'activation A de l'étape b)
est sous la forme
d'un pré-mélange P' avec ledit laitier S, et lesdits système d'activation A et
laitier S sont
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incorporés simultanément dans le pré-mélange P. Ce procédé peut notamment être
avantageux dans le cas d'une fabrication de béton préfabriqué ou dans le cas
d'une centrale
à béton foraine, qui sont moins exigeants en termes dc durée de transport du
béton.
Avantageusement, le procédé selon l'invention est dénué de toute étape de
mélange sec du
système d'activation A avec lesdits granulats.
Le laitier S est incorporé dans le pré-mélange P de façon à ce que le rapport
eau/liant soit
adapté à la fabrication du béton, notamment à la réaction du laitier S avec
l'eau, à la montée
en résistance du béton et à la fluidité du béton frais requise.
En particulier, le procédé met en oeuvre l'eau, le système d'activation A et
le laitier S dans
un rapport eau / (système d'activation A + laitier S) variant de 0,1 à 1, de
préférence de 0,2
à 0,55, et plus préférentiellement de 0,3 à 0,5. Les dispositifs de pesage et
le système de
maîtrise de la teneur en eau des granulats doivent permettre de régler la
teneur en eau du
béton avec une précision de 10 litres/m3.
Par ailleurs, le malaxage est de préférence réalisé dans un malaxeur. De
préférence, le
malaxage en étape(s) c) et/ou d) peut être réalisé avec un malaxeur à action
forcée.
Etape d)
L'étape d) consiste à prolonger ledit malaxage jusqu'à obtention d'un béton
frais, notamment
dans un malaxeur à action forcée.
Avantageusement, le béton frais manifeste un affaissement au cône d'Abrams
(norme NF
EN 12350-2) supérieur ou égal à 160 mm, de préférence variant de 160 mm à 210
mm.
En particulier, le béton frais obtenu en étape d) est caractérisé par un
affaissement supérieur
ou égal à 160 mm.
Le béton obtenu par le procédé relève avantageusement de la classe de
consistance S4 ou
S5, de préférence S4, selon la norme NF EN 206/CN.
Un tel béton frais possède une fluidité permettant de fabriquer notamment des
pieux, des
parois moulées, des semelles, des longrines, des dalles, des planchers, des
poteaux, des
poutres et/ou des voiles.
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De préférence, le béton frais conserve un affaissement supérieur ou égal à 160
mm sur une
durée suffisamment longue pour pouvoir le mettre en place.
En particulier, le béton frais manifeste un affaissement supérieur ou égal à
160 mm pendant
une durée d'au moins 60 min, voire d'au moins 90 min, de préférence d'au moins
120 min.
Le procédé peut comprendre en outre une étape de mise en place dl) entre
l'étape de
malaxage d) et l'étape de durcissement e).
En particulier, le béton frais peut être placé dans un élément de coffrage,
notamment dans
une banche, puis de préférence compacté à l'aide d'une vibration interne ou
externe. Par
exemple, le béton frais peut être placé dans un élément de coffrage comprenant
au moins
une armature, en particulier une cage d'armatures.
Etape e)
L'étape e) consiste à laisser ledit béton frais durcir.
En général, le laitier S, le système d'activation A et l'eau présents dans le
béton frais
réagissent, permettant la prise du béton. La résistance du béton augmente
ensuite au cours
du temps.
L'étape e) peut avoir lieu à des température et humidité ambiantes, par
exemple en extérieur
sur un chantier ou bien dans une usine de préfabrication.
La température peut être contrôlée en étape e). Par exemple, le béton peut
être soumis à une
température variant de 15 à 80 C, de préférence de 20 à 65 C, et plus
préférentiellement de
à 50 C, notamment pendant 1 à 48h, voire pendant 5 à 36h.
Il est aussi possible que l'étape e) comprenne des cycles croissant et
décroissant en
25 températures, à une humidité relative supérieure ou égale à 40%,
de préférence à 80%, et
plus préférentiellement égale à 100%, sous une pression variant de 8 à 12 atm,
ou une
pression de 1 atm.
Le procédé peut comprendre en outre une étape de séchage f) à la suite de
l'étape e).
Comme énoncé précédemment, le procédé selon l'invention peut en outre
comprendre la
mise en uvre d'au moins un adjuvant en étape c) et/ou en étape d), notamment
choisi parmi
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les plastifiants, les superplastifiants et leurs mélanges, et en particulier
parmi les
superplastifiants.
A d j uvant(s)
Le ou les adjuvant(s) peuvent être incorporés dans le pré-mélange P sous la
forme d'un pré-
mélange avec le système d'activation A. Le cas échéant, ils peuvent également
être
incorporés sous la forme d'un pré-mélange avec le pré-mélange P'. En variante,
le ou les
adjuvant(s) peuvent être incorporés dans le pré-mélange P après le système
d'activation A,
voire après le système d'activation A et après le laitier S.
Le ou les adjuvant(s) peuvent être incorporés sous une forme solide, notamment
d'une
poudre, ou liquide.
Le procédé peut mettre en uvre à titre d'adjuvant au moins un
superplastifiant ou plastifiant
choisi parmi les NBSP (superplastifiants à base de naphtalène), les PNS
(polynaphtalènes
sulfonates), les MBSP (superplastifiants à base de mélamine), les PMS
(polymélamines
sulfonates), les HCA (acides hydroxycarboxylique), les (P)AA (poly(acide
acrylique)), les
LS (lignosulfonates), en particulier les lignosulfonates d'ammonium, de
calcium ou de
sodium, les PCE (éthers polycarboxyliques), les PCA (acides polycarboxylique),
les
phosphonates, leurs sels etiou leurs dérivés et leurs mélanges.
En particulier, le procédé peut mettre en oeuvre à titre d'adjuvant au moins
un superplastifiant
ou plastifiant choisi parmi les NBSP (superplastifiants à base de naphtalène),
les PNS
(polynaphtalènes sulfonates), les LS (lignosulfonates) et leurs mélanges, de
préférence
choisi parmi les PNS, les LS et leurs mélanges.
En variante, le superplastifiant peut être choisi parmi les MBSP, les PMS, les
NBSP, les
PNS, les PCE et leurs mélanges.
Par ailleurs, le procédé peut mettre en oeuvre le(s) superplastifiant(s) ou
plastifiant(s) dans
un rapport pondéral du superplastifiant(s) ou plastifiant(s) par rapport au
laitier S variant de
0,05% à 2%, de préférence de 0,1% à 1%, et plus préférentiellement de 0,2% à
0,5%.
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En variante, le procédé peut mettre en uvre le(s) superplastifiant(s) ou
plastifiant(s) dans
un rapport pondéral du superplastifiant(s) ou plastifiant(s) par rapport au
liant variant
dc 0,05% à 2%, de préférence de 0,1% à 1%, plus préférentiellement de 0,2% à
0,5%.
Le procédé peut également mettre en uvre à titre d'adjuvant au moins un
composé choisi
parmi les rétenteurs d'eau, les épaississants, les antimousses, les biocides,
les pigments, les
retardateurs de flamme, les entraineurs d'air, les retardateurs, les
accélérateurs, les fibres, les
poudres de dispersion, les agents de mouillage, les résines polymère, les
agents complexants
différents du chélatant, les dispersions de polymère, les agents réducteurs de
retrait, et leurs
mélanges.
Le(s) adjuvant(s), notamment de type superplastifiant, peuvent comporter
d'autres
caractéristiques ou d'autres composés tels que décrits dans les demandes WO
2019/110134
et WO 2019/110280.
Béton de laitier activé
L'invention concerne également un béton de laitier activé obtenu par le
procédé tel que décrit
précédemment.
En particulier, ce béton est doté d'une résistance à la compression à 1 jour
d'au moins 1
MPa, notamment 5 MPa, voire 15 MPa selon norme NF EN 12390-3 en fonction de la
température de cure variant notamment de 15 C à 80 C.
Le béton de laitier activé peut avantageusement être décoffré 1 jour après
l'étape c).
En particulier, le béton de laitier activé relève au minimum de la classe de
résistance C30/37,
de préférence relève de la classe de résistance C30/37, selon la norme NF EN
206/CN. Un
tel béton est caractérisé par une résistance caractéristique à la compression
à 28 jours sur
éprouvette cylindrique d'au moins 30 MPa, et sur éprouvette cubique d'au moins
37 MPa.
Le béton de laitier activé possède notamment une résistance à la compression à
28 jours
suffisante pour former des pieux, des parois moulées, des semelles, des
longrines, des dalles,
des planchers, des poteaux, des poutres et/ou des voiles.
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En particulier, le béton de laitier activé relève de la classe de consistance
S4 ou S5, de
préférence de la classe de consistance S4, selon la norme NF EN 206/CN,
pendant une durée
d'au moins 60 min, en particulier d'au moins 90 min, et plus particulièrement
d'au moins
120 min.
Cette caractéristique apporte au béton frais de laitier activé une ouvrabilité
satisfaisante.
Béton frais de laitier activé
L'invention concerne également un béton frais de laitier activé obtenu à
l'issue de l'étape d)
du procédé décrit précédemment.
Un tel béton frais possède une fluidité lui permettant d'être coulé avant
qu'il ne perde en
fluidité.
Elément structurant et élément préfabriqué
L'invention concerne également un béton armé de laitier activé, comprenant des
armatures
d'acier et un béton de laitier activé tel que décrit précédemment.
Notamment, les armatures d'acier peuvent être de formes diverses, et notamment
sous la
forme de fils, de ronds, de barres, ou de treillis soudés.
Par ailleurs, l'invention se rapporte à un élément structurant comprenant un
béton de laitier
activé tel que décrit précédemment, l'élément structurant étant de préférence
un pieu, une
paroi moulée, une semelle, une longrine, une dalle, un plancher, un poteau,
une poutre ou un
voile.
En particulier, l'élément structurant peut être fabriqué directement sur un
chantier ou dans
une usine de préfabrication. Par exemple, l'élément structurant peut comporter
un béton
armé de laitier activé tel que décrit précédemment.
Selon un mode de réalisation préféré, l'élément structurant est fabriqué
directement sur un
chantier.
L'invention concerne également un élément préfabriqué comprenant un béton de
laitier
activé tel que décrit précédemment.
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En particulier, l'élément préfabriqué peut être fabriqué selon le procédé
décrit
précédemment, notamment dans une usine de préfabrication ou sur un chantier.
L'élément
préfabriqué peut par exemple être obtenu par préfabrication foraine. Par
exemple, l'élément
préfabriqué peut comporter un béton armé de laitier activé tel que décrit
précédemment.
Brève description des dessins
[Fig 1] représente les résultats d'affaissement au cône d'Abrams d'un béton de
laitier activé
obtenu par le procédé de l'invention selon l'exemple 1 (symboles u) ou 2
(symboles A) ou
obtenu par une méthode hors invention selon l'exemple 3 (symboles s).
[Fig 2] représente les résultats d'étalement au mini-cône d' Abrams (exprimé
en pourcentage)
d'un mortier de laitier activé obtenu par le procédé de l'invention selon le
mode
d'introduction de l'exemple 2 avec une eau et des granulats à 20 C (symboles
0), une eau à
60 C et des granulats à 5 C (symboles o) et une eau et des granulats à 5 C
(symboles A).
[Fig 3] représente le retrait moyen mesuré sur 3 éprouvettes d'un même béton
de laitier
activé obtenu par le procédé selon l'invention.
[Fig 4] représente la résistance à la compression d'un béton de laitier activé
obtenu par un
procédé selon l'invention avec un rapport eau/liant de 0,34 (symboles A), 0,36
(symboles 0)
et 0,38 (symboles o).
Exemples
Matériel et méthodes
Les matières premières suivantes ont été utilisées :
- Granulats silico-calcaires semi-concassés de masse volumique 2530 kg/m3 et
d'absorption
d'eau 1,3% ;
- Laitier provenant de l'usine Ecocem à Fos-sur-Mer, produit selon la norme
européenne
(NF EN 15167-1). La granulométrie est caractérisée par D10=1,38 na ;
D50=12,16 m et
D90=34,87 m. Les valeurs de granulométrie sont déterminées avec un
granulomètre à
diffraction laser de l'entreprise Malvern nommé MASTERSIZER 3000 , selon la
méthode en dispersion liquide. La finesse Blaine est de 4500 cm2/g ;
- Co-liant : il s'agit d'un clinker dont la finesse Blaine est de 3100
cm2/g et les composants
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chimiques principaux sont les suivants : CaO (67% en masse), Si02 (21% en
masse), Fe2O3
(5% en masse), S03 (3% en masse) ;
- Carbonate dc sodium anhydre (Na2CO3), 99% de pureté, commercialisé par
Solvay ;
- Carbonate de calcium, de diamètre médian D50=1 l_tm et de surface
spécifique BET de
80 000 cm2/g
- Chélatant HEDP.4Na ;
- Superplastifiant de type PNS (extrait sec 32%).
Les mesures d'affaissement au cône d'Abrams sont réalisées sur béton (figure
1) selon la
norme NF EN 12350-2 à une température de 20 C, les mesures d'étalement au mini-
cône
d'Abrams sont réalisées sur mortier (figure 2) selon les dispositions de la
norme NF EN
12350-8 en utilisant le mini-cône MBE (cône d'Abrams à échelle 1/2) à la place
du cône
d'Abrams.
Le retrait est mesuré sur des éprouvettes de dimension 7x7x28 cm3 conservées à
20 C et
50% d'humidité relative selon la norme NF P 15-433.
La résistance à la compression est mesurée pour les bétons sur des éprouvettes
de diamètre
110 mm et de hauteur 200 mm selon la nonne NF EN 12390-3. Pour les mortiers,
la
résistance en compression est mesurée sur des prismes 4cm x 4cm x 16cm selon
la norme
NF EN 196-1.
Exemple 1
Préparation d'un béton selon l'invention (méthode 1)
Un système d'activation est préparé par malaxage à sec de carbonate de sodium,
de carbonate
de calcium, de chélatant et de co-liant dans les proportions indiquées dans le
tableau 2 en
pourcentage massique.
Le béton est préparé par incorporation sous malaxage des constituants suivants
au malaxeur,
dans les proportions détaillées dans le tableau 2, selon la séquence suivante
:
- Granulats ;
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- Eau à une température permettant d'obtenir une température d'équilibre
avec les
granulats comprise entre 15 C et 25 C ;
- Malaxage pendant 30 secondes ;
- Système d'activation ;
- Malaxage pendant 30 secondes ;
- Laitier ;
- Malaxage pendant 30 secondes ;
- Superplastifiant ;
- Malaxage final pendant 3 minutes.
[Tableau 21
Composition A Composition B (hors
Composition C
(selon 1- invention.) invention) (selon
l'invention)
Laitier (1.;.-gliu.3) 100 400
400
(carbonate de sodium (carbonate de sodium
(carbonate de sodium
51% -h carbonate de SI 5% +
carbonate
Système 61_8% + carbonate
calcium 25,5% 4- de calcium
25,8% +
d'activation de calcium 37,5% +
chélatant 3,1% + co- co-liant
20,6% +
(kg/m3) chélatant 0,7%) :
liant 20,4%) chélatant 2,1%)
53,4 kg/m3
78,4 kg/m3 77,6 kg/m3
Granulats
1642 1642
1642
Eau efficace
177 172
172
(cg/m3)
Stip erpla st:h-tant
d'extrait sec 5 5,7 5
32% (kginin
Exemple 2
Préparation d'un béton selon l'invention (méthode 2)
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Le système d'activation est préparé comme en exemple 1.
Un pré-mélange du système d'activation et du laitier est préparé par malaxage
à sec.
Le béton est préparé par incorporation sous malaxage des constituants suivants
au malaxeur,
dans les proportions détaillées dans le tableau 2, selon la séquence suivante
:
- Granulats ;
- Eau à une température permettant d'obtenir une température d'équilibre
avec les
granulats comprise entre 15 C et 25 C ;
- Malaxage pendant 30 secondes ;
- Pré-mélange du système d'activation et du laitier ;
- Malaxage pendant 30 secondes ;
- Superplastifiant ;
- Malaxage final pendant 3 minutes.
Exemple 3
Préparation d'un béton hors l'invention (méthode 3)
Le système d'activation est préparé comme en exemple 1.
Un pré-mélange du système d'activation et du laitier est préparé comme en
exemple 2.
Le béton est préparé par incorporation sous malaxage des constituants (qui
sont à
température ambiante du laboratoire soit 20 C) suivants au malaxeur, dans les
proportions
détaillées dans le tableau 2, selon la séquence suivante :
- Granulats ;
- Pré-mélange du système d'activation et du laitier ;
- Malaxage à sec pendant 30 secondes ;
- Eau;
- Malaxage pendant 30 secondes ;
- Superplastifiant ;
- Malaxage final pendant 3 minutes.
Exemple 4
Essai d'affaissement au cône d'Abrams
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Des essais d'affaissement au cône d'Abrams sont réalisés pour les méthodes 1,
2 et 3,
détaillées respectivement en exemples 1, 2 et 3, avec la composition A du
tableau 2.
Les résultats, représentés en figure 1, montrent que les méthodes 1 et 2 selon
l'invention
permettent de maintenir une consistance de béton fluide, caractérisée par un
affaissement
supérieur à 160 mm, pendant plus de 2 heures. Au contraire, dans le cas de la
méthode 3 hors
invention, le béton a perdu sa consistance de béton fluide après 45 minutes.
Des essais d'étalement au mini-cône d'Abrams sont également réalisés selon la
méthode 2,
détaillée en exemple 2, avec les proportions de mortier de béton équivalent
correspondant à
la composition A (voir tableau 3 ci-dessous) pour un pré-mélange de granulats
et d'eau à
différentes températures.
[Tableau 3]
Constituant Laitier S yst me .
d activation Granulats Eau
Superplastifiant
(carbonate de sodium efficace
51% + carbonate de
calcium 25,5%
chélatant 3,1% + co-liant
20,-Vo)
Dosage() 1184 232 2597 338 15
Les trois essais suivants sont réalisés :
i) L'eau et les granulats sont conditionnés à 20 C avant leur mélange, et le
pré-mélange P
obtenu a une température de 20 C;
ii) Les granulats sont conditionnés à 5 C, et sont mélangés à une eau à 60 C,
formant un
pré-mélange P ayant une température de 27 C
iii) L'eau et les granulats sont conditionnés à 5 C avant leur mélange, et le
pré-mélange P
obtenu a une température de 5 C.
La figure 2 représente les résultats de l'étalement au mini-cône obtenus. Dans
les deux cas
où le pré-mélange d'eau et de granulats obtenu a une température supérieure à
15 C (cas i)
et ii) ci-dessus), la consistance du mortier est maintenue fluide pendant au
moins 1 heure.
Au contraire, l'utilisation de matériaux ne respectant pas les recommandations
de
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températures, comme dans le cas du pré-mélange d'eau et de granulats à 5 C
(cas iii) ci-
dessus), provoque un raidissement rapide du mortier et ne permet pas d'obtenir
le maintien
d'une consistance fluide.
Exemple 5
Résultats du retrait
Les mesures du retrait sont réalisées pour 3 éprouvettes obtenues avec la
composition A.
La courbe de la figure 3 correspond à la moyenne des déformations mesurées sur
chacun des
trois prismes d'un même béton. Elle montre que le retrait d'un béton selon
l'invention est
comparable au retrait d'un béton de ciment traditionnel.
Exemple 6
Robustesse de composition de béton conforme et non conforme à l'invention
Des mesures de résistance sont réalisées pour des bétons préparés avec les
compositions B
(hors invention) et C (selon l'invention).
De plus, des bétons dont la composition comprend :
- un excès en eau de 10 L (composition B ou C avec 182 kg/m3 d'eau pour 400
kg/m3 de
laitier), ou
- un défaut en eau de 10 L (composition B ou C avec 162 kg/m3 d'eau pour
400 kg/m3 de
laitier)
sont réalisés pour évaluer la robustesse de la composition.
Les résultats pour la composition C selon l'invention sont reportés en figure
4. L'impact de
la quantité d'eau dans le mélange ne modifie presque pas la résistance
mécanique des
éprouvettes obtenues. De plus, une résistance en compression supérieure à 40
MPa est
mesurée à 28 jours.
Au contraire, les résultats pour la composition B hors invention, reportés
dans le tableau 4,
montrent que le béton voit son durcissement extrêmement ralenti dans le cas
d'un excès en
eau. Re représente la résistance à la compression mesurée à différents âges du
béton.
CA 03183456 2022- 12- 20
WO 2022/018037 26
PCT/EP2021/070171
[Tableau 4]
Gâchée Re48h (MPa.) Rc7212 MPu%) Rc7j (11,1PI,)
Re28j (f\1Pa.)
Composition B 0,8 1,0 28,8
48,2
(20 'C')
Composition B 0 0 0
n.m.
+ 10L (20')C)
CA 03183456 2022- 12- 20
