<Desc/Clms Page number 1>
Additif pour le béton comprenant plusieurs constituants contenant de la microsilice, procédé pour le préparer et béton en contenant.
Demande de brevet norvégien n 824100 du 7 décembre 1982 en sa faveur.
La présente invention concerne un additif pour le béton qui comprend un mélange de plusieurs constituants qui contient de la microsilice et au moins un agent réducteur d'eau ou au moins un agent réducteur d'eau à haute performance. Avantageusement, le mélange
<Desc/Clms Page number 2>
peut contenir un ou plusieurs agents réducteurs d'eau en combinaison avec un ou plusieurs agents réducteurs d'eau à haute performance conjointement avec la microsilice. Des accélérateurs et retardateurs de prise, isolément ou en combinaison, peuvent être utilisés aussi comme constituants facultatifs dans le mélange.
Par exemple, l'invention vise à éviter l'inconvénient tenant à la dégradation du système de bulles d'air du béton à air entraîné qui résulte de l'utilisation de réducteurs d'eau tout en conservant sensiblement les autres avantages connus tels que l'ouvrabilité, la résistance et la façonnabilité du béton qui contient de agents réducteurs d'eau. Conformément à la présente invention, la microsilice et au moins un agent réducteur d'eau, avec ou sans constituant facultatif supplémentaire, sont prémélangés et le mélange résultant est ajouté et incorporé à tout moment désiré dans le béton malaxé.
Le prémélange est d'une grande importance en comparaison de la pratique traditionnelle consistant a ajouter chaque constituant séparément au béton malaxé du fait que l'action de l'agent réducteur d'eau pendant le prémélange tend à enrober de manière uniforme et disperser de manière homogène les particules de microsilice, ce qui se traduit par la subdivision des grumeaux. Les grumeaux qui tendent à se former lorsque les constituants sont ajoutés séparément, suivant la pratique traditionnelle, peuvent constituer une menace grave pour la résistance uniforme et la durabilité que doit avoir le béton coulé. Lorsque des grumeaux se sont formés dans le béton malaxé, une longue poursuite du malaxage est nécessaire pour disperser les grumeaux et un malaxage exagéré peut être nuisible pour l'ouvrabilité et la façonnabilité du béton.
Le mécanisme de prémélange n'a pas été parfai-
<Desc/Clms Page number 3>
tement élucidé, mais la Demanderesse est portée à croire qu'il exerce un effet synergique sur la plasticité et l'ouvrabilité du béton malaxé et confère une résistance qui l'emporte sur celle du béton malaxé ordinaire auquel les constituants sont ajoutés séparément suivant la pratique traditionnelle.
Les agents réducteurs d'eau et les accélérateurs et retardateurs facultatifs utilisés suivant l'invention sont des agents classiques bien connus d'usage courant dans le béton à haute résistance qui peut avoir une résistance à la compression s'élevant jusqu'à environ 41-82 MPa.
L'un des plus grands progrès dans la technologie du béton au cours des quelques dernières dizaines d'années a été la mise au point de l'entraînement d'air pour protéger le béton contre les dégradations provoquées par le gel et le dégel en présence d'agents de déverglaçage chimiques. L'utilisation de l'air entraîné est généralement recommandée pour le béton dans presque toutes ses applications. Des expériences ont prouvé que le béton contenant de l'air à raison d'environ 5 à 7,5% en volume à 1% près par excès ou par défaut résiste jusqu'à environ 1900 cycles de gel et de dégel au lieu d'un maximum d'environ 150 cycles pour le béton exempt d'air entraîné par ailleurs identique sous tous rapports. On peut se référer à ce propos, par exemple à "Air-Entrained Concrete", Portland Cement Association, Document ISO 45.02T, 1967.
Le béton à air entraîné offre de nombreux autres avantages, notamment une meilleure ouvrabilité, une plus grande résistance aux agents de déverglaçage tel que le chlorure de calcium, une meilleure résistance au sulfate et une meilleure étanchéité à l'eau.
Un procédé d'application fréquent pour pro-
<Desc/Clms Page number 4>
duire du béton à air entraîné comprend une addition d'un agent d'entraînement d'air pendant le malaxage du béton. L'expérience a révélé que le malaxage est le facteur le plus important dans la production du béton à air entraîné et, sous ce rapport, la répartition uniforme des bulles d'air entraînées est essentielle pour la résistance du béton à l'écaillage, l'absence d'uniformité constituant toujours un risque que l'air entraîné soit mal dispersé pendant le malaxage. Des facteurs tels que la masse du béton malaxé, l'état du malaxeur et la vitesse de malaxage sont aussi importants.
Un malaxage exagéré peut conduire à une perte d'une partie de l'air entraîné, mais les techniques et modes opératoires préférés pour le malaxage du béton à air entraîné sont actuellement assez bien connus et des considérations plus détaillées ne paraissent pas nécessaires pour le spécialiste.
Un certain nombre d'agents d'entraînement d'air produits à partir de différentes matières premières sont actuellement disponibles dans le commerce, par exemple les résines thermoplastiques contenant des radicaux phénol, aldéhyde et éther, de même que leurs sels et savons.
Les résines Vinsol sont sans aucun doute les agents d'entraînement d'air les plus largement utilisés aux Etats-Unis d'Amérique. La résine Vinsol est une résine thermoplastique provenant du bois de pin et contenant des radicaux phénol, aldéhyde et éther. Le savon sodique de résine Vinsol est un agent d'entraînement d'air particulièrement efficace et une quantité d'à peine environ 0,15% du poids du ciment suffit pour entraîner l'air dans du béton malaxé de la manière habituelle. Le DAREX AEA, qui est un dérivé hydrocarboné acide sulfoné de graisses commercialisé par la Société Dewey and Almy Chemical Co., est un autre agent
<Desc/Clms Page number 5>
d'entraînement d'air d'usage courant.
Le béton à air entraîné obtenu à l'aide des agents d'entraînement d'air d'usage courant contient un grand nombre de bulles d'air de très petites dimensions ; le diamètre moyen des bulles est habituellement de 0,076 à 0,152 mm et le nombre des bulles peut s'échelonner de 390 à 650 milliards par m3 pour du béton à air entraîné contenant 4 à 6% en volume d'air et un agrégat d'un calibre maximum de 38 mm. Les bulles ne communiquent pas les unes avec les autres et sont bien réparties dans la phase ciment/eau. La distance entre les bulles d'air est un facteur important pour la résistance au gel et au dégel que doit avoir le béton qui a durci et une distance inférieure à 0,203 mm, mesurée suivant la norme ASTM C457, est considérée comme essentielle pour conférer la résistance requise au gel et au dégel.
L'un des progrès les plus importants en technique du béton depuis la mise au point du béton à air entraîné vers 1935 est l'utilisation des agents dits réducteurs d'eau.
Les agents réducteurs d'eau sont des composés chimiques qui, ajoutés au béton, fluidifient le béton pendant une certaine durée, de sorte que (1) l'ouvrabilité normale peut être atteinte dans du béton présentant un rapport eau : ciment beaucoup inférieur à celui qui serait normalement utilisé, ou (2) du béton fluide extrêmement ouvrable (c'est-à-dire sensiblement autouniformant sans effets secondaires gênants tels que la ségrégation, le manque de durabilité, la médiocrité de la résistance à l'abrasion ou l'exsudation) peut être produit, ou (3) une combinaison de (1) et (2) se trouve réalisée.
Les agents réducteurs d'eau sont des additifs bien connus pour le béton. Les agents commercialisés
<Desc/Clms Page number 6>
généralement disponibles se répartissent en six classes différentes :
1. Les acides carboxyliques hydroxylés et leurs sels.
2. Les formes modifiées et dérivés des acides carboxyliques hydroxylés et de leurs sels.
3. Des matières inorganiques tels que les sels de zinc, les borates, les phosphates et les chlorures.
4. Les hydrates de carbone, les polysaccharides et les acides des sucres.
5. Les amines et leurs dérivés et des composés polymères tels que les éthers cellulosiques et les silicones.
6. Certains acides lignosulfoniques modifiés.
Par agent réducteur d'eau, il convient d'entendre aux fins de l'invention un ou plusieurs des constituants des six classes ci-dessus d'agents habituels, tant isolément qu'en combinaison.
Les agents réducteurs d'eau à haute performance d'usage actuel fréquent sont :
1. Les acides lignosulfoniques et leurs sels, de même que leurs formes modifiées et dérivés.
2. Les dérivés de la mélamine.
3. Les dérivés du naphtalène.
Par agent réducteur d'eau à haute performance, il convient d'entendre aux fins de l'invention un ou plusieurs constituants des trois classes ci-dessus, tant isolément qu'en combinaison.
Il existe au moins douze agents réducteurs d'eau à haute performance d'usage fréquent, dont huit appartiennent aux catégories (2) et (3) ci-dessus.
L'agent préféré de la catégorie (2) est un produit de condensation sulfoné de mélamine et de formaldéhyde de type classique vendu sous le nom de Melment et l'agent préféré de la catégorie (3) est un produit de condensa-
<Desc/Clms Page number 7>
tion sulfoné du naphtalène et du formaldéhyde.
Des agents réducteurs d'eau à haute performance ont un effet plastifiant beaucoup plus important dans les bétons classiques. Les meilleurs résultats en matière d'ouvrabilité, de façonnabilité et de résistance sont obtenus lorsque les agents réducteurs d'eau à haute performance sont utilisés conformément à la présente invention.
Le béton contenant des agents réducteurs d'eau à haute performance est abondamment utilisé pour des travaux bétonnés coulés en place pour lesquels d'excellentes propriétés d'écoulement sont nécessaires, comme aux endroits à haute densité d'armature, pour le pompage et dans des formes compliquées. Parmi les avantages de l'utilisation des agents réducteurs d'eau à haute performance dans le béton précoulé et les mélanges prêts à l'usage, il convient de citer (a) l'augmentation de la résistance à tous les âges, (b) l'augmentation de la résistance à l'attaque par les sulfates, (c) l'augmentation de l'adhérence aux armatures en acier, (d) l'amélioration de l'ouvrabilité et de la façonnabilité, et (e) la réduction de la perméabilité à l'égard de la pénétration de l'eau.
Lorsqu'un agent réducteur d'eau à haute performance est ajouté à un mélange pour béton, les effets plastifiants persistent pendant environ 30 à 60 minutes, suivant les conditions de travail. Par conséquent, l'agent doit être ajouté sur le chantier lorsqu'il est utilisé dans du béton prêt à l'emploi.
Des bétons contenant un ou plusieurs agents réducteurs d'eau à haute performance sont décrits dans "Super Plasticized Concrete", ACI Journal, Mai 1977, pages N6-Nll inclusivement, et dans les références qui y sont reprises.
Bien que le béton qui peut être appelé béton à
<Desc/Clms Page number 8>
air entraîné ou plastifié par un agent réducteur d'eau se soit révélé éminemment propre à de nombreuses applications n'exigeant que les propriétés attribuables à l'entraînement de l'air ou à la plastification, des difficultés sont éprouvées lorsque l'entrepreneur tente d'utiliser à la fois un mélange entraîneur d'air et un agent réducteur d'eau à haute performance pour plastifier le béton.
Spécifiquement, il est actuellement universellement admis que le système de bulles d'air du béton à air entraîné durci contenant un agent réducteur d'eau à haute performance et une résine Vinsol neutralisée est fort médiocre, c'est-à-dire que le facteur de distance entre les bulles d'air est supérieur à 0,203 mm et qu'il y a un risque que l'air s'échappe du béton frais.
Comme déjà indiqué, les paramètres d'aération et spécifiquement le facteur de distance dans le système de bulles d'air est un critère majeur pour prévoir l'aptitude probable du béton à résister à des cycles de gel et de dégel répétés.
La difficulté pour l'industrie est dès lors de produire un béton ayant les propriétés de tenue au gel et au dégel et propriétés apparentées qui sont désirées du béton à air entraîné, tout en ayant l'excellente ouvrabilité et les plus grandes résistances que présentent les bétons plastifiés par un agent réducteur d'eau.
Un autre but de l'invention est, par conséquent, de procurer un additif plastifiant réducteur d'eau pour le béton qui ne fait pas baisser, mais au contraire augmente sa résistance au gel et au dégel.
La Demanderesse a découvert qu'un prémélange de microsilice et d'un ou plusieurs agents réducteurs d'eau, de préférence un agent réducteur d'eau à haute performance utilisé seul ou en combinaison, lorsqu'il
<Desc/Clms Page number 9>
est ajouté à un mortier ou béton, augmente la densité et l'imperméabilité du mortier et du béton de plusieurs ordres de grandeur. En effet, l'expérience a montré que le béton ne contenant pas d'air entraîné produit à l'aide du mélange de microsilice conforme à l'invention est virtuellement imperméable à la pénétration de l'eau congelable et des liquides agressifs. Le béton contenant le mélange de microsilice présente une résistance au gel et au dégel qui est égale ou supérieure à celle du béton à air entraîné de bonne qualité et présente une résistance mécanique égale ou supérieure.
Ainsi, la détérioration du système de bulles d'air normalement éprouvé en présence des agents réducteurs d'eau tant ordinaires qu'à haute performance est sans intérêt parce que la perte d'air ou l'augmentation de la distance entre les bulles est compensée par les effets favorables du mélange de microsilice pour ce qui est des modifications fondamentales de la structure poreuse de la phase liante du béton. Plus spécifiquement, il en résulte une dispersion plus uniforme de la phase liante qui présente une structure poreuse sensiblement plus fine.
La microsilice de l'invention est une silice amorphe obtenue comme sous-produit de l'élaboration du ferro-silicium et aussi du silicium métallique par collecte des particules finement divisées des gaz brûlés des fours à arcs électriques. La microsilice est une pouzzolane, c'est-à-dire qu'elle se combine avec la chaux et l'humidité aux températures ordinaires pour former des composés ayant des propriétés cimentaires.
Le constituant principal est le dioxyde de silicium (Si02) qui est habituellement présent à raison d'au moins environ 60%, mais les meilleurs résultats sont obtenus, suivant l'invention, lorsque la teneur en Si02 est d'au moins environ 85%, sur base pondérale.
<Desc/Clms Page number 10>
Une silice amorphe qui convient éminemment aux fins de l'invention est un sous-produit de la production du silicium métallique ou du ferro-silicium par réduction au four électrique. Dans de tels procédés, des quantités relativement importantes de silice sont dégagées sous forme de poussières qui sont recueillies dans des filtres ou autres appareils collecteurs. Une telle silice est commercialisée par la Société Elkem a/s, Norvège.
Les analyses et propriétés physiques d'échantillons typiques de silice de cette nature sont données dans les tableaux suivants.
TABLEAU I
Poussière collectée dans le filtre à manche lors de la production de silicium métallique.
EMI10.1
<tb>
<tb>
Constituant <SEP> % <SEP> en <SEP> poids
<tb> Si02 <SEP> 94-98
<tb> Sic <SEP> 0, <SEP> 2-0, <SEP> 7
<tb> Fie203 <SEP> 0, <SEP> 05-0, <SEP> 15
<tb> Ti02 <SEP> 0, <SEP> 01-0, <SEP> 02
<tb> A1203 <SEP> 0, <SEP> 1-0, <SEP> 3
<tb> Mg0 <SEP> 0, <SEP> 2-0, <SEP> 8
<tb> CaO <SEP> 0, <SEP> 1-0, <SEP> 3
<tb> Na20 <SEP> 0, <SEP> 3-0, <SEP> 5
<tb> K20 <SEP> 0, <SEP> 2-0, <SEP> 6
<tb> Mn. <SEP> 0, <SEP> 003-0, <SEP> 01
<tb> Cu <SEP> 0, <SEP> 002-0, <SEP> 005
<tb> Zn <SEP> 0, <SEP> 005-0, <SEP> 01
<tb> Ni <SEP> 0, <SEP> 001 <SEP> - <SEP> 0, <SEP> 002
<tb> S <SEP> 0, <SEP> 1-0, <SEP> 3
<tb> C <SEP> 0, <SEP> 2-1, <SEP> 0
<tb> P <SEP> 0, <SEP> 03-0, <SEP> 06
<tb>
<Desc/Clms Page number 11>
EMI11.1
<tb>
<tb> Perte <SEP> au <SEP> feu <SEP> (1.
<SEP> 000 C) <SEP> 0, <SEP> 8-1, <SEP> 5
<tb> Masse <SEP> volumique <SEP> apparente,
<tb> a <SEP> la <SEP> trémie, <SEP> g/litre <SEP> 200-300
<tb> Masse <SEP> volumique <SEP> apparente,
<tb> état <SEP> compacté, <SEP> g/litre <SEP> 500 <SEP> - <SEP> 700
<tb> Masse <SEP> volumique <SEP> réelle, <SEP> g/cm3 <SEP> 2, <SEP> 20-2, <SEP> 25
<tb> Surface <SEP> spécifique, <SEP> m2/g <SEP> 18-22
<tb> Granulométrie <SEP> primaire,
<tb> pourcentage <SEP> 1/um <SEP> 90
<tb>
TABLEAU II Poussière collectée dans le filtre à manche lors de la production du ferrosilicium 75.
EMI11.2
<tb>
<tb>
Constituant <SEP> % <SEP> en <SEP> poids
<tb> Si02 <SEP> 86-90
<tb> SiC <SEP> 0, <SEP> 1-0, <SEP> 4
<tb> Fe203 <SEP> 0, <SEP> 3-0, <SEP> 9
<tb> Ti02 <SEP> 0, <SEP> 02-0, <SEP> 06
<tb> A1203 <SEP> 0, <SEP> 2-0, <SEP> 6
<tb> Mg0 <SEP> 2, <SEP> 5-3, <SEP> 5
<tb> CaO <SEP> 0, <SEP> 2-0, <SEP> 5
<tb> Na20 <SEP> 0, <SEP> 9-1, <SEP> 8
<tb> K20 <SEP> 2, <SEP> 5-3, <SEP> 5
<tb> Mn
<tb> Cu
<tb> Zn
<tb> NiS <SEP> 0, <SEP> 2-0, <SEP> 4
<tb> C <SEP> 0, <SEP> 8-2, <SEP> 0
<tb> P <SEP> 0, <SEP> 03-0, <SEP> 08
<tb> Perte <SEP> au <SEP> feu <SEP> (1.
<SEP> 000"C) <SEP> 2, <SEP> 4-4, <SEP> 0
<tb> Masse <SEP> volumique <SEP> apparente,
<tb> a <SEP> la <SEP> trémie, <SEP> g/litre <SEP> 200-300
<tb>
<Desc/Clms Page number 12>
EMI12.1
<tb>
<tb> Masse <SEP> volumique <SEP> apparente,
<tb> état <SEP> compacté, <SEP> g/litre <SEP> 500 <SEP> - <SEP> 700
<tb> Masse <SEP> volumique <SEP> réelle, <SEP> g/cm3 <SEP> 2, <SEP> 20-2, <SEP> 25
<tb> Surface <SEP> spécifique, <SEP> m2/g <SEP> 18-22
<tb> Granulométrie <SEP> primaire,
<tb> pourcentage <SEP> < <SEP> 1/um <SEP> 90
<tb>
La silice amorphe du type ci-dessus peut être acquise chez d'autres fabricants de silicium et ferrosilicium, par exemple, la fabrication du silicium comprend la réduction de la silice (silice grossière, par exemple quartz) au moyen de carbone. Du fer est ajouté pour l'élaboration du ferrosilicium.
Une partie du produit de la réduction de cette silice peut être réoxydée en phase vapeur (par exemple au contact de l'air) pour donner la silice particulaire fine utile aux fins de l'invention. La poussière collectée au sortir des fours électriques produisant le ferro-
EMI12.2
fp silicium à au moins 75% de silicium est préférée, mais la poussière collectée au sortir d'un four électrique pour la production du ferrosilicium à 50% peut aussi être utilisée aux fins de l'invention.
Il est possible d'obtenir la silice amorphe non comme sous-produit, mais comme produit principal, en ajustant convenablement les conditions de réaction.
La silice amorphe de ce genre peut être obtenue aussi par synthèse sans réduction ni réoxydation.
La silice amorphe utilisée aux fins de l'invention est composée en substance de particules sphériques submicrométriques. La forme sphérique, la finesse et l'activité pouzzolanique rendent cette silice éminemment utile aux fins de l'invention.
Par exemple, les particules de silice amorphe peuvent consister en au moins 60 à 90% en poids de Si02
<Desc/Clms Page number 13>
avec une masse volumique réelle de 2,20 à 2,25 g par cm et une surface spécifique de 18 à 22 m2 par g, les particules étant sensiblement sphériques et au moins 90% en poids des particules primaires ayant une granulométrie inférieure à 1/um. Il est évident que des écarts à ces valeurs sont parfaitement possibles. Par exemple, la silice peut avoir une plus faible teneur en Si02. En outre, le spectre granulométrique peut être ajusté, ainsi, il est possible de séparer les particules plus grossières, par exemple par classification.
La silice amorphe peut être gris foncé en raison de sa teneur en carbone. Néanmoins, ce carbone peut être éliminé par combustion, par exemple à des températures de plus de 400 C. Il est possible également de modifier les procédés d'élaboration du silicium et du ferrosilicium pour obtenir la silice sous une forme relativement blanche qui est par ailleurs virtuellement identique à la silice grise normalement produite. Essentiellement, la modification du procédé consiste à diminuer la quantité de houille dans la charge ou à supprimer la houille. L'autre conséquence de cette modification est un changement du rapport entre la quantité de silice produite et la quantité de silicium ou de ferrosilicium ; en d'autres termes, le rapport de la silice au silicium ou au ferrosilicium est plus élevé dans le procédé modifié.
Le terme microsilice est utilisé aux fins de l'invention pour désigner de la silice amorphe particulaire obtenue par un procédé dans lequel de la silice est réduite et le produit de réduction est oxydé en phase vapeur dans l'air. Ce terme de microsilice s'applique également au même type de silice amorphe produite par synthèse sans réduction ni réoxydation. Le plus avantageusement, la microsilice conforme à l'invention est extraite des gaz brûlés que dégagent les
<Desc/Clms Page number 14>
fours de réduction électriques pour l'élaboration de silicium métallique ou du ferrosilicium.
Le mélange conforme à l'invention comprend environ 30% à environ 98% en poids de microsilice et environ 2% à environ 50% en poids d'un ou plusieurs agents réducteurs d'eau, sur la base du poids de la microsilice du mélange. Un ou plusieurs agents réducteurs d'eau à haute performance peuvent être utilisés, soit isolément, soit conjointement avec un ou plusieurs agents réducteurs d'eau ordinaires. Ce sont les constituants essentiels du mélange de microsilice dans lequel l'agent réducteur d'eau à haute performance ou ordinaire choisi est dispersé de manière uniforme et homogène dans la microsilice.
Les constituants peuvent être mélangés à l'aide de tout appareil de mélange habituel, par exemple 50 kg de microsilice et 5 kg d'agent réducteur de haute performance Melment sont introduits dans un tambour mélangeur rotatif à sec pour que les constituants particulaires se dispersent de manière uniforme et homogène en contact intime dans le mélange conforme à l'invention. Les meilleurs résultats sont obtenus par mélange des constituants essentiels en dispersion aqueuse pour assurer le contact intime des constituants et leur dispersion homogène uniforme.
La dispersion aqueuse résultante peut comprendre environ 10% à environ 80% en poids de microsilice et de préférence environ 40% à environ 60% en poids de microsilice et environ 0,5% à environ 40% en poids (poids sec) d'un ou plusieurs agents réducteurs d'eau à haute performance ou ordinaires, soit isolément, soit conjointement et de
EMI14.1
préférence environ 1, 20% en poids de cet éférence env a p agent réducteur d'eau à haute performance ou ordinaire, soit isolément, soit en combinaison, le reste étant de l'eau.
<Desc/Clms Page number 15>
Par exemple, 45 kg de microsilice, 3 kg d'un produit de condensation de naphtalène et de formaldéhyde sulfoné disponible dans le commerce (agent réducteur d'eau à haute performance) et 3 kg d'un éther cellulosique du commerce (agent réducteur d'eau) sont dispersés de manière uniforme et homogène dans 22 litres d'eau, de préférence dans un mélangeur Banbury. Le pH de la dispersion aqueuse peut être ajusté à l'aide d'un acide ou alcali minéral habituel à une valeur d'environ 3,0 à environ 7,5 et de préférence environ 5,0 à environ 6,0 pour obtenir une dispersion de la consistance permettant le transport et l'incorporation à du béton.
En plus ou en complément de l'ajustement du pH de la dispersion, on peut utiliser des agents dispersants comme des phosphates, de l'acide citrique, des polyacrylates ou du glycérol afin de conférer la consistance désirée à la dispersion. L'eau est le liquide le plus économique pour former la dispersion du mélange conforme à l'invention, mais si la chose est désirée, un liquide organique peut être utilisé, à la condition qu'il soit compatible avec le béton et ne soit par ailleurs pas nuisible.
La viscosité relative du mélange en dispersion aqueuse conforme à l'invention, mesurée à l'aide d'un viscosimètre de Haake équipé d'un détecteur E. 30 fonctionnant de la manière normale décrite par le fabricant, est comparée ci-après à celle d'une dispersion aqueuse témoin contenant la même quantité de microsilice, mais sans agent réducteur d'eau. Chaque échantillon de la dispersion contient 65% en poids de microsilice pour les besoins de la comparaison. Les résultats de l'expérience sont rassemblés ci-après.
<Desc/Clms Page number 16>
EMI16.1
<tb>
<tb>
Echantillon <SEP> Inverse <SEP> Couple <SEP> Couple <SEP> Couple
<tb> de <SEP> la <SEP> mesuré <SEP> mesuré <SEP> mesuré <SEP>
<tb> vitesse <SEP> de <SEP> à <SEP> à <SEP> à <SEP>
<tb> rotation <SEP> 1 <SEP> heure <SEP> 7 <SEP> jours <SEP> 28 <SEP> jours
<tb> du <SEP> détecteur
<tb> Témoin <SEP> 32 <SEP> 53 <SEP> > 150 <SEP> > 150 <SEP>
<tb> 16 <SEP> 56 <SEP> > <SEP> 150 <SEP> > 150
<tb> 8 <SEP> 60 <SEP> > <SEP> 150 <SEP> > 150
<tb> 4 <SEP> 64 <SEP> > 150 <SEP> > 150
<tb> 2 <SEP> 69 <SEP> > 150 <SEP> > 150
<tb> 1 <SEP> 78 <SEP> > 150 <SEP> > 150
<tb> Limite <SEP> de <SEP> dé-49 <SEP> > 250 <SEP> > 150
<tb> formation
<tb> Echantillon-A-32 <SEP> 4 <SEP> 8 <SEP> 11
<tb> Lignosulfonate <SEP> à <SEP> 16 <SEP> 4 <SEP> 11 <SEP> 16
<tb> 2,5% <SEP> en <SEP> poids <SEP> 8 <SEP> 5 <SEP> 11 <SEP> 17
<tb> (Borresperse <SEP> NA)
<SEP> 4 <SEP> 6 <SEP> 12 <SEP> 18
<tb> 2 <SEP> 7 <SEP> 14 <SEP> 23
<tb> 1 <SEP> 9 <SEP> 16 <SEP> 23
<tb> Limite <SEP> de <SEP> dé-2 <SEP> 3,5 <SEP> 15,0
<tb> formation
<tb> Echantillon-BProduit <SEP> de <SEP> con-32 <SEP> 18 <SEP> 17 <SEP> 26
<tb> densation <SEP> 16 <SEP> 20 <SEP> 21 <SEP> 27
<tb> naphtalène-8 <SEP> 25 <SEP> 23 <SEP> 26
<tb> formaldéhyde <SEP> 4 <SEP> 27 <SEP> 24 <SEP> 25
<tb> sulfoné <SEP> à <SEP> 2 <SEP> 32 <SEP> 28 <SEP> 27
<tb> 2,5% <SEP> en <SEP> poids <SEP> l <SEP> 39 <SEP> 34 <SEP> 33
<tb> (Mighty)
<tb> Limite <SEP> de <SEP> 28 <SEP> 28 <SEP> 43
<tb> déformation
<tb> Echantillon-CProduit <SEP> de <SEP> con-32 <SEP> 21 <SEP> 57 <SEP> 5
<tb> densation <SEP> 16 <SEP> 32 <SEP> 63 <SEP> 61
<tb> mélamine-8 <SEP> 33 <SEP> 68 <SEP> 64
<tb> formaldéhyde <SEP> 4 <SEP> 36 <SEP> 74 <SEP> 69
<tb> sulfoné <SEP> à <SEP> 2 <SEP> 42 <SEP> 81 <SEP> 76
<tb> 2,
5% <SEP> en <SEP> poids <SEP> 1 <SEP> 49 <SEP> 91 <SEP> 88
<tb> (Rescon <SEP> H <SEP> P)
<tb> Limite <SEP> de <SEP> dé-32 <SEP> 63 <SEP> 72
<tb> formation
<tb>
Comme il ressort des données ci-dessus, la microsilice tend à former avec l'eau, un mélange thixotropique et a ainsi fréquemment pour effet de
<Desc/Clms Page number 17>
gélifier la dispersion aqueuse. Lorsque la dispersion se gélifie, elle ne donne plus satisfaction, parce qu'en pratique, il est alors très difficile de la pomper à partir de la réserve.
Il a été fort surprenant et inattendu de découvrir que l'agent réducteur d'eau à haute performance des échantillons B et C et l'agent réducteur d'eau ordinaire de l'échantillon A sont efficaces pour atténuer la tendance de la dispersion aqueuse à se gélifier ainsi qu'on le constate souvent lorsque la microsilice se trouve seule en dispersion aqueuse.
L'hypothèse est que pendant la formation du mélange, les agents réducteurs d'eau à haute performance et ordinaires tendent à s'appliquer sur la surface des particules de microsilice et à atténuer ainsi efficacement la tendance de la dispersion à se gélifier. L'expérience a montré que lorsque le point de déformation dans le tableau ci-dessus est voisin d'à peu près 25, la dispersion aqueuse convient exactement aux fins de l'invention et que la suspension aqueuse est satisfaisante jusqu'à un point de déformation d'environ 75. Lorsque le point de déformation est supérieur à environ 100, il devient difficile de pomper la dispersion et celle-ci n'est pas jugée satisfaisante aux fins de l'invention.
Conformément à l'invention, la dispersion aqueuse de microsilice est stabilisée et sa tendance à la gélification peut être notablement atténuée ou même supprimée par incorporation d'environ 0,1% à environ 10,0% et de préférence d'environ 2,0% à environ 5, 0% de l'agent réducteur d'eau à haute performance ou ordinaire (sur base sèche) sur base du poids de la microsilice de la dispersion aqueuse. En règle générale, la quantité de microsilice dans la dispersion aqueuse s'échelonne d'à peine 5% jusqu'à environ 80% en poids.
<Desc/Clms Page number 18>
Un ou plusieurs agents réducteurs d'eau à haute performance ou ordinaires peuvent être utilisés isolément ou conjointement afin de stabiliser le mélange de microsilice en dispersion aqueuse. Lorsque le mélange en dispersion aqueuse est utilisé comme additif pour le béton ou le mortier, la quantité d'agent réducteur d'eau à haute performance ou ordinaire peut excéder 10% en poids et comme indiqué ci-dessus, peut s'échelonner d'environ 0, 5% à 0,40% du poids du mélange en dispersion aqueuse.
La quantité de mélange conforme à l'invention qu'il faut ajouter au mortier ou au béton frais classique varie avec l'application envisagée. La quantité de mélange qu'il faut ajouter dépend du poids de ciment dans le mortier ou le béton.
En général, le mélange conforme à l'invention est ajouté et incorporé en quantité suffisante au mortier ou au béton frais pour y apporter environ 2, 0% à environ 100%, de préférence environ 2% à 25% en poids de microsilice sèche, sur la base du poids du ciment du béton et environ 0,1 à environ 5% en poids d'un agent réducteur d'eau à haute performance ou ordinaire, isolément ou conjointement, sur la base du poids du ciment dans le béton ou le mortier.
Conformément à la pratique industrielle courante, la quantité optimale des constituants dans le mélange et la quantité de ce mélange dans l'intervalle spécifié qu'il faut ajouter au béton, compte tenu des matériaux disponibles, est à déterminer par des épreuves qui imitent les conditions d'ambiance et les techniques de construction sur le chantier. Des épreuves classiques sont appliquées pour montrer l'effet du mélange sur le béton d'un point de vue pratique pour ce qui est de la teneur en air du béton, de la consistance, de l'exsudation d'eau et de la perte possible
<Desc/Clms Page number 19>
d'air par le béton frais, de la vitesse de durcissement, de la résistance à la compression et à la flexion, de la résistance au gel et au dégel, du retrait au séchage et de la teneur admissible en chlorure.
L'addition classique d'agents réducteurs d'eau à haute performance et ordinaires a souvent pour effet que le béton exsude exagérément et subit une ségrégation, comme le montre une pâte aqueuse fine qui est impropre à retenir en suspension les particules grossières de granulat. Il est également connu que la plupart des agents réducteurs d'eau à haute performance et ordinaires tendent à exercer un effet plastifiant par diminution de la tension superficielle de l'eau que contient le béton. Ceci peut conduire à une séparation des particules de granulat grossières, à une médiocre
EMI19.1
e te d'aptitude résistance au gel et au dégel, à une perte au pompage, à une mauvaise résistance à l'abrasion, à des difficultés de lissage et à une médiocre texture superficielle après coulée en place.
L'addition de microsilice apportée par le mélange conforme à l'invention, en raison de sa grande finesse, augmente la surface spécifique des solides par volume unitaire d'eau et assure donc une meilleure séparation et une mise en suspension des particules de granulat grossières et conduit ainsi à une augmentation de plasticité et d'ouvrabilité par modification de l'interaction entre les particules. Comme le mélange de ciment, d'eau et de prémélange conforme à l'invention contient un plus grande nombre de solides par unité de volume, la pâte est moins aqueuse et tend moins à la ségrégation. L'exsudation s'en trouve réduite par la microsilice qui immobilise l'eau dans la pâte. Il en résulte que le mélange est homogène, hautement ouvrable et propre à être pompé et tend moins à l'exsudation.
<Desc/Clms Page number 20>
La résistance à la compression atteinte par du béton contenant le mélange conforme à l'invention est généralement supérieure à celle qu'on peut prévoir en additionnant les incréments de résistance dus à l'apport de chaque constituant séparément. La raison pour laquelle il en est ainsi n'a pas été parfaitement élucidée, mais l'hypothèse est que l'agent réducteur d'eau à haute performance ou ordinaire assure une meilleure répartition des particules de microsilice dans la masse du béton et que certains effets synergiques peuvent se manifester entre les constituants du mélange de l'invention.
Le mélange conforme à l'invention est utilisé avec avantage dans des bétons frais ordinaires et est incorporé à ceux-ci suivant les techniques habituelles actuellement appliquées pour le malaxage du béton. Par exemple, un mélange en dispersion aqueuse contenant 45 kg de microsilice, 8 kg de Lomar D sec (agent réducteur d'eau à haute performance qui est un produit de condensation naphtalène-formaldéhyde sulfoné) et 22 litres d'eau peut être ajouté et incorporé à un béton frais ordinaire contenant 450 kg de ciment Portland de type I sans aucun autre additif. Le béton frais résultant, qui présente un rapport de l'eau au ciment de 0,35 sur base pondérale, a une bonne ouvrabilité, une bonne consistance et ne manifeste pas de ségrégation à l'état frais.
A l'état durci, la résistance à la compression après 28 jours est normalement élevée et est de l'ordre de 82 MPa, tandis que la résistance au gel et au dégel est étonnamment élevée, même en l'absence d'air entraîné. Le mélange pour béton contient 10% de microsilice (base sèche) et environ 1,5% de Lomar D (base sèche) sur base du poids de ciment dans le mélange pour béton. La baisse de perméabilité du mélange résultant augmente la résistance à la
<Desc/Clms Page number 21>
pénétration de l'eau et des agents chimiques agressifs et rend ainsi des propriétés de tenue au gel et au dégel supérieures à celles d'un béton ou mortier ne contenant pas le mélange de microsilice en dispersion aqueuse.
Le mélange conforme à l'invention est pré-
EMI21.1
mélangé en optimales déterminées élangé en prop ees par d-- épreuves traditionnelles dans l'industrie de manière à procurer un système de distribution unique au lieu des trois ou quatre systèmes de distribution nécessaires sur le chantier suivant la pratique courante. La distribution de tous les additifs peut être réalisée en une opération unique à l'aide du mélange conforme à l'invention dans lequel les constituants se trouvent en dispersion uniforme et homogène, alors que les différents constituants doivent être ajoutés traditionnellement en succession pour éviter la floculation. Le mélange conforme à l'invention abrège le temps de chargement des camions et réduit les risques d'erreur du fait qu'une seule addition suffit au lieu de trois ou quatre pour le chargement.
Les installations de stockage sont simplifiées et le contrôle de qualité est amélioré du fait qu'un seul fabricant fournit tous les additifs dans le mélange unique conforme à l'invention, ce qui supprime l'inconvénient de la contamination des récipients de stockage. Un autre avantage du mélange conforme a l'invention présenté en dispersion aqueuse est qu'il supprime les dégagements de fines poussières sur le chantier. Néanmoins, pour des chantiers relativement petits, le mélange particulaire sec peut être présenté dans des sacs de 40 à 50 kg et livré ainsi sur place.
La capacité du mélange conforme à l'invention à conférer une meilleure résistance au sulfate et une meilleure résistance aux réactions alcali-silice dans
<Desc/Clms Page number 22>
le béton qui en est additionné, est attribuable aux effets favorables du mélange de microsilice.
Du fait que le mélange conforme à l'invention peut être utilisé dans des conditions qui augmentent le temps de prise dans une mesure gênante, des accélérateurs peuvent être ajoutés à ce mélange pour assurer les caractéristiques les plus favorables de prise et d'acquisition rapide de la résistance. De plus, il peut être intéressant de ralentir la prise du béton frais, par exemple pour le tablier d'un pont, afin que le durcissement ait lieu après achèvement des opérations de pose et de finition.
Le mélange conforme à l'invention est préparé à façon à l'aide des constituants les plus favorables, pris en des quantités les plus judicieuses, pour le béton à utiliser dans un chantier particulier. Les différents additifs connus d'usage courant pour le béton et le mortier peuvent être incorporés au mélange conforme à l'invention.
Des accélérateurs connus, comme le chlorure de calcium, le nitrate de calcium et le formiate de calcium, peuvent être incorporés au mélange avec les constituants essentiels en les quantités d'usage courant dans l'industrie, qui sont indiquées par les épreuves normalisées visant à déterminer la quantité optimale pour l'application envisagée. Un ou plusieurs accélérateurs peuvent former environ 5% à environ 20% en poids, sur la base du poids de la microsilice du mélange.
Des retardateurs, comme du sucre sous forme de glucose ou de saccharose, d'usage traditionnel dans les bétons et mortiers frais, peuvent être incorporés aussi au mélange dans les quantités optimales déterminées suivant les épreuves normalisées. Un ou plusieurs retardateurs peuvent être pris en quantités d'environ
<Desc/Clms Page number 23>
5% à environ 20% en poids, sur la base du poids de la microsilice du mélange.
Si la chose est désirée, des agents d'entraînement d'air, comme de la résine Vinsol ou du Darex, qui est un acide gras sulfoné provenant des graisses, peuvent être incorporés au mélange conforme à l'invention pour les applications particulières où une quantité déterminée d'air entraîné peut être souhaitable.
Un ou plusieurs agents d'entraînement d'air peuvent être présents en une quantité d'environ 0,5% à environ 2% en poids, sur la base du poids de la microsilice.
Un ou plusieurs additifs quelconques, pris isolément ou conjointement, avec d'autres additifs peuvent être incorporés aux constituants essentiels du mélange conforme à l'invention. La compatibilité et la consistance du mélange sont déterminées suivant les épreuves habituelles, comme il en est de l'effet final sur le béton ou mortier à utiliser en particulier pour la construction envisagée.
Le mélange conforme à l'invention peut contenir différentes proportions des constituants envisagés, mais pour qu'on bénéficie des avantages de l'invention, la quantité de mélange incorporé à un béton frais ordinaire doit être suffisante pour apporter environ 2, 0% à environ 100% en poids de microsilice, sur la base du poids du ciment, et environ 0, 1% à environ 5% en poids d'un ou plusieurs des agents réducteurs d'eau à haute performance ou ordinaires, isolément ou en combinaison, sur la base du poids du ciment. De l'eau ou un liquide organique compatible avec le béton frais est de préférence ajouté au mélange en une quantité suffisante pour former une dispersion dans laquelle les constituants essentiels se trouvent en suspension uniforme et homogène.
Des accélérateurs, des retardateurs, des agents d'entraînement d'air et
<Desc/Clms Page number 24>
d'autres additifs classiques sont mélangés aux constituants essentiels du mélange de l'invention en une quantité propre à établir la concentration désirée dans le béton frais. Dans tous les cas, la quantité optimale des constituants dans le mélange conforme à l'invention est déterminée suivant les techniques habituelles dans les conditions d'ambiance simulées pour les matériaux disponibles et compte tenu des procédés de construction appliqués.
Bien que divers modes et détails de réalisation aient été décrits pour illustrer l'invention, il va de soi que celle-ci est susceptible de nombreuses variantes et modifications sans sortir de son cadre.
<Desc / Clms Page number 1>
Additive for concrete comprising several constituents containing microsilica, process for preparing it and concrete containing it.
Norwegian patent application no. 824100 of December 7, 1982 in his favor.
The present invention relates to a concrete additive which comprises a mixture of several constituents which contains microsilica and at least one water reducing agent or at least one high performance water reducing agent. Advantageously, the mixture
<Desc / Clms Page number 2>
may contain one or more water reducing agents in combination with one or more high performance water reducing agents in conjunction with the microsilica. Setting accelerators and retarders, alone or in combination, can also be used as optional components in the mixture.
For example, the invention aims to avoid the drawback relating to the degradation of the air bubble system of air-entrained concrete which results from the use of water reducers while substantially retaining the other known advantages such as the workability, strength and workability of concrete containing water reducing agents. In accordance with the present invention, the microsilica and at least one water reducing agent, with or without an additional optional component, are premixed and the resulting mixture is added and incorporated at any desired time into the kneaded concrete.
The premix is of great importance compared to the traditional practice of adding each component separately to the kneaded concrete since the action of the water reducing agent during the premix tends to evenly coat and disperse in a uniform manner. homogeneous microsilica particles, which results in the subdivision of lumps. Lumps that tend to form when components are added separately, according to traditional practice, can pose a serious threat to the uniform strength and durability that poured concrete must have. When lumps have formed in the kneaded concrete, prolonged mixing is necessary to disperse the lumps and excessive kneading can be detrimental to the workability and workability of the concrete.
The premix mechanism has not been perfected
<Desc / Clms Page number 3>
elucidated, but the Applicant is led to believe that it exerts a synergistic effect on the plasticity and the workability of mixed concrete and confers a resistance which prevails over that of ordinary mixed concrete to which the constituents are added separately according to practice traditional.
The water reducing agents and the optional accelerators and retarders used according to the invention are well known conventional agents commonly used in high strength concrete which can have a compressive strength of up to about 41- 82 MPa.
One of the biggest advances in concrete technology in the past few decades has been the development of air entrainment to protect concrete from damage caused by freezing and thawing. chemical de-icing agents. The use of entrained air is generally recommended for concrete in almost all of its applications. Experiments have shown that concrete containing air at a rate of approximately 5 to 7.5% by volume to the nearest 1% by excess or by default withstands up to approximately 1900 freeze-thaw cycles instead of a maximum of around 150 cycles for air-free concrete which is otherwise identical in all respects. We can refer to this subject, for example to "Air-Entrained Concrete", Portland Cement Association, Document ISO 45.02T, 1967.
Air-entrained concrete offers many other advantages, including better workability, greater resistance to de-icing agents such as calcium chloride, better sulphate resistance and better water tightness.
A frequent application process for pro-
<Desc / Clms Page number 4>
pouring air entrained concrete includes adding an air entraining agent during concrete mixing. Experience has shown that mixing is the most important factor in the production of air entrained concrete and, in this respect, the uniform distribution of entrained air bubbles is essential for the concrete's resistance to chipping, l 'lack of uniformity always constituting a risk that the entrained air is poorly dispersed during mixing. Factors such as the mass of concrete mixed, the condition of the mixer and the speed of mixing are also important.
Exaggerated mixing can lead to loss of part of the entrained air, but the preferred techniques and procedures for mixing air-entrained concrete are currently fairly well known and more detailed considerations do not seem necessary to the specialist. .
A number of air entraining agents produced from different raw materials are currently commercially available, for example thermoplastic resins containing phenol, aldehyde and ether radicals, as well as their salts and soaps.
Vinsol resins are undoubtedly the most widely used air entraining agents in the United States of America. Vinsol resin is a thermoplastic resin obtained from pine wood and containing phenol, aldehyde and ether radicals. Vinsol resin sodium soap is a particularly effective air entraining agent and only about 0.15% of the weight of the cement is sufficient to entrain the air in concrete mix in the usual way. Another agent is DAREX AEA, which is a sulphonated acidic hydrocarbon derivative of fats sold by the company Dewey and Almy Chemical Co.
<Desc / Clms Page number 5>
air drive commonly used.
Air entrained concrete obtained with commonly used air entraining agents contains a large number of very small air bubbles; the average bubble diameter is usually 0.076 to 0.152 mm and the number of bubbles can range from 390 to 650 billion per m3 for air-entrained concrete containing 4 to 6% by volume of air and an aggregate of one maximum caliber of 38 mm. The bubbles do not communicate with each other and are well distributed in the cement / water phase. The distance between air bubbles is an important factor for the frost and thaw resistance of hardened concrete, and a distance of less than 0.203 mm, measured according to ASTM C457, is considered essential to provide resistance required to freeze and thaw.
One of the most significant advances in concrete technology since the development of air-entrained concrete around 1935 has been the use of so-called water reducing agents.
Water reducing agents are chemical compounds which, when added to concrete, thin the concrete for a certain period of time, so that (1) normal workability can be achieved in concrete with a water: cement ratio much lower than that which would normally be used, or (2) extremely openable fluid concrete (i.e. substantially self-leveling without annoying side effects such as segregation, lack of durability, poor abrasion resistance or exudation) can be produced, or (3) a combination of (1) and (2) is achieved.
Water reducing agents are well known additives for concrete. Agents marketed
<Desc / Clms Page number 6>
generally available fall into six different classes:
1. Hydroxy carboxylic acids and their salts.
2. Modified and derived forms of hydroxy carboxylic acids and their salts.
3. Inorganic materials such as zinc salts, borates, phosphates and chlorides.
4. Carbohydrates, polysaccharides and sugar acids.
5. Amines and their derivatives and polymeric compounds such as cellulose ethers and silicones.
6. Certain modified lignosulfonic acids.
By water reducing agent is meant for the purposes of the invention one or more of the constituents of the above six classes of usual agents, both singly and in combination.
High performance water reducing agents in frequent use today are:
1. Lignosulfonic acids and their salts, as well as their modified and derived forms.
2. Melamine derivatives.
3. Naphthalene derivatives.
By high performance water reducing agent is meant for the purposes of the invention one or more constituents of the three classes above, both individually and in combination.
There are at least twelve frequently used high performance water reducing agents, eight of which fall into categories (2) and (3) above.
The preferred agent in category (2) is a sulfonated condensation product of melamine and formaldehyde of the conventional type sold under the name Melment and the preferred agent in category (3) is a condensed product.
<Desc / Clms Page number 7>
sulfonated naphthalene and formaldehyde.
High performance water reducing agents have a much greater plasticizing effect in conventional concrete. The best results in workability, workability and strength are obtained when the high performance water reducing agents are used in accordance with the present invention.
Concrete containing high performance water reducing agents is used extensively for in situ poured concrete work where excellent flow properties are required, such as in areas with high reinforcement density, for pumping and in complicated shapes. Among the advantages of using high performance water reducing agents in pre-cast concrete and ready-to-use mixtures, it is worth mentioning (a) the increase in resistance at all ages, (b) increased resistance to attack by sulfates, (c) increased adhesion to steel reinforcement, (d) improved workability and workability, and (e) reduction permeability to water penetration.
When a high performance water reducing agent is added to a concrete mix, the plasticizing effects persist for approximately 30 to 60 minutes, depending on the working conditions. Therefore, the agent should be added to the job site when used in ready-mixed concrete.
Concretes containing one or more high performance water reducing agents are described in "Super Plasticized Concrete", ACI Journal, May 1977, pages N6-Nll inclusive, and in the references cited therein.
Although concrete which can be called concrete
<Desc / Clms Page number 8>
air entrained or plasticized by a water reducing agent has been found to be eminently suitable for many applications requiring only the properties attributable to air entrainment or plasticization, difficulties are encountered when the contractor attempts to '' use both an air entraining mixture and a high performance water reducing agent to laminate concrete.
Specifically, it is currently universally accepted that the air bubble system of hardened entrained air concrete containing a high performance water reducing agent and neutralized Vinsol resin is very poor, i.e. the factor the distance between the air bubbles is more than 0.203 mm and there is a risk that the air will escape from the fresh concrete.
As already indicated, the aeration parameters and specifically the distance factor in the air bubble system is a major criterion for predicting the probable ability of the concrete to withstand repeated freeze and thaw cycles.
The difficulty for industry is therefore to produce a concrete having the freeze-thaw and related properties which are desired of air-entrained concrete, while having the excellent workability and the highest strengths exhibited by concrete plasticized with a water reducing agent.
Another object of the invention is, therefore, to provide a water-reducing plasticizing additive for concrete which does not lower, but on the contrary increases its resistance to freezing and thawing.
The Applicant has discovered that a premixture of microsilica and one or more water reducing agents, preferably a high performance water reducing agent used alone or in combination, when
<Desc / Clms Page number 9>
is added to a mortar or concrete, increases the density and impermeability of the mortar and concrete by several orders of magnitude. Indeed, experience has shown that concrete containing no entrained air produced using the microsilica mixture according to the invention is virtually impermeable to the penetration of freezable water and aggressive liquids. Concrete containing the microsilica mixture has a freeze-thaw resistance that is equal to or greater than that of air quality concrete of good quality and has an equal or greater mechanical resistance.
Thus, the deterioration of the air bubble system normally experienced in the presence of water reducing agents both ordinary and high performance is irrelevant because the loss of air or the increase in the distance between the bubbles is compensated by the favorable effects of the microsilica mixture with regard to fundamental modifications of the porous structure of the binding phase of the concrete. More specifically, this results in a more uniform dispersion of the binder phase which has a substantially finer porous structure.
The microsilica of the invention is an amorphous silica obtained as a by-product of the production of ferro-silicon and also of metallic silicon by collecting finely divided particles of the burnt gases from electric arc furnaces. The microsilica is a pozzolan, that is to say that it combines with lime and humidity at ordinary temperatures to form compounds having cementitious properties.
The main constituent is silicon dioxide (SiO2) which is usually present in an amount of at least about 60%, but the best results are obtained, according to the invention, when the SiO2 content is at least about 85% , on a weight basis.
<Desc / Clms Page number 10>
An amorphous silica which is eminently suitable for the purposes of the invention is a by-product of the production of metallic silicon or ferro-silicon by reduction in an electric furnace. In such processes, relatively large quantities of silica are released in the form of dust which is collected in filters or other collecting devices. Such silica is sold by the company Elkem a / s, Norway.
The analyzes and physical properties of typical silica samples of this nature are given in the following tables.
TABLE I
Dust collected in the bag filter during the production of metallic silicon.
EMI10.1
<tb>
<tb>
Component <SEP>% <SEP> in <SEP> weight
<tb> Si02 <SEP> 94-98
<tb> Sic <SEP> 0, <SEP> 2-0, <SEP> 7
<tb> Fie203 <SEP> 0, <SEP> 05-0, <SEP> 15
<tb> Ti02 <SEP> 0, <SEP> 01-0, <SEP> 02
<tb> A1203 <SEP> 0, <SEP> 1-0, <SEP> 3
<tb> Mg0 <SEP> 0, <SEP> 2-0, <SEP> 8
<tb> CaO <SEP> 0, <SEP> 1-0, <SEP> 3
<tb> Na20 <SEP> 0, <SEP> 3-0, <SEP> 5
<tb> K20 <SEP> 0, <SEP> 2-0, <SEP> 6
<tb> Mn. <SEP> 0, <SEP> 003-0, <SEP> 01
<tb> Cu <SEP> 0, <SEP> 002-0, <SEP> 005
<tb> Zn <SEP> 0, <SEP> 005-0, <SEP> 01
<tb> Neither <SEP> 0, <SEP> 001 <SEP> - <SEP> 0, <SEP> 002
<tb> S <SEP> 0, <SEP> 1-0, <SEP> 3
<tb> C <SEP> 0, <SEP> 2-1, <SEP> 0
<tb> P <SEP> 0, <SEP> 03-0, <SEP> 06
<tb>
<Desc / Clms Page number 11>
EMI11.1
<tb>
<tb> Loss <SEP> to <SEP> fire <SEP> (1.
<SEP> 000 C) <SEP> 0, <SEP> 8-1, <SEP> 5
<tb> Mass <SEP> volume <SEP> visible,
<tb> a <SEP> the <SEP> hopper, <SEP> g / liter <SEP> 200-300
<tb> Mass <SEP> volume <SEP> visible,
<tb> state <SEP> compacted, <SEP> g / liter <SEP> 500 <SEP> - <SEP> 700
<tb> Mass <SEP> volume <SEP> real, <SEP> g / cm3 <SEP> 2, <SEP> 20-2, <SEP> 25
<tb> Surface <SEP> specific, <SEP> m2 / g <SEP> 18-22
<tb> Grain size <SEP> primary,
<tb> percentage <SEP> 1 / um <SEP> 90
<tb>
TABLE II Dust collected in the bag filter during the production of ferrosilicon 75.
EMI11.2
<tb>
<tb>
Component <SEP>% <SEP> in <SEP> weight
<tb> Si02 <SEP> 86-90
<tb> SiC <SEP> 0, <SEP> 1-0, <SEP> 4
<tb> Fe203 <SEP> 0, <SEP> 3-0, <SEP> 9
<tb> Ti02 <SEP> 0, <SEP> 02-0, <SEP> 06
<tb> A1203 <SEP> 0, <SEP> 2-0, <SEP> 6
<tb> Mg0 <SEP> 2, <SEP> 5-3, <SEP> 5
<tb> CaO <SEP> 0, <SEP> 2-0, <SEP> 5
<tb> Na20 <SEP> 0, <SEP> 9-1, <SEP> 8
<tb> K20 <SEP> 2, <SEP> 5-3, <SEP> 5
<tb> Mn
<tb> Cu
<tb> Zn
<tb> NiS <SEP> 0, <SEP> 2-0, <SEP> 4
<tb> C <SEP> 0, <SEP> 8-2, <SEP> 0
<tb> P <SEP> 0, <SEP> 03-0, <SEP> 08
<tb> Loss <SEP> to <SEP> fire <SEP> (1.
<SEP> 000 "C) <SEP> 2, <SEP> 4-4, <SEP> 0
<tb> Mass <SEP> volume <SEP> visible,
<tb> a <SEP> the <SEP> hopper, <SEP> g / liter <SEP> 200-300
<tb>
<Desc / Clms Page number 12>
EMI12.1
<tb>
<tb> Mass <SEP> volume <SEP> visible,
<tb> state <SEP> compacted, <SEP> g / liter <SEP> 500 <SEP> - <SEP> 700
<tb> Mass <SEP> volume <SEP> real, <SEP> g / cm3 <SEP> 2, <SEP> 20-2, <SEP> 25
<tb> Surface <SEP> specific, <SEP> m2 / g <SEP> 18-22
<tb> Grain size <SEP> primary,
<tb> percentage <SEP> < <SEP> 1 / um <SEP> 90
<tb>
Amorphous silica of the above type can be acquired from other manufacturers of silicon and ferrosilicon, for example, the manufacture of silicon includes the reduction of silica (coarse silica, for example quartz) using carbon. Iron is added for the production of ferrosilicon.
Part of the product of the reduction of this silica can be reoxidized in the vapor phase (for example in contact with air) to give the fine particulate silica useful for the purposes of the invention. Dust collected from electric ovens producing ferro-
EMI12.2
fp silicon with at least 75% silicon is preferred, but the dust collected from an electric furnace for the production of 50% ferrosilicon can also be used for the purposes of the invention.
It is possible to obtain amorphous silica not as a by-product, but as the main product, by suitably adjusting the reaction conditions.
Amorphous silica of this kind can also be obtained by synthesis without reduction or reoxidation.
The amorphous silica used for the purposes of the invention is composed essentially of submicrometric spherical particles. The spherical shape, the fineness and the pozzolanic activity make this silica eminently useful for the purposes of the invention.
For example, the amorphous silica particles may consist of at least 60 to 90% by weight of SiO2
<Desc / Clms Page number 13>
with an actual density of 2.20 to 2.25 g per cm and a specific surface of 18 to 22 m2 per g, the particles being substantially spherical and at least 90% by weight of the primary particles having a particle size less than 1 / um. It is obvious that deviations from these values are perfectly possible. For example, silica may have a lower SiO2 content. In addition, the particle size spectrum can be adjusted, thus it is possible to separate the coarser particles, for example by classification.
Amorphous silica may be dark gray due to its carbon content. However, this carbon can be eliminated by combustion, for example at temperatures of more than 400 C. It is also possible to modify the processes for producing silicon and ferrosilicon to obtain silica in a relatively white form which is moreover virtually identical to the normally produced gray silica. Essentially, the modification of the process consists in reducing the quantity of coal in the load or in removing the coal. The other consequence of this modification is a change in the ratio between the quantity of silica produced and the quantity of silicon or ferrosilicon; in other words, the ratio of silica to silicon or ferrosilicon is higher in the modified process.
The term microsilica is used for the purposes of the invention to designate particulate amorphous silica obtained by a process in which silica is reduced and the reduction product is oxidized in the vapor phase in air. This term microsilica also applies to the same type of amorphous silica produced by synthesis without reduction or reoxidation. Most advantageously, the microsilica according to the invention is extracted from the burnt gases released by the
<Desc / Clms Page number 14>
electric reduction furnaces for the production of metallic silicon or ferrosilicon.
The mixture according to the invention comprises approximately 30% to approximately 98% by weight of microsilica and approximately 2% to approximately 50% by weight of one or more water reducing agents, based on the weight of the microsilica of the mixture . One or more high performance water reducing agents may be used, either alone or in conjunction with one or more ordinary water reducing agents. These are the essential constituents of the microsilica mixture in which the chosen high performance or ordinary water reducing agent is dispersed in a uniform and homogeneous manner in the microsilica.
The constituents can be mixed using any usual mixing apparatus, for example 50 kg of microsilica and 5 kg of high performance reducing agent Melment are introduced into a dry rotary mixing drum so that the particulate constituents disperse from uniform and homogeneous in intimate contact in the mixture according to the invention. The best results are obtained by mixing the essential constituents in aqueous dispersion to ensure intimate contact of the constituents and their uniform homogeneous dispersion.
The resulting aqueous dispersion may comprise from about 10% to about 80% by weight of microsilica and preferably from about 40% to about 60% by weight of microsilica and from about 0.5% to about 40% by weight (dry weight) of a or more high performance or ordinary water reducing agents, either singly or together and of
EMI14.1
preferably about 1.20% by weight of this reference env to p high performance or ordinary water reducing agent, either singly or in combination, the remainder being water.
<Desc / Clms Page number 15>
For example, 45 kg of microsilica, 3 kg of a condensation product of naphthalene and sulfonated formaldehyde commercially available (high performance water reducing agent) and 3 kg of a commercial cellulose ether (reducing agent d (water) are dispersed uniformly and homogeneously in 22 liters of water, preferably in a Banbury mixer. The pH of the aqueous dispersion can be adjusted using a usual mineral acid or alkali to a value of from about 3.0 to about 7.5 and preferably about 5.0 to about 6.0 to obtain a dispersion of consistency allowing transport and incorporation into concrete.
In addition to or in addition to adjusting the pH of the dispersion, dispersing agents such as phosphates, citric acid, polyacrylates or glycerol can be used in order to impart the desired consistency to the dispersion. Water is the most economical liquid to form the dispersion of the mixture according to the invention, but if desired, an organic liquid can be used, provided that it is compatible with concrete and is not elsewhere not harmful.
The relative viscosity of the mixture in aqueous dispersion according to the invention, measured using a Haake viscometer equipped with an E. 30 detector operating in the normal manner described by the manufacturer, is compared below with that of a control aqueous dispersion containing the same amount of microsilica, but without water reducing agent. Each sample of the dispersion contains 65% by weight of microsilica for the purposes of the comparison. The results of the experiment are collated below.
<Desc / Clms Page number 16>
EMI16.1
<tb>
<tb>
Sample <SEP> Inverse <SEP> Couple <SEP> Couple <SEP> Couple
<tb> of <SEP> the <SEP> measured <SEP> measured <SEP> measured <SEP>
<tb> speed <SEP> from <SEP> to <SEP> to <SEP> to <SEP>
<tb> rotation <SEP> 1 <SEP> hour <SEP> 7 <SEP> days <SEP> 28 <SEP> days
<tb> of <SEP> detector
<tb> Witness <SEP> 32 <SEP> 53 <SEP>> 150 <SEP>> 150 <SEP>
<tb> 16 <SEP> 56 <SEP>> <SEP> 150 <SEP>> 150
<tb> 8 <SEP> 60 <SEP>> <SEP> 150 <SEP>> 150
<tb> 4 <SEP> 64 <SEP>> 150 <SEP>> 150
<tb> 2 <SEP> 69 <SEP>> 150 <SEP>> 150
<tb> 1 <SEP> 78 <SEP>> 150 <SEP>> 150
<tb> Limit <SEP> from <SEP> dice-49 <SEP>> 250 <SEP>> 150
<tb> training
<tb> Sample-A-32 <SEP> 4 <SEP> 8 <SEP> 11
<tb> Lignosulfonate <SEP> to <SEP> 16 <SEP> 4 <SEP> 11 <SEP> 16
<tb> 2.5% <SEP> in <SEP> weight <SEP> 8 <SEP> 5 <SEP> 11 <SEP> 17
<tb> (Borresperse <SEP> NA)
<SEP> 4 <SEP> 6 <SEP> 12 <SEP> 18
<tb> 2 <SEP> 7 <SEP> 14 <SEP> 23
<tb> 1 <SEP> 9 <SEP> 16 <SEP> 23
<tb> Limit <SEP> from <SEP> dice-2 <SEP> 3.5 <SEP> 15.0
<tb> training
<tb> Sample-BProduct <SEP> from <SEP> con-32 <SEP> 18 <SEP> 17 <SEP> 26
<tb> density <SEP> 16 <SEP> 20 <SEP> 21 <SEP> 27
<tb> naphthalene-8 <SEP> 25 <SEP> 23 <SEP> 26
<tb> formaldehyde <SEP> 4 <SEP> 27 <SEP> 24 <SEP> 25
<tb> sulfonated <SEP> to <SEP> 2 <SEP> 32 <SEP> 28 <SEP> 27
<tb> 2.5% <SEP> in <SEP> weight <SEP> l <SEP> 39 <SEP> 34 <SEP> 33
<tb> (Mighty)
<tb> Limit <SEP> from <SEP> 28 <SEP> 28 <SEP> 43
<tb> distortion
<tb> Product-Sample <SEP> from <SEP> con-32 <SEP> 21 <SEP> 57 <SEP> 5
<tb> density <SEP> 16 <SEP> 32 <SEP> 63 <SEP> 61
<tb> melamine-8 <SEP> 33 <SEP> 68 <SEP> 64
<tb> formaldehyde <SEP> 4 <SEP> 36 <SEP> 74 <SEP> 69
<tb> sulfonated <SEP> to <SEP> 2 <SEP> 42 <SEP> 81 <SEP> 76
<tb> 2,
5% <SEP> in <SEP> weight <SEP> 1 <SEP> 49 <SEP> 91 <SEP> 88
<tb> (Rescon <SEP> H <SEP> P)
<tb> Limit <SEP> from <SEP> dice-32 <SEP> 63 <SEP> 72
<tb> training
<tb>
As can be seen from the above data, the microsilica tends to form with water a thixotropic mixture and thus frequently has the effect of
<Desc / Clms Page number 17>
gel the aqueous dispersion. When the dispersion gels, it is no longer satisfactory, because in practice it is then very difficult to pump it from the reserve.
It was very surprising and unexpected to find that the high performance water reducing agent in samples B and C and the ordinary water reducing agent in sample A are effective in mitigating the tendency of the aqueous dispersion to gel as often seen when the microsilica is alone in aqueous dispersion.
The assumption is that during the formation of the mixture, the high performance and ordinary water reducing agents tend to be applied to the surface of the microsilica particles and thereby effectively mitigate the tendency of the dispersion to gel. Experience has shown that when the deformation point in the above table is close to approximately 25, the aqueous dispersion is exactly suitable for the purposes of the invention and that the aqueous suspension is satisfactory to a point of deformation of approximately 75. When the deformation point is greater than approximately 100, it becomes difficult to pump the dispersion and the latter is not considered satisfactory for the purposes of the invention.
According to the invention, the aqueous dispersion of microsilica is stabilized and its tendency to gelation can be markedly attenuated or even suppressed by incorporation of approximately 0.1% to approximately 10.0% and preferably approximately 2.0 % to about 5.0% of the high performance or ordinary water reducing agent (on a dry basis) based on the weight of the microsilica in the aqueous dispersion. Typically, the amount of microsilica in the aqueous dispersion ranges from as little as 5% to about 80% by weight.
<Desc / Clms Page number 18>
One or more high performance or ordinary water reducing agents can be used alone or together to stabilize the microsilica mixture in aqueous dispersion. When the mixture in aqueous dispersion is used as an additive for concrete or mortar, the quantity of high performance or ordinary water reducing agent can exceed 10% by weight and as indicated above, can range from about 0.5% to 0.40% of the weight of the mixture in aqueous dispersion.
The quantity of mixture according to the invention which must be added to the mortar or to the conventional fresh concrete varies with the envisaged application. The amount of mixture to be added depends on the weight of the cement in the mortar or concrete.
In general, the mixture in accordance with the invention is added and incorporated in an amount sufficient in the mortar or in the fresh concrete to provide approximately 2.0% to approximately 100%, preferably approximately 2% to 25% by weight of dry microsilica, based on the weight of the concrete cement and about 0.1 to about 5% by weight of a high performance or ordinary water reducing agent, alone or together, based on the weight of the cement in the concrete or mortar.
In accordance with current industrial practice, the optimal quantity of the constituents in the mixture and the quantity of this mixture in the specified interval which must be added to the concrete, taking into account the materials available, is to be determined by tests which imitate the conditions atmosphere and construction techniques on site. Conventional tests are applied to show the effect of mixing on concrete from a practical point of view in terms of concrete air content, consistency, water exudation and possible loss
<Desc / Clms Page number 19>
air through fresh concrete, curing speed, compressive and flexural strength, frost and thaw resistance, shrinkage on drying and permissible chloride content.
The conventional addition of ordinary, high-performance water-reducing agents often results in the concrete exaggeratingly exaggerating and undergoing segregation, as shown by a fine aqueous paste which is unsuitable for retaining coarse aggregate particles. It is also known that most common high performance water reducing agents tend to exert a plasticizing effect by reducing the surface tension of the water in concrete. This can lead to separation of coarse aggregate particles, to poor
EMI19.1
e te of resistance to freezing and thawing, loss to pumping, poor resistance to abrasion, difficulties of smoothing and a poor surface texture after casting in place.
The addition of microsilica provided by the mixture according to the invention, due to its great fineness, increases the specific surface of the solids per unit volume of water and therefore ensures better separation and suspension of the coarse aggregate particles. and thus leads to an increase in plasticity and workability by modifying the interaction between the particles. As the mixture of cement, water and premix in accordance with the invention contains a greater number of solids per unit volume, the paste is less aqueous and tends less to segregation. Exudation is reduced by the microsilica which immobilizes the water in the dough. As a result, the mixture is homogeneous, highly openable and suitable for being pumped and tends less to exudate.
<Desc / Clms Page number 20>
The compressive strength achieved by concrete containing the mixture according to the invention is generally greater than that which can be expected by adding the increments in strength due to the contribution of each constituent separately. The reason why this has not been fully understood, but the assumption is that the high performance or ordinary water reducing agent ensures better distribution of the microsilica particles in the mass of the concrete and that some synergistic effects may manifest between the constituents of the mixture of the invention.
The mixture according to the invention is advantageously used in ordinary fresh concrete and is incorporated into them according to the usual techniques currently applied for mixing concrete. For example, an aqueous dispersion mixture containing 45 kg of microsilica, 8 kg of dry Lomar D (high performance water reducing agent which is a naphthalene-formaldehyde sulfonated condensation product) and 22 liters of water can be added and incorporated into ordinary fresh concrete containing 450 kg of Portland cement type I without any other additive. The resulting fresh concrete, which has a water to cement ratio of 0.35 on a weight basis, has good workability, good consistency and does not show segregation in the fresh state.
In the hardened state, the compressive strength after 28 days is normally high and is of the order of 82 MPa, while the freeze-thaw resistance is surprisingly high, even in the absence of entrained air. The concrete mixture contains 10% microsilica (dry base) and approximately 1.5% Lomar D (dry base) based on the weight of cement in the concrete mixture. The decrease in permeability of the resulting mixture increases the resistance to
<Desc / Clms Page number 21>
penetration of water and aggressive chemical agents and thus makes the properties of resistance to freezing and thawing superior to those of a concrete or mortar not containing the mixture of microsilica in aqueous dispersion.
The mixture according to the invention is pre-
EMI21.1
mixed in determined optimal mixed in prop ees by d-- traditional tests in the industry so as to obtain a single distribution system instead of the three or four distribution systems necessary on site according to current practice. The distribution of all the additives can be carried out in a single operation using the mixture according to the invention in which the constituents are in uniform and homogeneous dispersion, while the various constituents must be added traditionally in succession to avoid the flocculation. The mixture according to the invention shortens the loading time of the trucks and reduces the risk of error because a single addition is sufficient instead of three or four for loading.
Storage facilities are simplified and quality control is improved by the fact that a single manufacturer supplies all the additives in the single mixture according to the invention, which eliminates the disadvantage of contamination of the storage containers. Another advantage of the mixture according to the invention presented in aqueous dispersion is that it eliminates the release of fine dust on the site. However, for relatively small sites, the dry particulate mixture can be presented in bags of 40 to 50 kg and thus delivered on site.
The capacity of the mixture according to the invention to confer better resistance to sulphate and better resistance to alkali-silica reactions in
<Desc / Clms Page number 22>
the concrete added to it is attributable to the favorable effects of the microsilica mixture.
Since the mixture according to the invention can be used under conditions which increase the setting time to an inconvenient extent, accelerators can be added to this mixture to ensure the most favorable characteristics of setting and rapid acquisition of resistance. In addition, it may be advantageous to slow down the setting of fresh concrete, for example for the bridge deck, so that hardening takes place after completion of the laying and finishing operations.
The mixture according to the invention is prepared to order using the most favorable constituents, taken in the most judicious quantities, for the concrete to be used in a particular site. The various known additives in common use for concrete and mortar can be incorporated into the mixture according to the invention.
Known accelerators, such as calcium chloride, calcium nitrate and calcium formate, can be incorporated into the mixture with the essential constituents in the amounts commonly used in industry, which are indicated by standardized tests for determine the optimal amount for the intended application. One or more accelerators can form about 5% to about 20% by weight, based on the weight of the microsilica in the mixture.
Retardants, such as sugar in the form of glucose or sucrose, traditionally used in fresh concrete and mortar, can also be incorporated into the mixture in the optimal quantities determined according to standardized tests. One or more retarders can be taken in quantities of approximately
<Desc / Clms Page number 23>
5% to about 20% by weight, based on the weight of the microsilica in the mixture.
If desired, air entraining agents, such as Vinsol resin or Darex, which is a sulfonated fatty acid from fats, can be incorporated into the mixture according to the invention for particular applications where a specified amount of entrained air may be desirable.
One or more air entrainers may be present in an amount of from about 0.5% to about 2% by weight, based on the weight of the microsilica.
One or more additives, taken individually or jointly, with other additives can be incorporated into the essential constituents of the mixture according to the invention. The compatibility and consistency of the mixture are determined according to the usual tests, as is the final effect on the concrete or mortar to be used in particular for the envisaged construction.
The mixture in accordance with the invention may contain different proportions of the constituents envisaged, but in order to benefit from the advantages of the invention, the quantity of mixture incorporated into ordinary fresh concrete must be sufficient to provide approximately 2.0% to approximately 100% by weight of microsilica, based on the weight of the cement, and about 0.1% to about 5% by weight of one or more of the high performance or ordinary water reducing agents, alone or in combination, on the basis of the weight of the cement. Water or an organic liquid compatible with fresh concrete is preferably added to the mixture in an amount sufficient to form a dispersion in which the essential constituents are in uniform and homogeneous suspension.
Accelerators, retarders, air entrainers and
<Desc / Clms Page number 24>
other conventional additives are mixed with the essential constituents of the mixture of the invention in an amount suitable for establishing the desired concentration in the fresh concrete. In all cases, the optimal quantity of the constituents in the mixture according to the invention is determined according to the usual techniques under simulated ambient conditions for the available materials and taking into account the construction methods applied.
Although various embodiments and details have been described to illustrate the invention, it goes without saying that it is susceptible of numerous variants and modifications without departing from its scope.