FR2796065A1 - REINFORCED MATERIAL BASED ON HYDRAULIC BINDER, ESPECIALLY CONCRETE, CORRESPONDING COMPOSITION AND PROCESS FOR PREPARATION - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention est relative à un matériau renforcé durci à base d'un liant hydraulique silico-aluminate de calcium, une composition cimentaire, un béton renforcé et un procédé de préparation d'un tel matériau renforcé ou d'un tel béton. The present invention relates to a hardened reinforced material based on a calcium silico-aluminate hydraulic binder, a cementitious composition, a reinforced concrete and a process for preparing such a reinforced material or concrete.
Dans tout ce qui suit, on utilise les notations abrégées classiques: - C pour CaO, - P pour P205, - HAp pour l'hydroxyapatite, de formule Calo(P04)6(OH)2, substituée ou non, - H pôur H20, - S pour Si02. In what follows, the standard abbreviated notation is used: C for CaO, P for P205, HAp for hydroxyapatite, of the formula Calo (P0 4) 6 (OH) 2, substituted or not, H 2 for H 2 O S for SiO 2.
Ces notations seront systématiquement utilisées par la suite, sauf indication contraire explicite. These ratings will be systematically used later, unless explicitly stated otherwise.
Une technique souvent utilisée consiste à renforcer des bétons au moyen de micro-renforts exogènes tels que par exemple de la Wollastonite (CS). A technique often used consists of reinforcing concretes by means of exogenous micro-reinforcements such as, for example, Wollastonite (CS).
Pour obtenir des propriétés mécaniques satisfaisantes, une quantité suffisante de ces micro-renforts doit être employée, ce qui a des répercussions sur les coûts ainsi que sur la dépendance vis- à-vis des sources, à la fois en termes géographiques (certaines sources étant inactives) et commerciaux (fournisseurs). To obtain satisfactory mechanical properties, a sufficient quantity of these micro-reinforcements must be used, which has repercussions on the costs as well as on the dependence on the sources, both in geographical terms (some sources being inactive) and commercial (suppliers).
Par ailleurs, pour renforcer certains matériaux, tels que, par exemple, du ciment dentaire ou du ciment pour prothèse, il est connu d'utiliser un mélange de phosphate tétracalcique pur synthétisé et d'autres constituants appropriés, par hydratation. Le phosphate tétracalcique hydraté présente la propriété de générer de l'hydroxyapatite et de la Portlandite CH, selon la réaction: 3(C4P+H) -<B>-></B> HAP+2CH. Moreover, to reinforce certain materials, such as, for example, dental cement or cement for prosthesis, it is known to use a mixture of pure tetracalcium phosphate synthesized and other suitable constituents, by hydration. The hydrated tetracalcium phosphate has the property of generating hydroxyapatite and CH-Portlandite, according to reaction 3 (C4P + H) -> -> PAH + 2CH.
L'addition des constituants mélangés au C4P est nécessaire, car le C4P isolément ne permettrait pas d'obtenir une vitesse de réaction satisfaisante. Cette technique requiert cependant une préparation précise du mélange et nécessite la manipulation de plusieurs produits. De plus, elle n'est pas adaptée à la préparation de bétons ou d'autres matériaux à base d'un liant hydraulique silico-aluminate de calcium. The addition of the C4P-mixed components is necessary since C4P alone would not provide a satisfactory reaction rate. This technique, however, requires precise preparation of the mixture and requires the handling of several products. In addition, it is not suitable for the preparation of concretes or other materials based on a silico-aluminate calcium hydraulic binder.
L'invention vise un matériau renforcé durci à base durci à base d'un liant hydraulique silico-aluminate de calcium, ayant des propriétés mécaniques améliorées, et pouvant avoir notamment de bonnes résistances en flexion et en compression. L'invention a plus précisément pour objet un tel matériau comprenant un micro- autorenfort minéral développé in situ, procurant une grande cohésion et une bonne adhésion avec la matrice formée par le liant hydraulique. The invention relates to a hardened reinforced hardened base material based on a hydraulic silico-aluminate calcium binder, having improved mechanical properties, and may have in particular good flexural and compressive strengths. The invention more specifically relates to such a material comprising a micro-self-mineral developed in situ, providing a high degree of cohesion and good adhesion with the matrix formed by the hydraulic binder.
Le matériau renforcé de l'invention peut permettre, en combinant le micro-autorenfort minéral in situ et des micro-renforts exogènes, tels que par exemple de la wollastonite (CS), d'obtenir un gain de performance supérieur à celui procuré par l'ajout d'une plus grande quantité des micro-renforts exogènes, ce qui représente un avantage économique et stratégique. En effet, le matériau renforcé est économique car il permet de diminuer les quantités des micro-renforts exogènes et il est stratégique car il permet de réduire la dépendance vis-à-vis des sources de ces micro-renforts exogènes. The reinforced material of the invention can, by combining the inorganic micro-self-backing in situ and exogenous micro-reinforcements, such as for example wollastonite (CS), to obtain a performance gain greater than that obtained by the addition of a larger quantity of exogenous micro-reinforcements, which represents an economic and strategic advantage. Indeed, the reinforced material is economical because it reduces the amounts of exogenous micro-reinforcements and is strategic because it reduces the dependence on sources of these exogenous micro-reinforcements.
Le matériau renforcé de l'invention peut aussi autoriser une formule robuste par la combinaison de micro-renforts exogènes et du micro-autorenfort minéral, dans laquelle les propriétés mécaniques optimales du matériau renforcé sont relativement stables par rapport à des variations des quantités de micro-renforts in situ et ex situ. The reinforced material of the invention may also allow a robust formula by the combination of exogenous micro-reinforcements and the mineral micro-self-backing, in which the optimum mechanical properties of the reinforced material are relatively stable with respect to variations in the microparticles. reinforcements in situ and ex situ.
L'invention s'applique en particulier à un béton renforcé pouvant avoir, grâce à la présence du micro-autorenfort minéral, un gain de plus de 40% sur la résistance en flexion et d'environ 15% sur la résistance en compression. The invention applies in particular to a reinforced concrete that can have, thanks to the presence of the micro-self-resilient mineral, a gain of more than 40% on the bending strength and about 15% on the compressive strength.
Le matériau renforcé de l'invention peut de plus être obtenu par un procédé aisé à mettre en oeuvre, impliquant une bonne reproductibilité de l'hydratation ainsi qu'une rhéologie et une durabilité satisfaisantes et faiblement sensible à des variations de quelques pourcents des constituants utilisés. L'invention vise également une composition cimentaire et un procédé de préparation d'un matériau renforcé ou d'un béton selon l'invention. The reinforced material of the invention may furthermore be obtained by a process that is easy to implement, involving a good reproducibility of the hydration as well as a satisfactory rheology and durability and a slight sensitivity to variations of a few percent of the constituents used. . The invention also relates to a cementitious composition and a process for preparing a reinforced material or a concrete according to the invention.
L'invention concerne ainsi un matériau renforcé durci à base d'un liant hydraulique silico-aluminate de calcium. The invention thus relates to a hardened reinforced material based on a silico-aluminate calcium hydraulic binder.
Selon l'invention le liant contient des grains de clinker broyé à base de phosphates de calcium, ces grains étant recouverts, après hydratation du liant et des grains, de fibres d'hydroxyapatite (HAp) et étant répartis de façon sensiblement homogène au sein des hydrates du liant hydraté. Ces grains ont avec les hydrates une interface cohésive dans laquelle les fibres recouvrant le grain et les hydrates sont intimement mélangés. According to the invention the binder contains crushed clinker grains based on calcium phosphates, these grains being covered, after hydration of the binder and the grains, with hydroxyapatite fibers (HAp) and being distributed in a substantially homogeneous manner within the Hydrates of the hydrated binder. These grains have with the hydrates a cohesive interface in which the fibers covering the grain and the hydrates are intimately mixed.
Le terme clinker désigne habituellement le produit de la cuisson de constituants à la sortie du four, avant broyage, mais nous entendons par ce terme également le produit broyé. The term clinker usually refers to the product of the baking of components at the exit of the furnace, before grinding, but we also understand by this term the crushed product.
De manière très surprenante, un renforcement très efficace du matériau est ainsi obtenu au moyen d'un produit à base de phosphates de calcium, alors que l'utilisation de C4P pur serait peu efficace à cause de la lenteur de son hydratation et que l'addition au C4P de constituants connus pour d'autres types de matériaux que ceux à base d'un liant hydraulique silico-aluminate de calcium ne serait pas adaptée à la situation et aurait les inconvénients mentionnés plus haut. Surprisingly, a very effective reinforcement of the material is thus obtained by means of a product based on calcium phosphates, whereas the use of pure C4P would be inefficient because of the slow hydration thereof and that the addition to C4P of known constituents for other types of materials than those based on a calcium silico-aluminate hydraulic binder would not be adapted to the situation and have the drawbacks mentioned above.
L'interface cohésive entre les grains de clinker broyé et les hydrates du liant hydraté conduit à une bonne adhérence du micro- autorenfort, qui permet d'obtenir les propriétés mécaniques très favorables du matériau renforcé. L'amélioration des propriétés mécaniques s'explique par le fait que les grains de clinker ont une fonction d'organisation des hydrates, qui peut permettre une réduction des défauts ou vides dans le matériau et une orientation radiale des hydrates autour des grains. The cohesive interface between the crushed clinker grains and the hydrates of the hydrated binder leads to a good adhesion of the micro-self-support, which makes it possible to obtain the very favorable mechanical properties of the reinforced material. The improvement of the mechanical properties is explained by the fact that the clinker grains have a function of hydrate organization, which can allow a reduction of defects or voids in the material and a radial orientation of the hydrates around the grains.
Préférentiellement, le clinker de phosphates de calcium avant hydratation comprend en poids: # au moins 10% de phosphate tétracalcique (C4P), # au moins 5% d'hydroxyapatite (HAp), et # entre 0,5% et 5% de chaux libre (C). Preferably, the clinker of calcium phosphates before hydration comprises by weight: # at least 10% of tetracalcium phosphate (C4P), # at least 5% of hydroxyapatite (HAp), and # between 0.5% and 5% of lime free (C).
Un tel clinker permet d'obtenir d'étonnantes performances et, utilisé indépendamment de tout autre constituant, produit un micro- autorenfort minéral très efficace. II constitue un clinker réactif permettant de fabriquer in situ des fibres d'hydroxyapatite. Such a clinker makes it possible to obtain astonishing performances and, used independently of any other constituent, produces a very effective mineral micro-self-support. It constitutes a reactive clinker making it possible to manufacture in situ hydroxyapatite fibers.
Ce clinker peut avoir les avantages suivants: - bonne réactivité; cinétique et avancement de la réaction, - bonne reproductibilité de l'hydratation, - rhéologie et durabilité satisfaisantes, - fabrication aisée à mettre en oeuvre, - reproductibilité de la fabrication du produit, et - faible sensibilité à des variations de quelques pourcents des constituants utilisés pour fabriquer ce produit. This clinker can have the following advantages: - good reactivity; kinetics and progress of the reaction, - good reproducibility of the hydration, - satisfactory rheology and durability, - easy manufacture to be carried out, - reproducibility of the manufacture of the product, and - low sensitivity to variations of a few percent of the constituents used to make this product.
L'introduction du clinker dans une composition cimentaire à base de liant hydraulique silico-aluminate de calcium permet de créer, après gâchage avec de l'eau, une matrice très cohésive et une bonne adhésion des fibres à la matrice. The introduction of the clinker in a cementitious composition based on calcium silico-aluminate hydraulic binder makes it possible to create, after mixing with water, a very cohesive matrix and a good adhesion of the fibers to the matrix.
<B>Il</B> offre alors les avantages traditionnellement obtenus avec le phosphate tétracalcique: - faible consommation d'eau nécessaire pour l'hydratation, - stabilité chimique des fibres d'hydroxyapatite, y compris à des pH élevés (supérieurs à 12,5). <B> It </ B> then offers the advantages traditionally obtained with tetracalcium phosphate: - low consumption of water necessary for hydration, - chemical stability of hydroxyapatite fibers, including at high pH (above 12 , 5).
Mais, par rapport à l'utilisation de C4P pur, ce clinker améliore considérablement la réactivité et la force de cohésion produite par l'hydratation (résistance mécanique). On peut expliquer l'importante accélération de la cinétique d'hydratation du clinker par rapport au C4P pur par les facteurs suivants: - présence de germes de HAp déjà contenus dans le clinker: effet d'ensemencement et aussi recouvrement des grains de C4P à un taux d'avancement plus grand, - présence de chaux libre qui s'hydrate rapidement en CH, ce qui produit aussi des germes pour CH. But, compared to the use of pure C4P, this clinker considerably improves the reactivity and cohesion force produced by hydration (mechanical resistance). The significant acceleration of the hydration kinetics of clinker compared to pure C4P can be explained by the following factors: - presence of HAp seeds already contained in the clinker: seeding effect and also the recovery of C4P grains at a rate of higher rate of progress, - presence of free lime which rapidly hydrates in CH, which also produces germs for CH.
La présence du calcium libérée par l'hydratation du liant hydraulique silico-aluminate de calcium ralentit le degré d'avancement de l'hydratation du clinker, mais n'empêche pas d'obtenir le matériau renforcé de l'invention, dans la mesure où l'hydratation des grains de clinker intervient suffisamment tôt par rapport à celle du liant hydraulique. The presence of the calcium released by the hydration of the calcium silico-aluminate hydraulic binder slows down the degree of progress of hydration of the clinker, but does not preclude obtaining the reinforced material of the invention, insofar as hydration clinker grains occurs early enough compared to that of the hydraulic binder.
De plus, on constate que ce clinker de l'invention permet de générer des fibres quasi amorphes de HAp (1 à 4 #Lm), alors qu'avec du C4P pur, la taille des fibres d'hydroxyapatite est généralement inférieure à 1 pm, du fait de sursaturations plus fortes vis-à-vis de l'hydroxyapatite. En présence du liant hydraulique, les fibres de HAp ont une taille plus faible, par exemple inférieure à 2 pm en présence de ciment Portland. Cette diminution s'explique par l'ajout de calcium, qui conduit à des sursaturations plus grandes vis-à-vis de l'hydroxyapatite. In addition, it is found that this clinker of the invention makes it possible to generate quasi-amorphous fibers of HAp (1 to 4 #Lm), whereas with pure C4P, the size of the hydroxyapatite fibers is generally less than 1 μm. because of higher supersaturations with respect to hydroxyapatite. In the presence of the hydraulic binder, the HAp fibers have a smaller size, for example less than 2 μm in the presence of Portland cement. This decrease is explained by the addition of calcium, which leads to greater supersaturations with respect to hydroxyapatite.
Préférentiellement, le clinker comprend aussi du phosphate tricalcique (C3P) ou une solution solide C3P-C2S, en quantité au plus égale à 25 % en poids. Preferably, the clinker also comprises tricalcium phosphate (C3P) or a solid solution C3P-C2S, in an amount at most equal to 25% by weight.
La solution solide C3P-C2S est obtenue dans un système contenant de la silice. The C3P-C2S solid solution is obtained in a system containing silica.
Dans un mode de réalisation préféré, le clinker comprend en poids: - au plus 75 % de phosphate tétracalcique (C4P), - au plus 50 % d'hydroxyapatite (HAp), et - au plus 25 % de phosphate tricalcique (C3P) ou d'une solution solide C3P-C2S. In a preferred embodiment, the clinker comprises by weight: at most 75% of tetracalcium phosphate (C4P), at most 50% of hydroxyapatite (HAp), and at most 25% of tricalcium phosphate (C3P); of a solid solution C3P-C2S.
Préférentiellement, selon une autre définition du clinker de phosphates de calcium avant hydratation, celui-ci comporte une répartition de phases minéralogiques telle que lors d'une hydratation à 20 C du clinker broyé avec une finesse de 25 #tm pour 50 % en poids de passant au tamis (d50 = 25 pm), à masses égales d'eau et de clinker, le flux de chaleur dégagé en fonction du temps présente: - un premier pic exothermique initial et un deuxième pic exothermique observé avant 1 h 30 à compter du début de l'hydratation, et - un taux d'avancement de la réaction d'hydratation au moins égal à 30 % à la fin de l'apparition de ce deuxième pic exothermique. Preferably, according to another definition of the calcium phosphate clinker before hydration, it comprises a distribution of mineralogical phases such as during hydration at 20 C milled clinker with a fineness of 25 #tm for 50% by weight of passing through the sieve (d50 = 25 μm), with equal masses of water and clinker, the heat flux released as a function of time has: - a first initial exothermic peak and a second exothermic peak observed before 1 h 30 from the beginning of the hydration, and a progress rate of the hydration reaction at least equal to 30% at the end of the appearance of this second exothermic peak.
La réactivité d'un tel clinker est particulièrement bonne, notamment en comparaison de phosphate tétracalcique pur. Ce clinker peut être du type défini précédemment par sa minéralogie, et il est d'ailleurs avantageusement conforme aux définitions précédentes. The reactivity of such a clinker is particularly good, particularly in comparison with pure tetracalcium phosphate. This clinker may be of the type defined previously by its mineralogy, and it is moreover advantageously in accordance with the preceding definitions.
Le clinker de phosphates de calcium a une granulométrie préférentiellement comprise entre 5 pm et 200 pm pour 50 % en poids de passant au tamis. The calcium phosphate clinker has a particle size of preferably between 5 μm and 200 μm for 50% by weight of sieve pass.
Dans une forme de réalisation préférée, le matériau renforcé selon l'invention est un béton. In a preferred embodiment, the reinforced material according to the invention is a concrete.
Le clinker du matériau renforcé de l'invention est avantageusement obtenu par le procédé de fabrication suivant: - on prépare un cru à partir d'une source de phosphate et d'une source de calcium adaptées à la minéralogie désirée, et - on effectue une cuisson de ce cru avec au moins un palier de température ayant un niveau et une durée appropriés pour obtenir ce clinker. The clinker of the reinforced material of the invention is advantageously obtained by the following manufacturing method: a raw material is prepared from a source of phosphate and a source of calcium adapted to the desired mineralogy, and a cooking of this raw material with at least one temperature stage having a level and duration suitable for obtaining this clinker.
Selon différentes formes de mise en oeuvre, le cru comporte des produits déjà purifiés ou des minerais naturels. Dans une forme avantageuse de mise en oeuvre, le cru est un cru stoechiométrique vis-à-vis du rapport CIP du C4P. According to different forms of implementation, the raw material includes already purified products or natural ores. In an advantageous form of implementation, the raw is a stoichiometric raw vis-à-vis the CIP C4P report.
Préférentiellement, les paliers de température comprennent un palier supérieur ayant un niveau compris entre 1 300 C et 1 500 C et une durée comprise entre 0 h 30 et 15 heures. Preferably, the temperature stages comprise an upper stage having a level of between 1300 ° C. and 1500 ° C. and a duration of between 0 h 30 and 15 hours.
Dans un mode de mise en oeuvre particulièrement avantageux, le palier supérieur a un niveau environ égal à 1 400 C et une durée environ égale à 3 heures. In a particularly advantageous embodiment, the upper plateau has a level of about 1400 C and a duration of about 3 hours.
Une autre forme particulièrement avantageuse, utilisant ou non ce palier supérieur, est telle que la cuisson comprend: - une première montée à 600 Clh jusqu'à 900 C, - un palier intermédiaire d'1 heure à 900 C, - une seconde montée à 600 Clh jusqu'au palier supérieur, - le palier supérieur, - un refroidissement à 1 000 Clh jusqu'à 1 100 C, et - une trempe à l'air ou un refroidissement lent. Another particularly advantageous form, using or not this upper bearing, is such that cooking comprises: a first rise at 600 Clh up to 900 ° C., an intermediate bearing of 1 hour at 900 ° C., a second rise at 600 Clh to the upper bearing, - the upper bearing, - cooling to 1000 Clh up to 1100 C, and - air quenching or slow cooling.
Dans une forme préférée de mise en oeuvre, le cru est obtenu au moyen d'un mélange de CaCO3 et de phosphate de calcium. Le cru est alors avantageusement obtenu au moyen d'un mélange de CaC03 et de CaHP04. Ce mélange peut être notamment homogénéisé par voie humide. In a preferred embodiment, the raw material is obtained by means of a mixture of CaCO3 and calcium phosphate. The raw material is then advantageously obtained using a mixture of CaCO 3 and CaHPO 4. This mixture may in particular be homogenized by the wet route.
L'invention porte aussi sur une composition cimentaire (a) à base d'un mélange de clinker de phosphates de calcium broyé et de liant hydraulique silico-aluminates de calcium destiné à la réalisation d'un matériau renforcé durci selon l'invention. Le clinker broyé et le liant hydraulique sont tels que la cinétique d'hydratation du clinker est plus rapide que la cinétique d'hydratation du liant hydraulique. The invention also relates to a cementitious composition (a) based on a mixture of crushed calcium phosphate clinker and calcium silico-aluminate hydraulic binder intended for producing a hardened reinforced material according to the invention. The milled clinker and the hydraulic binder are such that the kinetics of hydration of the clinker is faster than the kinetics of hydration of the hydraulic binder.
Ainsi, le micro-autorenfort produit par le clinker broyé est créé avant la prise induite par le liant hydraulique, ce qui permet de donner toute son efficacité au clinker. Thus, the micro-self-relief produced by the milled clinker is created before the setting induced by the hydraulic binder, which makes it possible to give the clinker its full effectiveness.
Cette composition est avantageusement obtenue par mélange ou co-broyage. This composition is advantageously obtained by mixing or co-grinding.
Avantageusement le liant hydraulique est constitué d'un ciment Portland, d'un ciment composé et/ou d'un ciment alumineux. La prise produite par le ciment a alors souvent lieu entre 2 et 3 heures à compter du début de l'hydratation. Le clinker utilisé permet d'obtenir une cinétique d'hydratation plus rapide que celle du ciment. Advantageously, the hydraulic binder consists of a Portland cement, a composite cement and / or an aluminous cement. The setting produced by the cement then often takes place between 2 and 3 hours from the beginning of the hydration. The clinker used makes it possible to obtain hydration kinetics faster than that of cement.
Par ordre de préférence, le clinker dans la composition cimentaire (a) représente en poids du ciment sec: # entre 2% et 50%, # entre 5% et 15%, et # environ 7%. In order of preference, the clinker in the cementitious composition (a) represents by weight dry cement: # between 2% and 50%, # between 5% and 15%, and # about 7%.
L'invention concerne également un béton renforcé constitué d'une matrice cimentaire durcie obtenue par l'hydratation d'une composition cimentaire selon l'invention. Dans un premier mode de réalisation préférée, le béton renforcé de l'invention contient en outre: # des éléments granulaires; # des éléments à réaction pouzzolanique ayant une taille de particules élémentaires d'au plus 1 pm , de préférence d'au plus 0,5 pm; # au moins un agent dispersant; et répondant aux conditions suivantes: (1) le pourcentage en poids de l'eau E par rapport au poids cumulé de la composition cimentaire et des éléments à réaction pouzzolanique est compris dans la gamme 8- 24%; (2) l'ensemble des constituants présente une taille de grain d75 d'au plus 2 mm, de préférence d'au plus 1 mm, et une taille de grain d50 d'au plus 200 pm, de préférence d'au plus 150 pm. The invention also relates to a reinforced concrete consisting of a hardened cementitious matrix obtained by the hydration of a cementitious composition according to the invention. In a first preferred embodiment, the reinforced concrete of the invention further contains: # granular elements; pozzolanic reaction elements having an elementary particle size of at most 1 μm, preferably at most 0.5 μm; at least one dispersing agent; and satisfying the following conditions: (1) the weight percentage of water E relative to the cumulative weight of the cementitious composition and the pozzolanic reaction elements is in the range 8-24%; (2) all of the components have a grain size d75 of at most 2 mm, preferably at most 1 mm, and a grain size d50 of at most 200 μm, preferably at most 150 pm.
Par taille des grains d75 et d50, on entend respectivement les tailles des tamis dont le passant constitue respectivement 75% et 50<B>%</B> du volume total des grains. By size of the grains d75 and d50 is meant the sieve sizes respectively, the passer of which respectively constitutes 75% and 50% of the total volume of the grains.
Dans un deuxième mode de réalisation préféré du béton de l'invention, celui-ci contient outre la composition cimentaire (a): (b) des éléments granulaires; (c) des éléments à réaction pouzzolanique ayant une taille de particules élémentaires d'au plus 1 pm, de préférence d'au plus 0,5 pm; (d) des constituants capables d'améliorer la ténacité de la matrice choisis parmi des éléments aciculaires ou plaquettaires ayant une taille moyenne d'au plus 1 mm, et présents dans une proportion volumique comprise entre 2,5 et 35% du volume cumulé des éléments granulaires (b) et des éléments à réaction pouzzolanique (c); (e) au moins un agent dispersant; et répondant aux conditions suivantes: (1) le pourcentage en poids de l'eau E par rapport au poids cumulé du ciment (a) et des éléments (c) est compris dans la gamme 8-24%; (2) l'ensemble des constituants (a), (b), (c) et (d) présente une taille de grain d75 d'au plus 2 mm, de préférence d'au plus 1 mm, et une taille de grain d50 d'au plus 200 pm, de préférence d'au plus 150 pm. In a second preferred embodiment of the concrete of the invention, it contains in addition to the cementitious composition (a): (b) granular elements; (c) pozzolanic reaction elements having an elementary particle size of at most 1 μm, preferably at most 0.5 μm; (d) constituents capable of improving the toughness of the matrix chosen from acicular or platelet elements having an average size of at most 1 mm, and present in a volume proportion of between 2.5 and 35% of the cumulative volume of the granular elements (b) and pozzolanic reaction elements (c); (e) at least one dispersing agent; and satisfying the following conditions: (1) the weight percentage of water E relative to the cumulative weight of cement (a) and elements (c) is in the range 8-24%; (2) all of the components (a), (b), (c) and (d) have a grain size d75 of at most 2 mm, preferably at most 1 mm, and a grain size d50 of at most 200 μm, preferably at most 150 μm.
La condition (2) s'applique à tous les constituants solides (a), (b), (c) et (d) confondus, hors fibres, et non pour chacun séparément. Condition (2) applies to all solid constituents (a), (b), (c) and (d) combined, excluding fibers, and not for each separately.
La ténacité de la matrice cimentaire est obtenue par ajout à la composition cimentaire d'éléments (d) de taille moyenne d'au plus 1 mm, de préférence d'au plus 500 pm, se présentant sous une forme aciculaire ou sous forme de plaquettes. Ils sont présents dans une proportion volumique comprise dans la gamme 2,5-35%, en particulier dans la gamme 5-25% du volume cumulé des éléments granulaires (b) et des éléments à réaction pouzzolanique (c). The tenacity of the cementitious matrix is obtained by adding to the cementitious composition elements (d) of average size of at most 1 mm, preferably at most 500 μm, in acicular form or in the form of platelets. . They are present in a volume proportion in the range 2.5-35%, in particular in the range 5-25% of the cumulative volume of granular elements (b) and pozzolanic reaction elements (c).
Ces éléments, compte-tenu de leur fonction d'amélioration de la ténacité de la matrice, seront dénommés ci-après dans la description éléments renforts . These elements, given their function of improving the toughness of the matrix, will be referred to below in the description reinforcing elements.
Leur taille, leur nature, leur forme, leur composition chimique, leurs propriétés géométriques, les résultats obtenus et leur éventuel traitement de surface avec la nature de ces traitements et leurs composés correspondants sont décrits dans les demandes de brevet internationales des Demanderesses PCTIFR98/02552 et PCT/FR99101145. Their size, their nature, their shape, their chemical composition, their geometric properties, the results obtained and their possible surface treatment with the nature of these treatments and their corresponding compounds are described in the international patent applications of Applicants PCTIFR98 / 02552 and PCT / FR99101145.
Préférentiellement, dans le premier ou le deuxième mode de réalisation, le béton comprend aussi des fibres métalliques et/ou organiques. Preferably, in the first or the second embodiment, the concrete also comprises metal and / or organic fibers.
Dans un troisième mode de réalisation préféré, le béton, dans lequel sont réparties des fibres métalliques contient outre la composition cimentaire (a): (b) des éléments granulaires; (c) des éléments à réaction pouzzolanique ayant une taille de particules élémentaires d'au plus 1 pm, de préférence d'au plus 0,5 pm; (d) des constituants capables d'améliorer la ténacité de la matrice choisis parmi des éléments aciculaires ou plaquettaires ayant une taille moyenne d'au plus 1 mm, et présents dans une proportion volumique comprise entre 2,5 et 35% du volume cumulé des éléments granulaires (b) et des éléments à réaction pouzzolanique (c); (e) au moins un agent dispersant: et répondant aux conditions suivantes: (1) le pourcentage en poids de l'eau E par rapport au poids cumulé de la composition cimentaire et des éléments (c) à réaction pouzzolanique est compris dans la gamme 8-24%; (2) les fibres métalliques présentent une longueur individuelle I d'au moins 2 mm et un rapport II0, <I>6</I> étant le diamètre des fibres métalliques, d'au moins 20; (3) le rapport (R) entre la longueur moyenne (L) des fibres et la taille de grain d75 de l'ensemble des constituants (a), (b), (c) et (d) est d'au moins 5, de préférence d'au moins 10; (4) la quantité de fibres est telle que leur volume est inférieur à 4% et de préférence à 3,5% du volume du béton après la prise; (5) l'ensemble des constituants (a), (b), (c) et (d) présente une taille de grain d75 d'au plus 2 mm, de préférence, d'au plus 1 mm, et une taille de grain d50 d'au plus 200 Nm, de préférence d'au plus 150 pm. In a third preferred embodiment, the concrete, in which metal fibers are distributed, contains in addition to the cementitious composition (a): (b) granular elements; (c) pozzolanic reaction elements having an elementary particle size of at most 1 μm, preferably at most 0.5 μm; (d) constituents capable of improving the toughness of the matrix chosen from acicular or platelet elements having an average size of at most 1 mm, and present in a volume proportion of between 2.5 and 35% of the cumulative volume of the granular elements (b) and pozzolanic reaction elements (c); (e) at least one dispersing agent: and satisfying the following conditions: (1) the weight percentage of the water E relative to the cumulative weight of the cementitious composition and the pozzolanic reaction elements (c) is included in the range 8-24%; (2) the metal fibers have an individual length I of at least 2 mm and a ratio II0, <I> 6 </ I> being the diameter of the metal fibers, of at least 20; (3) the ratio (R) between the average length (L) of the fibers and the grain size d75 of all the components (a), (b), (c) and (d) is at least 5 preferably at least 10; (4) the amount of fiber is such that its volume is less than 4% and preferably 3.5% of the volume of the concrete after setting; (5) all components (a), (b), (c) and (d) have a grain size d75 of at most 2 mm, preferably at most 1 mm, and a size of d50 grain of at most 200 Nm, preferably at most 150 pm.
Dans un quatrième mode de réalisation préféré du béton, dans lequel sont réparties des fibres organiques, celui-ci contient outre la composition cimentaire (a): (b) des éléments granulaires ayant une grosseur de grain maximale (D) d'au plus 2 mm, de préférence d'au plus 1 mm; (c) des éléments fins à réaction pouzzolanique ayant une taille de particules élémentaires d'au plus 1 pm, de préférence d'au plus 0,5 pm; (e) au moins un agent dispersant, et répondant aux conditions suivantes: (1) le pourcentage en poids de l'eau par rapport au poids cumulé de la composition cimentaire (a) et des éléments (c) à réaction pouzzolanique est compris entre 8 et 25%; (2) les fibres organiques présentent une longueur individuelle I d'au moins 2 mm et un rapport 1I6, <I>0</I> étant le diamètre des fibres organiques, d'au moins 20; (3) le rapport (R) entre la longueur moyenne (L) des fibres et la grosseur de gain maximale D des éléments granulaires est d'au moins 5; (4) la quantité de fibres organiques est telle que leur volume représente au plus 8% du volume du béton après la prise. Dans un cinquième mode de réalisation préféré du béton, dans lequel sont réparties des fibres organiques, celui-ci contient outre la composition cimentaire (a): (b) des éléments granulaires ayant une grosseur de grain maximale (D) d'au plus 2 mm, de .préférence d'au plus 1 mm; (c) des éléments fins à réaction pouzzolanique ayant une taille de particules élémentaires d'au plus 1 pm, de préférence d'au plus 0,5 pm; (d) des constituants capables d'améliorer la ténacité de la matrice choisis parmi les éléments aciculaires ou plaquettaires ayant une taille moyenne d'au plus 1 mm, et présents dans une proportion volumique comprise entre 2,5 et 35% du volume cumulé des éléments granulaires (b) et des éléments à réaction pouzzolanique (c); (e) au moins un agent dispersant; et répondant aux conditions suivantes: (1) le pourcentage en poids de l'eau par rapport au poids cumulé de la composition cimentaire (a) et des éléments (b) est compris entre 8 et 25%; (2) les fibres organiques présentent une longueur individuelle I d'au moins 2 mm et un rapport II0, <I>0</I> étant le diamètre des fibres, d'au moins 20; (3) le rapport (R) entre la longueur moyenne (L) des fibres et la grosseur de grain maximale (D) des éléments granulaires est d'au moins 5; (4) la quantité de fibres est telle que leur volume représente au plus 8% du volume du béton après la prise. In a fourth preferred embodiment of the concrete, in which organic fibers are distributed, it contains in addition to the cementitious composition (a): (b) granular elements having a maximum grain size (D) of at most 2 mm, preferably at most 1 mm; (c) pozzolanic reaction fines having an elemental particle size of at most 1 μm, preferably at most 0.5 μm; (e) at least one dispersing agent, and satisfying the following conditions: (1) the weight percentage of water relative to the cumulative weight of the cementitious composition (a) and the pozzolanic reaction elements (c) is between 8 and 25%; (2) the organic fibers have an individual length I of at least 2 mm and a ratio 1I6, <I> 0 </ I> being the diameter of the organic fibers of at least 20; (3) the ratio (R) between the average length (L) of the fibers and the maximum gain size D of the granular elements is at least 5; (4) the amount of organic fibers is such that their volume is at most 8% of the concrete volume after setting. In a fifth preferred embodiment of the concrete, in which organic fibers are distributed, it contains in addition to the cementitious composition (a): (b) granular elements having a maximum grain size (D) of at most 2 mm, preferably not more than 1 mm; (c) pozzolanic reaction fines having an elemental particle size of at most 1 μm, preferably at most 0.5 μm; (d) constituents capable of improving the tenacity of the matrix chosen from acicular or platelet elements having an average size of at most 1 mm, and present in a volume proportion of between 2.5 and 35% of the cumulative volume of the granular elements (b) and pozzolanic reaction elements (c); (e) at least one dispersing agent; and satisfying the following conditions: (1) the weight percentage of water relative to the cumulative weight of the cementitious composition (a) and elements (b) is between 8 and 25%; (2) the organic fibers have an individual length I of at least 2 mm and an II0 ratio, <I> 0 </ I> being the diameter of the fibers, of at least 20; (3) the ratio (R) between the average length (L) of the fibers and the maximum grain size (D) of the granular elements is at least 5; (4) the amount of fiber is such that its volume does not exceed 8% of the concrete volume after setting.
Avantageusement, le béton selon le quatrième ou le cinquième mode de réalisation préféré présente en traction directe une ductilité, exprimée en termes de coefficient de ductilité 8, de 8 > 1,25. Advantageously, the concrete according to the fourth or fifth preferred embodiment has in direct traction a ductility, expressed in terms of ductility coefficient 8, of 8> 1.25.
De préférence, la ténacité de la matrice cimentaire est d'au moins 15 Jlm2, avantageusement d'au moins 20JIm2. Preferably, the toughness of the cementitious matrix is at least 15 μm 2, advantageously at least 20 μm 2.
La ténacité est exprimée soit en termes de contrainte (facteur d'intensité de contrainte: Kc), soit en termes d'énergie (taux critique d'énergie: Gc), en utilisant le formalisme de la Mécanique Linéaire de la Rupture. The tenacity is expressed either in terms of stress (stress intensity factor: Kc) or in terms of energy (critical energy rate: Gc), using the formalism of the Linear Mechanics of Breaking.
Dans le deuxième, le troisième ou le cinquième mode de réalisation préféré, les constituants (d) d'amélioration de la ténacité sont avantageusement de la wollastonite. In the second, the third or the fifth preferred embodiment, the components (d) for improving the toughness are advantageously wollastonite.
L'ajout de wollastonite (renforts ex-situ) en combinaison avec le clinker broyé (renforts in-situ) a pour avantage de produire des formules plus robustes en termes de propriétés mécaniques dans la mesure où les performances optimales sont moins sensibles à la quantités de clinker et/ou de wollastonite, sans dégrader les performances. The addition of wollastonite (ex-situ reinforcements) in combination with milled clinker (in-situ reinforcements) has the advantage of producing more robust formulas in terms of mechanical properties insofar as the optimal performances are less sensitive to the quantities clinker and / or wollastonite, without degrading performance.
Le liant hydraulique de la composition cimentaire (a) est avantageusement un ciment Portland tel que les ciments Portland CPA PMES, HP, HPR, CEM I PMES, 52,5 ou 52,5R ou HTS (haute teneur en silice). Ceci peut être aussi avantageusement un ciment composé ou un ciment alumineux. The hydraulic binder of the cementitious composition (a) is advantageously a Portland cement such as CPA Portland cements PMES, HP, HPR, CEM I PMES, 52.5 or 52.5R or HTS (high silica content). This can also be advantageously a compound cement or an aluminous cement.
Les éléments granulaires (b), les éléments fins à réaction pouzzolanique (c), le rapport en poids eau/ciment, les agents dispersants(e) et les additifs éventuels, avec leurs propriétés, leurs quantités et la technique de mesure des tailles des particules, sont décrites dans les demandes internationales de brevet des Demanderesses PCT/FR 98/02552 et PCT/FR 99I01145. La matrice peut contenir encore d'autres ingrédients à condition que ceux-ci ne perturbent pas les performances attendues du béton. The granular elements (b), the fine pozzolanic reaction elements (c), the water / cement weight ratio, the dispersing agents (e) and any additives, with their properties, their quantities and the technique for measuring the sizes of the particles, are described in the international patent applications of the Applicants PCT / FR 98/02552 and PCT / FR 99I01145. The matrix may contain other ingredients provided that these do not disturb the expected performance of the concrete.
Le béton selon le premier mode de réalisation préféré a avantageusement une résistance à la flexion comprise entre 18 et 26 MPa. Celui selon le deuxième mode de réalisation préféré a avantageusement une résistance à la flexion comprise entre 23 et 26 MPa. The concrete according to the first preferred embodiment advantageously has a flexural strength of between 18 and 26 MPa. That according to the second preferred embodiment advantageously has a flexural strength of between 23 and 26 MPa.
L'invention porte également sur un procédé de préparation d'un matériau renforcé selon l'invention ou d'un béton selon l'invention, dans lequel on ajoute au liant hydraulique le clinker broyé à base de phosphates de calcium. The invention also relates to a method for preparing a reinforced material according to the invention or a concrete according to the invention, in which is added to the hydraulic binder crushed clinker based on calcium phosphates.
L'invention sera mieux comprise et illustrée à l'aide de modes de réalisation et de mise en #uvre particuliers nullement limitatifs, en référence aux figures annexées sur lesquelles: - la Figure 1 représente un histogramme donnant la minéralogie d'un clinker utilisé pour un procédé de préparation d'un matériau renforcé selon l'invention, obtenu avec un palier supérieur de température d'une durée de 3 heures et en fonction de la température de ce palier; - la Figure 2 représente un histogramme de la minéralogie d'un clinker utilisé pour un procédé de préparation selon l'invention, obtenu avec un palier supérieur de température égal à 1 400 C et ayant une durée de 3 heures ou 15 heures ; - la Figure 3 montre la réactivité, sous forme du flux de chaleur (en mW/g) en fonction du temps (en minutes) lors d'une hydratation à 20 C, de C4P pur et de deux clinkers utilisés pour le procédé de préparation d'un matériau renforcé obtenus avec un palier supérieur de température de 3 heures et valant respectivement 1 300 C et 1 400 C, pour un broyage correspondant à d50 = 25 gym; - la Figure 4 montre la réactivité, sous forme du flux de chaleur (en mW/g) en fonction du temps (en minutes) lors d'une hydratation à 20 C, de deux mélanges d'un ciment Portland du type CPA-CEM 1 52.5 (ciment HTS à Haute Teneur en Silice) et d'un clinker obtenu avec un palier supérieur de température de 3 heures valant 1400 C; - la Figure 5 est une photo obtenue par micrographie par MET montrant l'interface entre l'HAp générée par l'hydratation d'un grain de clinker et le silicate de calcium hydraté (CSH) généré par l'hydratation des silicates de calcium dans un matériau renforcé selon l'invention; - la Figure 6 donne la résistance à la compression Rc (en MPa) de deux bétons respectivement sans et avec micro-renforts exogènes (wollastonite), renforcés conformément au procédé de préparation de l'invention au moyen d'un clinker broyé, en fonction de la quantité de ce clinker (en grammes par rapport à 2000 g de ciment); - la Figure 7 représente deux courbes donnant la résistance en flexion Rf à trois points (en MPa) de deux bétons respectivement sans et avec micro-renforts exogènes (wollastonite), renforcés conformément au procédé de préparation de l'invention au moyen d'un clinker broyé, en fonction de la quantité de ce clinker (en grammes par rapport à 2000 g de ciment); - la Figure 8 montre sous forme d'histogramme la ténacité (en JIm2) pour un béton comprenant des micro-renforts exogènes constitués de 20% de wollastonite et pour trois bétons sans micro- renforts exogènes mais renforcés par le procédé de préparation de l'invention au moyen d'un clinker broyé, ayant différentes teneurs en le clinker broyé. The invention will be better understood and illustrated with the aid of particular embodiments and implementations that are in no way limitative, with reference to the appended figures in which: FIG. 1 represents a histogram giving the mineralogy of a clinker used for a method for preparing a reinforced material according to the invention, obtained with an upper temperature step of a duration of 3 hours and as a function of the temperature of this stage; FIG. 2 represents a histogram of the mineralogy of a clinker used for a preparation process according to the invention, obtained with an upper temperature level equal to 1400 ° C. and having a duration of 3 hours or 15 hours; - Figure 3 shows the reactivity, in the form of the heat flow (in mW / g) as a function of time (in minutes) during a hydration at 20 C, pure C4P and two clinkers used for the preparation process a reinforced material obtained with an upper temperature step of 3 hours and respectively worth 1300 C and 1400 C, for a grinding corresponding to d50 = 25 gym; FIG. 4 shows the reactivity, in the form of the heat flux (in mW / g) as a function of time (in minutes) during a hydration at 20 ° C., of two mixtures of a Portland cement of the CPA-CEM type. 1 52.5 (High Silica HTS cement) and a clinker obtained with an upper temperature level of 3 hours of 1400 C; FIG. 5 is a photo obtained by TEM micrograph showing the interface between the HAp generated by the hydration of a clinker grain and the hydrated calcium silicate (CSH) generated by the hydration of calcium silicates in a reinforced material according to the invention; FIG. 6 gives the compressive strength Rc (in MPa) of two concretes respectively without and with exogenous micro-reinforcements (wollastonite), reinforced according to the preparation method of the invention by means of a milled clinker, according to the quantity of this clinker (in grams compared to 2000 g of cement); FIG. 7 represents two curves giving the three-point flexural strength Rf (in MPa) of two concretes respectively without and with exogenous micro-reinforcements (wollastonite), reinforced according to the preparation method of the invention by means of a clinker ground, depending on the quantity of this clinker (in grams compared to 2000 g of cement); FIG. 8 shows in the form of a histogram the tenacity (in JIm2) for a concrete comprising exogenous micro-reinforcements consisting of 20% of wollastonite and for three concretes without exogenous micro-reinforcements but reinforced by the process for the preparation of the invention by means of a milled clinker having different contents of the milled clinker.
Un clinker de phosphates de calcium est fabriqué, par exemple, de la manière suivante. Calcium phosphate clinker is manufactured, for example, as follows.
Dans une première étape, on effectue un mélange stoechiométrique vis-à-vis de C4P en CaC03 et CaHP04 homogénéisé par voie humide. In a first step, a stoichiometric mixture is made with C4P in CaCO3 and wet homogenized CaHPO4.
Dans une deuxième étape, on sèche ce mélange à 90 C en étuve. Dans une troisième étape, on effectue une cuisson en four à moufle dans un creuset de Pt. Cette troisième étape comprend les phases suivantes: - montée à 600 Clh jusqu'à 900 C, - palier d'1 h à 900 C, - montée à 600 C/h jusqu'à une valeur supérieure de température, - palier supérieur de température à la valeur supérieure de température, - refroidissement à 1 000 C/h jusqu'à 1 100 C et - trempe à l'air ou refroidissement lent. In a second step, this mixture is dried at 90 ° C. in an oven. In a third step, a muffle furnace is baked in a crucible of Pt. This third stage comprises the following phases: - rise to 600 Clh up to 900 C, - step of 1 hour at 900 ° C, - rise at 600 C / h to a higher temperature value, - higher temperature range to higher temperature value, - cooling to 1000 C / h up to 1100 C and - air quenching or slow cooling .
La minéralogie du clinker ainsi obtenu dépend du niveau et de la durée du palier supérieur de température. Préférentiellement, le palier supérieur a un niveau compris entre 1 300 C et 1 500 C et une durée comprise entre 0 h 30 et 15 heures. The clinker mineralogy thus obtained depends on the level and duration of the upper temperature stage. Preferably, the upper tier has a level between 1300 C and 1500 C and a duration between 0 h 30 and 15 hours.
Les principaux constituants présents dans le clinker formé sont les suivants: C, HAp, a.C3P, PC3P (ces deux derniers constituants sont des formes cristallographiques particulières du C3P) et C4P. Ces phases sont référencées respectivement 1 à 5 sur les Figures 1 et 2. Les réactions en cours pour un niveau du palier supérieur de température compris entre 1 200 et 1 500 C sont essentiellement les suivantes:
The main constituents present in the clinker formed are as follows: C, HAp, a.C3P, PC3P (the latter two constituents are particular crystallographic forms of C3P) and C4P. These phases are respectively referenced 1 to 5 in FIGS. 1 and 2. The reactions in progress for a level of the upper temperature stage of between 1200 and 1500 C are essentially as follows:
On a ainsi obtenu la minéralogie du clinker pour une durée de 3 heures et des niveaux de 1 200 C, 1 300 C, 1 400 C et 1 500 C du palier supérieur de température (Figure 1), le pourcentage en poids de chaque phase (axe 12) étant donné sous forme d'histogramme cumulé en fonction de la température en C (axe 11). Les barres d'histogramme correspondant aux températures 1 200, 1 300, 1 400 et 1 500 C sont respectivement référencées 41 à 44. La barre 44 ne constitue pas à proprement parler un clinker, mais un produit de référence contenant du C4P pur. On a également obtenu la minéralogie d'un clinker formé avec un niveau du palier supérieur de température égal à 1 400 C et une durée de ce palier égale à 15 heures. Les résultats apparaissent dans un histogramme donnant le pourcentage de chaque phase (axe 12) en fonction du temps (axe 13, en heures), et montrant la barre 45 correspondant à ces conditions de fabrication au côté de la barre 43 associée à un niveau de 1 400 C et à une durée de 3 heures du palier supérieur de température (Figure 2). Clinker mineralogy was thus obtained for a duration of 3 hours and levels of 1200 C, 1300 C, 1400 C and 1500 C of the upper temperature plateau (Figure 1), the percentage by weight of each phase. (axis 12) being given in the form of a cumulative histogram as a function of the temperature in C (axis 11). The histogram bars corresponding to the temperatures 1 200, 1 300, 1 400 and 1 500 C are respectively referenced 41 to 44. The bar 44 is not strictly speaking a clinker, but a reference product containing pure C4P. The mineralogy of a clinker formed with an upper temperature level equal to 1400 C and a duration of this stage equal to 15 hours was also obtained. The results appear in a histogram giving the percentage of each phase (axis 12) as a function of time (axis 13, in hours), and showing the bar 45 corresponding to these manufacturing conditions at the side of the bar 43 associated with a level of 1400 C and 3 hours of the upper temperature range (Figure 2).
Pour obtenir le clinker désiré, on définit des conditions de cuisson permettant de produire en poids dans le clinker: - au moins 10 % de C4P, - au moins 5 % de HAp, et - entre 0,5 % et 5 % de C. To obtain the desired clinker, cooking conditions are defined which make it possible to produce, by weight, in the clinker: at least 10% of C4P, at least 5% of HAp, and between 0.5% and 5% of C.
Dans les exemples représentés, ces conditions sont vérifiées par la barre 43 (palier supérieur de température de 1 400 C et de 3 heures) et (à une quantité négligeable près concernant le pourcentage de C4P) par la barre 42 (palier supérieur de température de 1 300 C et de 3 heures). In the examples shown, these conditions are verified by bar 43 (upper temperature level of 1400 C and 3 hours) and (to an insignificant amount regarding the percentage of C4P) by the bar 42 (upper temperature step of 1,300 C and 3 hours).
En ce qui concerne la reproductibilité des synthèses, on constate que: - pour un palier de 3 heures, la reproductibilité est très bonne à 1 500 C et, en dessous de 1 500 C, le pourcentage des différentes phases varie de 3 % suivant les cuissons, et - avec un palier de 15 heures, la reproductibilité est très bonne à 1 400 C et à 1 500 C. With regard to the reproducibility of the syntheses, it is found that: - for a plateau of 3 hours, the reproducibility is very good at 1500 C and, below 1500 C, the percentage of the different phases varies by 3% according to the cooking, and - with a bearing of 15 hours, the reproducibility is very good at 1400 C and 1500 C.
Dans une quatrième étape, le clinker obtenu est broyé, avantageusement avec une finesse de 25 pm pour 50 % en poids de passant au tamis (d50 = 25gm). Ce clinker broyé permet d'effectuer des mesures de réactivité, dans lesquelles on suit l'avancement de la réaction d'hydratation du clinker broyé à 20 C, à masses égales d'eau et de clinker. On a ainsi tracé (Figure 3) le flux de chaleur dégagé (axe 16, en mWlg) en fonction du temps (axe 15, en minutes) pour trois produits correspondant, respectivement, aux barres 44 (C4P pur), 43 (palier supérieur de température de 1 400 C et de 3 heures) et 42 (palier supérieur de température de 1 300 C et de 3 heures). Les courbes obtenues, respectivement référencées 20, 21 et 22, permettent de suivre la progression de l'hydratation, notamment par l'observation des pics exothermiques. In a fourth step, the clinker obtained is milled, advantageously with a fineness of 25 pm for 50% by weight of sieve pass (d50 = 25 gm). This milled clinker makes it possible to carry out reactivity measurements, in which the progress of the hydration reaction of the milled clinker at 20 C, with equal masses of water and clinker, is followed. Thus, the flow of heat released (axis 16, in mWlg) as a function of time (axis 15, in minutes) was drawn (Figure 3) for three products corresponding, respectively, to the bars 44 (pure C4P), 43 (upper level temperature of 1400 C and 3 hours) and 42 (upper temperature level of 1300 C and 3 hours). The curves obtained, respectively referenced 20, 21 and 22, make it possible to follow the progress of the hydration, in particular by the observation of the exothermic peaks.
La courbe 20 (C4P pur) a un premier pic exothermique 50 abrupt pendant les premières minutes, puis un dégagement de chaleur négligeable jusqu'à environ 100 minutes à compter du début de l'hydratation. Un faible dégagement calorifique à croissance et à décroissance lentes se produit alors, définissant un "deuxième pic exothermique" 60. The curve (pure C4P) has a first steep exothermic peak for the first few minutes, then negligible heat release until about 100 minutes from the start of hydration. Slow heat growth with slow growth and decay then occurs, defining a "second exothermic peak" 60.
Pour les courbes 21 et 22 (clinkers à, respectivement, 1 400 C et 1 300 C de palier supérieur de température), on observe également des premiers pics exothermiques respectivement référencés 51 et 52 au cours des premières minutes, mais aussi des deuxièmes pics exothermiques respectivement référencés 61 et 62, ayant des valeurs élevées de. flux de chaleur dégagé par rapport à la courbe 20 (de l'ordre de 15 mWlg) et apparaissant beaucoup plus tôt que pour la courbe 20, ces deuxièmes pics culminant à des durées voisines de 60 minutes à compter du début de l'hydratation. For curves 21 and 22 (clinkers at 1400 ° C and 1300 ° C respectively), we also observe first exothermic peaks respectively referenced 51 and 52 during the first minutes, but also second exothermic peaks. respectively referenced 61 and 62, having high values of. heat flux released relative to the curve 20 (of the order of 15 mWlg) and appearing much earlier than for curve 20, these second peaks culminating at times close to 60 minutes from the start of hydration.
On constate que le taux de C4P consommé vaut, respectivement pour les courbes 20, 21 et 22: - au bout de 50 minutes: 5, 15 et 20 %, et - au bout de 300 minutes: 10, 65 et 75 %. It is noted that the level of C4P consumed is worth, respectively for curves 20, 21 and 22: after 50 minutes: 5, 15 and 20%, and after 300 minutes: 10, 65 and 75%.
Ainsi, on vérifie que le C4P pur a un faible degré d'avancement et, notamment, une cinétique trop lente vis-à-vis de celle du ciment Portland (le début de prise d'un ciment Portland étant voisin de 2 heures). En revanche, les clinkers correspondant aux barres 42 et 43 ont une cinétique d'hydratation considérablement accélérée par rapport au C4P pur. Thus, it is verified that pure C4P has a low degree of advancement and, in particular, kinetics that are too slow compared with that of Portland cement (the onset of setting of Portland cement being close to 2 hours). In contrast, clinkers corresponding to bars 42 and 43 have a significantly accelerated hydration kinetics compared to pure C4P.
On s'est intéressé à la reproductibilité de la réactivité du clinker fabriqué avec un palier supérieur de température de 1 400 C et de 3 heures. Sur dix cuissons, on a observé des variations dans les plages suivantes: - intensité du premier pic 51: 40 à 42,5 mWlg, - intensité du deuxième pic 61: 12,5 à 17,5 mWlg, - temps au sommet du deuxième pic 61: 60 à 75 minutes. Ainsi, la cinétique de l'hydratation du clinker est relativement peu sensible à des variations de quelques pour-cents des constituants permettant de le fabriquer. We have investigated the reproducibility of the reactivity of clinker manufactured with an upper temperature level of 1400 C and 3 hours. On ten firings, variations in the following ranges were observed: - intensity of the first peak 51: 40 to 42.5 mWlg, - intensity of the second peak 61: 12.5 to 17.5 mWlg, - time at the summit of the second peak 61: 60 to 75 minutes. Thus, the kinetics of hydration of the clinker is relatively insensitive to variations of a few percent of the constituents for making it.
Dans une variante de réalisation, au lieu de chercher à atteindre une minéralogie déterminée du clinker, on fait en sorte que le clinker ait une réactivité voulue. Ainsi, avantageusement, le clinker comporte une répartition de phases minéralogiques telle que lors d'une hydratation à 20 C du clinker broyé à d50 = 50 pm, à masses égales d'eau et de clinker, le flux de chaleur dégagé en fonction du temps représente un premier pic exothermique initial et un deuxième pic exothermique observé avant 1 h 30 à compter du début de l'hydratation, et un taux d'avancement de la réaction d'hydratation au moins égal à 30.% à la fin de l'apparition de ce deuxième pic exothermique. Ces conditions sont vérifiées par les clinkers associés aux barres 42 et 43 (Figure 3). In an alternative embodiment, instead of seeking to achieve a specific clinker mineralogy, it is ensured that the clinker has a desired reactivity. Thus, advantageously, the clinker comprises a distribution of mineralogical phases such that, during a 20 C hydration of clinker milled at d50 = 50 μm, with equal masses of water and clinker, the heat flux released as a function of time represents a first initial exothermic peak and a second exothermic peak observed before 1 h 30 from the start of hydration, and a progress rate of the hydration reaction of at least 30% at the end of the appearance of this second exothermic peak. These conditions are verified by the clinkers associated with the bars 42 and 43 (FIG. 3).
Un mode préféré de réalisation est celui associé à la barre 43 (palier supérieur de température de 1 400 C et de 3 heures): - bonne reproductibilité des cuissons en dépit d'un palier assez court, - bonne réactivité: cinétique et avancement de la réaction, - bonne reproductibilité de l'hydratation et - rhéologie et durabilité satisfaisantes. A preferred embodiment is that associated with the bar 43 (upper temperature stage of 1400 C and 3 hours): - good reproducibility of cooking despite a fairly short plateau, - good reactivity: kinetics and advancement of the reaction, good reproducibility of hydration and satisfactory rheology and durability.
Ce clinker est celui qui a été utilisé dans des compositions cimentaires, dans les exemples qui suivent. Dans ces exemples, on a ajouté le clinker broyé à un ciment Portland. This clinker is that which has been used in cementitious compositions, in the following examples. In these examples, the milled clinker was added to a Portland cement.
Selon deux exemples de mise en oeuvre dans lequel le ciment utilisé est du type CPA-CEM 1 52.5 (HTS), on mélange ainsi respectivement: # 1,6 g de HTS et 0,4 g de clinker, et # 0,4 g de HTS et 1,6 g de clinker. La réactivité obtenue lors de l'hydratation de ces mélanges est respectivement représentée par des courbes 71 et 72 (Figure 4), donnant le flux de chaleur (mWlg, axe 16) en fonction du temps (en minutes, axe 15). Les deux courbes 71 et 72 présentent respectivement des pics 81 et 82 exothermiques, correspondant à l'hydratation du ciment, environ 9 heures après le début de l'hydratation. Une inflexion de courbure est également visible sur la courbe 72 en un point 83, un peu plus de 2 heures après le début de l'hydratation, cette inflexion correspondant au second pic exothermique de l'hydratation du clinker. According to two examples of implementation in which the cement used is of the CPA-CEM 1 52.5 (HTS) type, the following are respectively mixed: # 1.6 g of HTS and 0.4 g of clinker, and # 0.4 g of HTS and 1.6 g of clinker. The reactivity obtained during the hydration of these mixtures is respectively represented by curves 71 and 72 (FIG. 4), giving the heat flux (mWlg, axis 16) as a function of time (in minutes, axis 15). The two curves 71 and 72 respectively show exothermic peaks 81 and 82, corresponding to the hydration of the cement, approximately 9 hours after the start of the hydration. An inflection of curvature is also visible on the curve 72 at a point 83, a little more than 2 hours after the beginning of the hydration, this inflection corresponding to the second exothermic peak of the hydration of the clinker.
On observe ainsi qu'il n'y a pas d'interaction forte du clinker C4P sur l'hydratation du ciment Portland, quel que soit le pourcentage de ce clinker: les ions phosphate ne sont pas accumulés dans la phase aqueuse. La formation de CH lors de l'hydratation du clinker C4P accélère un peu l'hydratation du ciment Portland. It is thus observed that there is no strong interaction of clinker C4P on the hydration of Portland cement, whatever the percentage of this clinker: the phosphate ions are not accumulated in the aqueous phase. The formation of CH during the hydration of clinker C4P accelerates the hydration of Portland cement a little.
Par contre le calcium libéré par l'hydratation du ciment Portland diminue d'environ 15% le degré d'avancement de l'hydratation du clinker C4P. Toutefois, la seconde étape de l'hydratation du clinker de C4P (second pic exothermique) intervient avant la seconde étape de l'hydratation du ciment Portland pendant laquelle se produit la prise: on obtient donc des grains de clinker de C4P recouverts des micro-autorenforts à surface réactive de HAp, avant la prise du ciment Portland. On the other hand, the calcium released by the hydration of the Portland cement decreases by approximately 15% the degree of progress of the hydration of clinker C4P. However, the second step in the hydration of the C4P clinker (second exothermic peak) occurs before the second stage of hydration of the Portland cement during which the setting takes place: so we obtain clinker grains of C4P coated with microparticles. autoreactive surface reactors of HAp, before setting Portland cement.
L'interface réactionnelle entre un grain de clinker recouvert de fibres de HAp est des hydrates de CSH du ciment Portland peut être observée sur une micrographie par TEM. On peut ainsi voir, sur la Figure 5, un grain hydraté (partie inférieure de la Figure), l'interface réactionnelle et les hydrates (partie supérieure de la Figure). La taille des fibres d'hydroxyapatite est inférieure à 2 pm. De plus, les grains de clinker C4P hydratés sont distribués dans le liant hydraté CSH de façon homogène: l'intervalle présente une zone où HAp et CSH sont intimement mélangés sur moins de 0,1 pm. Cette interface réactive et cohésive conduit à une bonne adhérence des micro-autorenforts. Le clinker défini précédemment est ainsi avantageusement utilisé pour le renforcement de bétons, par l'hydratation conjuguée avec les silicates de calcium, du C4P de compositions cimentaires. Préférentiellement, on ajoute simplement le clinker C4P à la formule de bétons renforcés poudres tels que ceux décrits dans les demandes internationales PCTIFR98102552 et PCTIFR99101145. The reaction interface between a clinker grain coated with HAp fibers is CSH hydrates of Portland cement can be observed on a TEM micrograph. It is thus possible to see, in FIG. 5, a hydrated grain (lower part of the Figure), the reaction interface and the hydrates (upper part of the Figure). The size of the hydroxyapatite fibers is less than 2 μm. In addition, the hydrated C4P clinker grains are distributed in the CSH hydrated binder homogeneously: the gap has an area where HAp and CSH are intimately mixed on less than 0.1 μm. This reactive and cohesive interface leads to good adhesion of micro-self-reinforcements. The clinker defined above is thus advantageously used for the reinforcement of concretes, by the conjugate hydration with calcium silicates, C4P of cementitious compositions. Preferentially, C4P clinker is simply added to the formula of reinforced concrete powders such as those described in international applications PCTIFR98102552 and PCTIFR99101145.
Dans les exemples qui suivent, on a utilisé des matrices non fibrées correspondant à des formulations de type BPR (composition 1311) et DUCTAL (composition B2), comme indiqué dans le tableau I ci-après. Les valeurs mentionnées constituent des proportions en poids par rapport à la masse de ciment.
In the following examples, non-fibrated matrices corresponding to BPR (composition 1311) and DUCTAL (composition B2) formulations were used, as indicated in Table I below. The values mentioned are proportions by weight relative to the mass of cement.
<B><U>TABLEAU <SEP> I</U></B>
<tb> <U>Formulation <SEP> des <SEP> bétons <SEP> utilisés</U>
<tb> B1 <SEP> B2
<tb> Ciment <SEP> 1 <SEP> 1
<tb> Fumées <SEP> de <SEP> silice <SEP> (MST) <SEP> 0,325 <SEP> 0,325
<tb> Farine <SEP> de <SEP> quartz <SEP> (C500) <SEP> 0,3 <SEP> 0,3
<tb> Sable <SEP> 1,43 <SEP> 1,248
<tb> Wollastonite <SEP> (NYAD <SEP> G) <SEP> 0 <SEP> 0,2
<tb> Superplastifiant <SEP> 0,06 <SEP> 0,06
<tb> E/C <SEP> 0,225 <SEP> 0,225 Les fumées de silice utilisées sont du type MST (Micro Silice Thermique), la farine de quartz est du type C500 commercialisée par la société SIFRACO et la wollastonite est du type commercialisé sous le nom NYAD G. <B><U> TABLE <SEP> I </ U></B>
<tb><U> Formulation <SEP> of <SEP> concretes <SEP> used </ U>
<tb> B1 <SEP> B2
<tb> Cement <SEP> 1 <SEP> 1
<tb> Smokes <SEP> of <SEP> Silica <SEP> (MST) <SEP> 0.325 <SEP> 0.325
<tb> Flour <SEP> of <SEP> quartz <SEP> (C500) <SEP> 0.3 <SEP> 0.3
<tb> Sand <SEP> 1.43 <SEP> 1,248
<tb> Wollastonite <SEP> (NYAD <SEP> G) <SEP> 0 <SEP> 0.2
<tb> Superplasticizer <SEP> 0.06 <SEP> 0.06
<tb> E / C <SEP> 0.225 <SEP> 0.225 The silica fumes used are of the MST (Micro Thermal Silica) type, the quartz flour is of the C500 type sold by the company SIFRACO and the wollastonite is of the type marketed under the name NYAD G.
L'ajout de quantités croissantes d'un clinker C4P diminue l'étalement, sans que ce dernier soit trop faible pour assurer une bonne mise en place. La diminution de l'étalement due à l'ajout de CS (wollastonite) dans la formulation B2 s'additionne à la diminution induite par l'ajout de C4P. Les résultats obtenus aux tests d'étalement sont donnés dans le tableau II qui suit. Cet étalement a été mesuré après une minute de vibration par rapport à un cône initial de 10 cm de diamètre réalisé avec un cône ASTM.
The addition of increasing amounts of a clinker C4P decreases spreading, without the latter being too weak to ensure a good implementation. The decrease in the spread due to the addition of CS (wollastonite) in formulation B2 adds to the decrease induced by the addition of C4P. The results obtained in the spreading tests are given in Table II which follows. This spread was measured after one minute of vibration with respect to an initial cone of 10 cm diameter made with an ASTM cone.
<U>TABLEAU <SEP> II</U>
<tb> <U>Etalement <SEP> (en <SEP> mm) <SEP> en <SEP> fonction <SEP> de <SEP> l'aiout <SEP> de <SEP> clinker <SEP> C4</U>P
<tb> Ajout <SEP> de <SEP> clinker
<tb> C4P <SEP> (en <SEP> %) <SEP> 0 <SEP> 3% <SEP> 7% <SEP> 10% <SEP> 15%
<tb> B1 <SEP> 300 <SEP> 300 <SEP> 285 <SEP> 260 <SEP> 260
<tb> B2 <SEP> 270 <SEP> 270 <SEP> 270 <SEP> 265 <SEP> 245 Le pourcentage de clinker ajouté est exprimé par rapport à la masse de ciment. On a mesuré (Figure 6) la résistance en compression Rc (en MPa, axe 92) en fonction de la quantité de clinker C4P ajoutée (en grammes par rapport à 2000 g de ciment, axe 91) dans des formules de béton B1 (courbe 101) et B2 (courbe 102). On observe que les courbes 101 et 102 croissent respectivement jusqu'à des maxima 105 et 106 supérieurs aux niveaux 103 et 104 obtenus en l'absence du clinker C4P, puis décroissent. Les maxima 105 et 106 sont obtenus pour environ 140 g de clinker, c'est-à-dire approximativement 7% en poids par rapport au ciment. Pour cette valeur optimale, le gain est voisin de 14% pour la formulation le B1 et de 3% pour la formulation B2. Au- delà de 10%, l'ajout de clinker C4P n'est plus bénéfique. On a également mesuré (Figure 7) la résistance en flexion Rf à trois points (en MPa, axe 93) en fonction de l'ajout de clinker C4P (axe 91), pour la formulation B1 (courbe 101) et B2 (courbe 112). <U> TABLE <SEP> II </ U>
<tb><U> Etching <SEP> (in <SEP> mm) <SEP> in <SEP><SEP> Function of <SEP><SEP> Addon of <SEP> clinker <SEP> C4 </ U > P
<tb> Adding <SEP> of <SEP> clinker
<tb> C4P <SEP> (in <SEP>%) <SEP> 0 <SEP> 3% <SEP> 7% <SEP> 10% <SEP> 15%
<tb> B1 <SEP> 300 <SEP> 300 <SEQ> 285 <SEQ> 260 <SEP> 260
<tb> B2 <SEP> 270 <SEP> 270 <SEP> 270 <SEP> 265 <SEP> 245 The percentage of clinker added is expressed relative to the mass of cement. The compressive strength Rc (in MPa, axis 92) was measured (FIG. 6) as a function of the amount of clinker C4P added (in grams relative to 2000 g of cement, axis 91) in concrete formulations B1 (curve 101) and B2 (curve 102). It is observed that curves 101 and 102 respectively increase to maxima 105 and 106 greater than levels 103 and 104 obtained in the absence of clinker C4P, and then decrease. The maxima 105 and 106 are obtained for about 140 g of clinker, that is to say approximately 7% by weight relative to the cement. For this optimum value, the gain is close to 14% for the formulation B1 and 3% for the formulation B2. Beyond 10%, the addition of clinker C4P is no longer beneficial. The three-point flexural strength Rf (in MPa, axis 93) was also measured (FIG. 7) as a function of the addition of clinker C4P (axis 91), for formulation B1 (curve 101) and B2 (curve 112). ).
On observe pour la courbe 111 une augmentation jusqu'à un maximum 115 correspondant à environ 140 g de clinker (soit 7% du ciment), soit un gain de 48,5% par rapport au niveau 113 obtenu en l'absence du clinker. La résistance Rf diminue ensuite régulièrement. For the curve 111, an increase is observed up to a maximum 115 corresponding to about 140 g of clinker (ie 7% of the cement), or a gain of 48.5% compared to the level 113 obtained in the absence of the clinker. The resistance Rf then decreases regularly.
En ce qui concerne la courbe 112, on observe une augmentation de la résistance jusqu'à un palier supérieur 116 compris entre environ 50 g et 200 g de clinker (soit entre 2,5% et 10% par rapport au ciment), puis une diminution régulière. Le palier 116 correspond à un gain en flexion d'environ 13% par rapport au niveau 114 obtenu en l'absence de clinker. With regard to the curve 112, an increase in resistance is observed up to an upper level 116 of between approximately 50 g and 200 g of clinker (ie between 2.5% and 10% relative to the cement), then a steady decrease. The bearing 116 corresponds to a bending gain of about 13% compared to the level 114 obtained in the absence of clinker.
Ainsi, pour la résistance en flexion comme pour celle en compression, l'ajout du clinker C4P est bénéfique pour un pourcentage inférieur à 10% par rapport au ciment et est optimisé pour un ajout d'environ 7%. Thus, for both flexural and compressive strength, the addition of C4P clinker is beneficial for less than 10% of cement and is optimized for an addition of about 7%.
De plus, l'utilisation combinée du clinker et des micro-renforts de wollastonite (B2) n'altère pas ou altère peu les valeurs maximales obtenues pour les résistances, mais présente l'avantage, pour la résistance en flexion, de rendre la formule plus robuste. In addition, the combined use of clinker and wollastonite micro-reinforcements (B2) does not alter or slightly alter the maximum values obtained for the resistors, but has the advantage, for flexural strength, of making the formula more robust.
On a également comparé (Figure 8) la ténacité (J/M2# axe 94) de plusieurs bétons renforcés, qui correspondent respectivement à: # la formulation B2 ci-dessus sans ajout du clinker C4P (barre 120), et # des formulations B1 avec des ajouts de clinker C4P correspondant respectivement à 7% (barre 121), 15% (barre 122) et 25% (barre 123) en poids de ciment. It was also compared (FIG. 8) the tenacity (J / M2 # axis 94) of several reinforced concretes, which respectively correspond to: # the formulation B2 above without addition of clinker C4P (bar 120), and # of the formulations B1 with additions of clinker C4P respectively corresponding to 7% (bar 121), 15% (bar 122) and 25% (bar 123) by weight of cement.
On observe ainsi que l'augmentation de ténacité est moindre pour les bétons B1 avec clinker C4P que dans la formulation B2, mais que les performances sont voisines pour un ajout de 7% de clinker C4P. Ces résultats montrent les avantages procurés en termes de résistance en flexion et en compression par l'ajout du clinker C4P, et l'intérêt de l'ajout supplémentaire de wollastonite pour rendre les formules plus robustes. It is thus observed that the increase in tenacity is less for concrete B1 with clinker C4P than in formulation B2, but that the performance is similar for a 7% addition of clinker C4P. These results show the advantages provided in terms of flexural and compressive strength by the addition of clinker C4P, and the interest of the additional addition of wollastonite to make the formulas more robust.
Dans une variante de réalisation, au lieu d'ajouter le clinker C4P au béton, on l'emploie en substitution du ciment ou de la farine de quartz. Les meilleures performances mécaniques sont toutefois obtenues par l'ajout du clinker C4P. In an alternative embodiment, instead of adding the C4P clinker to concrete, it is used in substitution of cement or quartz flour. The best mechanical performance, however, is obtained by adding clinker C4P.
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