FR3053966A1 - Betons pour la construction de structures massives - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un béton pour la construction de structures massives, ayant à base d'une composition hydraulique comprenant un liant hydraulique, caractérisé en en ce que le liant hydraulique a une chaleur d'hydratation, mesurée selon la norme EN 196-9 de décembre 2010 sur mortier, à 41 heures inférieure à 270 J/g, une résistance à la compression à 48 heures supérieure ou égale à 10 MPa, mesurée selon la norme EN 196-1 d'avril 2006 sur mortier, et en ce que le liant hydraulique comprend en pourcentage en masse : De 10 à 25% d'un ciment Portland ayant une surface spécifique Blaine supérieure à 5500 cm2/g De 40 à 90% d'un laitier ayant une surface spécifique Blaine supérieure à 5000 cm2/g Eventuellement d'addition calcaire la somme de ces pourcentages étant comprise de 80 à 100% le rapport C/K, où C est la masse de liant total et K la quantité en masse de clinker Portland, étant supérieur à 4 La présente invention concerne également la composition hydraulique et le liant hydraulique.
Description
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne des bétons pour la construction de structures massives.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Lors de la fabrication de structures massives, encore appelées parties d’ouvrages massifs, telles que par exemple des piles d’ouvrages d’art, la chaleur dégagée par la réaction d’hydratation lors de la prise du béton crée un écart de température entre la surface de la structure et son cœur.
Lorsque cette structure est de taille courante, telle qu’un voile, cet écart de température est négligeable.
Par contre, lorsque cette structure est massive, la distance entre la surface de la structure et son cœur peut être telle que la différence de température devient importante.
On considère généralement que si cette différence de température, c’est-à-dire l’écart entre la température du béton lors de sa prise au cœur de la structure et à la surface de la structure, est supérieur à 20°C, le risque de fissuration est alors augmenté. Ces fissures résultent notamment des contraintes mécaniques subies par la dilatation thermique. Une température dépassant 65°C peut aussi être la cause de la formation différée d’ettringite, préjudiciable à la durabilité du matériau béton.
Pour la construction de structures massives, on utilise donc de manière usuelle des liants hydrauliques à faible chaleur d’hydratation. A titre d’exemple d’un tel liant, on peut citer le liant CEM III La Malle 42,5 N (répondant aux définitions de la norme EN 197-1, septembre 2011) comprenant à titre de liant hydraulique un mélange ciment Portland - laitier.
Toutefois, par rapport à un béton comprenant comme seul liant hydraulique un ciment Portland, les bétons utilisant des liants à faible chaleur d’hydratation développent également des propriétés de résistances mécaniques réduites, en particulier à jeune âge (16, 24 et 48 heures).
Par ailleurs, les bétons autoplaçants, c’est-à-dire des bétons capables de s’écouler et de se mettre en place à l’état frais sous la seule action de la gravité, nécessitent un volume de pâte de ciment (ciment et eau) par mètre cube de béton relativement important. Lorsqu’un béton autoplaçant est utilisé pour la construction d’ouvrages massifs, l’utilisation de liants à faible chaleur d’hydratation ne permet pas d’obtenir une différence de température inférieure à 20°C entre le cœur et la surface de l’ouvrage, ou une température inférieure 65°C dans le cœur de la structure.
Il subsiste donc un besoin de bétons fluides, voire autoplaçants, présentant un bon compromis entre la chaleur d’hydratation, les résistances mécaniques au jeune âge et les résistances mécaniques à 28 jours.
De manière surprenante, les inventeurs ont mis au point un nouveau liant hydraulique qui permet d’obtenir de tels bétons.
EXPOSE DE L'INVENTION
L’invention a pour premier objet un béton pour la construction de structures massives, à base d’une composition hydraulique comprenant un liant hydraulique, caractérisé en en ce que le liant hydraulique a une chaleur d’hydratation, mesurée selon la norme EN 196-9 de décembre 2010 sur mortier, à 41 heures inférieure à 270 J/g,une résistance à la compression à 48 heures supérieure ou égale à 10 MPa, mesurée selon la norme EN 196-1 d’avril 2006 sur mortier, et en ce que le liant hydraulique comprend en pourcentage en masse :
De 10 à 25% d’un ciment Portland ayant une surface spécifique Blaine supérieure à 5500 cm2/g
De 40 à 90% d’un laitier de haut-fourneau ayant une surface spécifique Blaine supérieure à 5000 cm2/g Eventuellement d’addition calcaire la somme de ces pourcentages étant comprise de 80 à 100% le rapport C/K, où C est la masse de liant total et K la quantité en masse de clinker Portland, étant supérieur à 4.
Dans le liant hydraulique, le rapport C/K est supérieur ou égal à 6, avantageusement supérieur ou égal à 6,5.
Dans le liant hydraulique, le ciment est avantageusement un ciment CEM I.
Dans le liant hydraulique, le ciment comprend avantageusement en outre du sulfate de calcium.
Le liant hydraulique comprend avantageusement de 13 à 20% en masse de ciment Portland.
Dans le liant hydraulique, le ciment Portland avantageusement a une surface spécifique Biaine supérieure à 6500 cm2/g.
Le liant hydraulique comprend avantageusement de 45 à 85% en masse de laitier.
Le liant hydraulique comprend avantageusement de 0% à 40% en masse d’addition calcaire.
Le liant hydraulique comprend avantageusement en outre un accélérateur, tel qu’un sel de calcium.
Le béton selon l’invention utilise avantageusement un liant qui a une chaleur d’hydratation inférieure à 190 J/g à 41 heures lorsque mesuré selon les essais de chaleur d’hydratation tels que définis dans la norme ciment EN 196-9. Le béton est avantageusement auto-plaçant.
L’invention a également pour objet l’utilisation d’un béton selon l’invention dans la construction de structures massives, telles que des ouvrages d’art.
L’invention a également pour objet un pré-mélange comprenant en pourcentage en masse, de 40% à 85% du liant hydraulique tel que défini ci-dessus et de 15% à 60% de sable, la somme de ces pourcentages étant comprise de 95 à 100%.
L’invention a également pour objet une composition hydraulique comprenant dans un volume de 1 m3 hors air occlus et hors fibres :
de 150 à 180 litres d’eau;
au moins 300 kg de liant tel que défini ci-dessus;
au moins 700 kg de sable ;
au moins 1 000 kg de granulats ayant un diamètre supérieur à 4 mm la somme des volumes de ces 4 composants étant comprise de 950 à 1000 litres.
L’invention a également pour objet un liant hydraulique comprenant, en pourcentage en masse :
De 10 à 25% d’un ciment Portland ayant une surface spécifique Biaine supérieure à 5500 cm2/g,
De 40 à 90% d’un laitier ayant une surface spécifique Biaine supérieure à 5000 cm2/g Eventuellement du calcaire, la somme de ces pourcentages étant comprise de 80 à 100%, le rapport C/K, où C est la masse de liant total et K la quantité en masse de clinker Portland, étant supérieur à 4.
Ce liant hydraulique a une chaleur d’hydratation, mesurée selon la norme EN 196-9 de décembre 2010 sur mortier, à 41 heures inférieure à 270 J/g.
Ce liant hydraulique a une résistance à la compression à 48 heures, mesurée selon la norme EN 196-1 d’avril 2006, sur mortier supérieure ou égale à 10 MPa.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
Un liant hydraulique est un matériau qui prend et durcit par hydratation.
La prise est généralement le passage à l’état solide d’un liant hydraulique par réaction d’hydratation. La prise est généralement suivie par une période de durcissement.
Le durcissement est généralement l’acquisition des résistances mécaniques d’un liant hydraulique. Le durcissement a généralement lieu après la fin de la prise.
Le liant hydraulique selon l’invention comprend un ciment Portland. Le ciment Portland au sens de l’invention incorpore un clinker Portland. Il peut également être envisagé d’utiliser un clinker Portland broyé à titre de ciment Portland, à condition d’ajouter en outre du sulfate de calcium.
Les ciments Portland préférés sont ceux tels que définis dans la norme européenne NF EN 197-1 d'avril 2016 et ceux décrit dans la norme ASTM C150-12, plus préférentiellement ce sont les ciments CEM I.
De préférence, le ciment Portland convenant pour être utilisé selon la présente invention a une surface spécifique Blaine supérieure ou égale à 5500 cm2/g, plus préférentiellement supérieure ou égale à 6500 cm2/g.
Le ciment Portland pouvant être utilisé selon la présente invention peut être broyé et/ou séparé (par un séparateur dynamique) afin d’obtenir un ciment ayant une surface spécifique Blaine supérieure ou égale à 5500 cm2/g. Ce ciment peut être qualifié d’ultrafin. Le ciment peut par exemple être broyé selon 2 méthodes.
Selon une première méthode, le ciment ou le clinker peut être broyé jusqu’à une surface spécifique Blaine de 5500 à 9500cm2/g. Un séparateur de haute efficacité, de deuxième génération ou de troisième génération, ou un séparateur de très haute efficacité, peut être utilisé dans cette première étape pour séparer le ciment ayant la finesse désirée et écarter le ciment n’ayant pas la finesse désirée. Ce ciment est alors renvoyé dans le broyeur.
Selon une deuxième méthode, un ciment Portland peut passer dans un séparateur de très haute efficacité, dit THF (très haute finesse), afin de séparer les particules de ciment ayant une surface spécifique Blaine supérieure ou égale à la finesse cible (la finesse cible étant supérieure à 5500 cm2/g) et les particules de ciment ayant une surface spécifique Blaine inférieure à la finesse cible. Les particules de ciment ayant une surface spécifique Blaine supérieure ou égale à la finesse cible peuvent être utilisées telles quelles. Les particules de ciment ayant une surface spécifique Blaine inférieure à la finesse cible peuvent être écartées ou broyées séparément jusqu’à l’obtention de la surface spécifique Blaine souhaitée. Les broyeurs qui peuvent être utilisés dans les deux méthodes sont par exemple un broyeur à boulets, un broyeur vertical, une presse à rouleaux, un broyeur horizontal (par exemple de type Horomill©) ou un broyeur vertical agité (par exemple de type Tower Mill).
Le liant hydraulique comprend avantageusement de 10 à 25% en masse, par rapport à la masse totale du liant, dudit ciment Portland, plus avantageusement de 13 à 20% en masse.
Le liant hydraulique selon l’invention comprend un laitier.
Toutes les qualités de laitier de haut fourneau sont utilisables pour composer un ciment au laitier.
Typiquement, ces laitiers de haut fourneau sont constitués d’au moins 80% en masse par rapport à la masse totale du laitier d’une phase vitreuse.
Les constituants chimiques principaux de ces laitiers ainsi que leurs proportions en pourcent en masse par rapport à la masse totale du laitier sont indiqués ci-après :
SiO2 28 à 40%
CàO 31 à 47%
AI2O3 9 à 17%
MgO 0à16%
TiO2 0à12%
Les teneurs des différents constituants peuvent être ajustées en mélangeant plusieurs laitiers de haut fourneau.
Les laitiers de haut fourneau peuvent être plus ou moins réactifs. Cette réactivité est caractérisée par l’indice d’hydraulicité Hl (Hydraulic Index) défini par la formule :
Hl = (CaO + MgO + AI2O3)/(SiO2) qui permet un classement selon le degré de réactivité.
L’Indice d’hydraulicité a été présenté, au même titre que plusieurs autres indices de réactivité des laitiers dans les publications de H. G. Smolczyk au Congrès International de la Chimie des ciments à Paris 1980, Vol 1. Thème 3.
Typiquement, les laitiers de haut fourneau ont un Indice d’hydraulicité Hl de 1,22 à 2.
Selon l’invention, les laitiers sont broyés selon les procédés connus de l’homme de l’art.
Les laitiers ont avantageusement une surface spécifique Blaine supérieure à 5000 cm*/g, plus avantageusement comprise entre 5000 cm2/g et 8000 cm2/g.
Le liant hydraulique comprend avantageusement de 40 à 90% en masse, par rapport à la masse totale du liant, dudit laitier, plus avantageusement de 45 à 85% en masse.
Le liant hydraulique peut également comprendre d’autres additions minérales.
Les additions minérales sont, par exemple, des pouzzolanes (par exemple telles que définies dans la norme NF EN 197-1 de février 2001, paragraphe 5.2.3), des cendres volantes (par exemple telles que définies dans la norme NF EN 197-1 de février 2001, paragraphe 5.2.4), des schistes calcinés (par exemple tels que définis dans la norme NF EN 197-1 de février 2001, paragraphe 5.2.5), des matériaux à base de carbonate de calcium, par exemple du calcaire (par exemple tel que défini dans la norme NF EN 197-1 de février 2001, paragraphe 5.2.6), des fumées de silice (par exemple telles que définies dans la norme NF EN 197-1 de février 2001, paragraphe 5.2.7), des métakaolins ou leurs mélanges.
Il est entendu que remplacer une partie du clinker par une addition minérale permet de réduire les émissions de dioxyde de carbone (produites lors de la fabrication du clinker) par diminution de la quantité de clinker.
Dans une variante avantageuse, le liant selon l’invention comprend une addition minérale à base de carbonate de calcium, de laitier de haut fourneau, de pouzzolanes naturelles, de schiste calciné, ou de leurs mélanges.
Dans une variante encore plus avantageuse, les additions minérales sont choisies parmi le carbonate de calcium, le laitier de haut fourneau, ou leur mélange.
Dans cette variante, le liant peut comprendre jusqu’à 40% en masse, par rapport à la masse totale du liant, d’additions minérales à base de carbonate de calcium.
Le liant comprend avantageusement de 0 à 40% en masse d’additions minérales à base de carbonate de calcium, plus avantageusement de 0 à 30% en masse, encore plus avantageusement de 0 à 20% en masse.
Le liant comprend avantageusement de 40 à 85% en masse d’additions minérales plus avantageusement de 40 à 85% en masse, encore plus avantageusement de 60 à 85% en masse. Ces additions minérales comprennent au moins un laitier et éventuellement une addition minérale à base de carbonate de calcium, de pouzzolanes naturelles, de schiste calciné, ou de leurs mélanges. Ces additions minérales comprennent avantageusement au moins un laitier et éventuellement une addition minérale à base de carbonate de calcium.
Le matériau à base de carbonate de calcium est avantageusement du calcaire tel que défini dans la norme EN 197-1, septembre 2011.
Le rapport C/K où C est la quantité en masse de liant total et K est la quantité en masse de clinker, est supérieur à 4.
C est la quantité de liant total, c’est-à-dire la quantité de clinker Portland, de sulfate de calcium, et des additions minérales tels que définis précédemment.
K est la quantité en masse de clinker Portland.
Le rapport C/K est avantageusement supérieur ou égal à 6, plus avantageusement supérieur ou égal à 6,5. Le rapport C/K est avantageusement compris entre 6 et 8, plus avantageusement entre 6,5 et 7,5.
Le liant hydraulique selon l’invention peut comprendre en outre du sulfate de calcium.
De préférence, le liant hydraulique selon l’invention comprend en outre de 0,01 à 8% de sulfate de calcium, exprimé en pourcentage en masse par rapport au liant.
Le sulfate de calcium utilisé selon la présente invention inclut le gypse (sulfate de calcium dihydraté, CaSO4.2H2O), le semi-hydrate (CaSO4.1/2H2O), l’anhydrite (sulfate de calcium anhydre, CaSO4) ou un de leurs mélanges. Le gypse et l’anhydrite existent à l’état naturel. Il est également possible d’utiliser un sulfate de calcium qui est un sous-produit de certains procédés industriels.
Le sulfate de calcium est avantageusement l’anhydrite.
De préférence, lorsque la finesse du ciment augmente, il est possible d’adapter également la quantité de sulfate de calcium pour obtenir des résistances mécaniques optimales. L’homme du métier saura de par ses connaissances optimiser la quantité de sulfate de calcium en utilisant des méthodes connues.
De préférence, le liant selon la présente invention comprend un accélérateur de prise.
Selon une variante, l’accélérateur peut être choisi parmi les accélérateurs connus, par exemple les sels de calcium ou de sodium, et en particulier le chlorure de calcium ou de sodium, le nitrate de calcium ou de sodium, le nitrite de calcium ou de sodium, le thiocyanate de calcium ou de sodium. De préférence, la quantité de sel de calcium, en particulier le chlorure de sodium ou de calcium, est inférieure ou égale à 1 % en masse par rapport à la masse totale du liant.
La somme des pourcentages massiques ciment Portland, laitier, éventuellement matériau à base de carbonate de calcium et éventuellement sulfate de calcium est comprise de 80 à 100%, avantageusement de 90 à 100%, plus avantageusement de 95 à 100%, encore plus avantageusement de 99% à 100%.
L’invention a également pour objet un pré-mélange qui comprend en pourcentage en masse, au de 40% à 85% du liant hydraulique tel que décrit précédemment et de 15% à 60% de sable, la somme de ces pourcentages étant comprise de 95 à 100%.
L’invention a également pour objet des compositions hydrauliques obtenues par mélange d’un liant tel que décrit précédemment et de l’eau.
Les compositions hydrauliques selon l’invention incluent à la fois les compositions à l’état frais et à l’état durci, par exemple un coulis de ciment, un mortier ou un béton.
La composition peut également comprendre un adjuvant, par exemple un de ceux décrits dans les normes EN 934-2 de septembre 2002, EN 934-3 de novembre 2009 ou EN 934-4 d’août 2009.
L’invention a également pour objet un mélange qui comprend en pourcentage en masse, au de 10% à 25% du liant hydraulique tel que décrit précédemment, de 15% à 45% de sable, de 15% à 45% de granulats ayant un diamètre supérieur à 4 mm, la somme de ces pourcentages étant comprise de 95 à 100%.
La composition hydraulique à l’état frais comprend avantageusement dans un volume de 1 m3 hors air occlus et hors fibres :
de 150 à 180 litres d’eau;
au moins 300 kg de liants tel que décrit précédemment ; au moins 700 kg de sable ;
au moins 1 000 kg de granulats ayant un diamètre supérieur à 4 mm ; la somme des volumes de ces 4 composants étant comprise de 950 à 1000 litres.
De préférence, les compositions hydrauliques selon l’invention comprennent également un adjuvant pour composition hydraulique, par exemple un accélérateur, un agent entraîneur d’air, un agent viscosant, un retardateur, un inertant des argiles, un plastifiant et/ou un superplastifiant.
L’invention a également pour objet des bétons pour la construction de structures massives, obtenus à partir d’un liant selon l’invention, qui est caractérisé par une chaleur d’hydratation à 41 heures sur mortier inférieure à 270 J/g. Le liant a une résistance à la compression à 48 heures sur mortier supérieure ou égale à 10 MPa mesurés.
La chaleur d’hydratation, sur mortier est mesurée sur mortier selon la norme EN 196-9 de décembre 2010.
La résistance à la compression est mesurée sur mortier selon la norme EN 196-1 d’avril
2006.
Les mortiers sont des compositions cimentaires dans lesquelles le diamètre du plus gros granulat est au maximum de 4 mm. Pour ces compositions, le rapport poids/poids, liant hydraulique / granulat, est généralement compris entre 1/4 et 1/2.
Par le terme « béton », on englobera les bétons et les mortiers.
Avantageusement, le liant de l’invention a une chaleur d’hydratation mesuré sur mortier inférieure à 240 J/g à 41 h, plus avantageusement inférieure à 210 J/g à 41 heures, encore plus avantageusement inférieure à 190 J/g à 41 heures.
Pour qu’un liant soit considéré à faible chaleur d’hydratation, il ne doit pas dépasser 270 J/g à 41 heures, qui sont déterminés selon la norme EN 196-9 (Mesure de la chaleur d’hydratation du ciment - Méthode semi-adiabatique) et l’amendement A1 de la norme NF EN 197-1 (Ciment Partie 1 : composition, spécifications et critères de conformité des ciments courants). La répétabilité donnée par la norme est de 14 J/g.
Les valeurs données ici peuvent donc être modulées de +/-14 J/g.
Avantageusement, le liant présente une résistance à la compression à 48 heures d’au moins 10 MPa, plus avantageusement d’au moins 12 MPa.
Avantageusement, le liant présente une résistance à la compression à 28 jours d’au moins
42,5 MPa.
Avantageusement, le liant présente une résistance à la compression à 7 jours d’au moins 35 MPa.
La résistance à la compression est mesurée sur mortier selon la norme EN 196-1 d’avril
2006.
Les bétons selon l’invention peuvent comporter en outre tout adjuvant classique tel que des plastifiants-réducteurs d’eau, des superplastifiants, des entraîneurs d’air, des hydrofuges de masse, ...tels que définis par la norme NF - EN 934-2, septembre 2002.
Pour réaliser les bétons selon l’invention on peut utiliser tout type de granulat classiquement utilisé pour la fabrication des bétons.
A titre d’exemple, on peut citer les granulats de roches (roches éruptives, métamorphiques ou sédimentaires) et les granulats artificiels légers.
Les granulats utilisés dans les compositions selon l’invention incluent du sable (dont les particules ont généralement une taille maximale Dmax inférieure ou égale à 4 mm), et des gravillons (dont les particules ont généralement une taille minimale Dmin supérieure à 4 mm et de préférence une Dmax inférieure ou égale à 32 mm).
Les granulats incluent des matériaux calcaires, siliceux et silico-calcaires. Ils incluent des matériaux naturels, artificiels, des déchets et des matériaux recyclés. Les granulats peuvent aussi comprendre, par exemple, du bois.
Le gâchage peut être effectué, par exemple, selon des méthodes connues.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le liant hydraulique est préparé pendant une première étape, et les granulats et l’eau sont ajoutés pendant une deuxième étape.
Comme indiqué, le liant hydraulique selon l’invention permet, en mélange avec des granulats appropriés, d'obtenir des bétons, en particulier à des températures de 5°C à 30°C, de préférence de 5°C à 20°C. Les liants répondent avantageusement aux classes 42,5N, 42,5L, 42,5R et 52,5L de la norme EN 197-1 lorsqu’il s’agit d’essais réalisés à 20°C selon EN 196-1.
Le béton est avantageusement au moins de classe de consistance S3, telle que définie dans la norme EN 206-1, octobre 2005. Ainsi, ce béton est avantageusement fluide. Le béton peut également être un béton auto-plaçant, tel que défini dans la norme EN 206-9, juin 2010.
Typiquement, les bétons réalisés selon l’invention seront conformes aux exigences de la norme béton européenne EN 206-1.
La composition hydraulique selon la présente invention peut être mise en forme pour produire, après hydratation et durcissement, un objet mis en forme pour le domaine de la construction. L’invention se rapporte également à un tel objet mis en forme, qui comprend la composition hydraulique selon la présente invention ou le liant hydraulique selon la présente invention.
Cet objet est avantageusement une structure massive, telle qu’un ouvrage d’art.
L’invention a également pour objet l’utilisation d’un béton selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans la construction de structures massives, telles que des ouvrages d’art.
En effet, de par leur faible chaleur d’hydratation et leur bonne résistance à la compression, ces bétons sont particulièrement adaptés à la fabrication de structures massives.
Le béton peut avantageusement être autoplaçant.
Les exemples suivants illustrent la présente invention. Dans les exemples, sauf indication contraire, tous les pourcentages et parties sont exprimés en masse.
EXEMPLES
Les protocoles expérimentaux suivants ont été suivis pour la réalisation des tests dont les résultats sont donnés par la suite.
Figure 1 : Elévation de température mesurée par calorimétrie QAB du béton 1 de référence (température en °C en fonction du temps en heure)
Figure 2 : Elévation de température mesurée par calorimétrie QAB du béton 2 suivant l’invention (température en °C en fonction du temps en heure)
1. Surface spécifique Blaine
La surface spécifique Blaine est déterminée conformément à la norme EN196-6 d’août 1990, paragraphe 4. La surface spécifique Blaine d’un matériau particulaire est déterminée en utilisant un appareil de mesure qui comprend: une cellule de mesure cylindrique ayant un diamètre intérieur de 12,7 mm ± 0,1 mm ; un disque métallique perforé dont les dimensions sont ajustées pour qu’il soit placé au fond de la cellule de mesure ; un piston qui glisse dans la cellule de mesure et qui est stoppé à une distance de 15 mm ± 1 mm entre le bord supérieur du disque perforé et la base du piston lorsque la butée du piston repose sur le bord supérieur de la cellule ; le piston est pourvu d’un système permettant le passage de l’air ; un manomètre qui comprend un tube en verre en forme de U, dont une branche est attachée à la partie inférieure de la cellule de mesure, la même branche comprend une ligne gravée puis trois autres lignes gravées généralement espacées de 15, 70 et 110 mm au-dessus de la première ligne et un tube en forme de T qui est connecté au-dessus de la ligne gravée la plus haute et qui est relié à un robinet étanche, qui est lui-même relié à un moyen d’aspiration (par exemple un tube en caoutchouc et une poire).
La surface intérieure du manomètre est mouillée avec un liquide manométrique (par exemple le dibutyl phtalate). Le manomètre est ensuite rempli avec du liquide manométrique jusqu’au niveau de la ligne gravée la plus basse.
Un disque de papier filtre est placé sur le disque perforé dans la cellule de mesure ; l’échantillon est placé dans la cellule ; un second disque de papier filtre est placé au-dessus de l’échantillon qui est alors compacté en utilisant le piston.
La porosité du lit de matériau (e) dans la cellule de mesure est dérivée de la masse de matériau (m en g), la masse volumique du matériau (p en g/cm3) et le volume total du lit compacté de matériau (V en cm3) en utilisant la formule : m = p x V x (1-e).
La masse volumique du matériau est déterminée en utilisant un picnomètre.
Le volume du lit de matériau est déterminé en mesurant la différence entre la quantité de mercure requise pour remplir la cellule vide, et la quantité de mercure requise pour remplir l’espace au-dessus de l’échantillon à tester.
La mesure de perméabilité à l’air est réalisée en utilisant une quantité de matériau suffisante pour obtenir une porosité du lit de matériau e = 0,500. Après avoir placé un bouchon au sommet de la cellule de mesure, le niveau du liquide manométrique est ajusté pour correspondre à celui de la ligne gravée la plus haute en utilisant le moyen d’aspiration et le robinet. Le bouchon est alors retiré pour permettre à l’air de passer à travers le lit de matériau à tester. Comme l’air circule à travers le lit, le niveau du liquide manométrique descend. Le temps (t) pour que le liquide descende de la troisième ligne gravée jusqu’à la deuxième est mesuré. La mesure est réalisée à une température de 20°C ± 2°C et une humidité relative d’au plus 65%. La température de chaque mesure est notée et une moyenne en est faite.
La méthode est faite sur deux échantillons différents, deux fois pour chaque échantillon. La méthode est également faite sur trois échantillons d’un matériau de référence de surface spécifique Blaine connue.
La surface spécifique Blaine (S) du matériau est calculée par la formule suivante :
dans laquelle :
So = surface massique du matériau de référence (cm2/g), e = porosité du matériau testé, eo = porosité du matériau de référence, t = temps mesuré pour le matériau testé (s), to = moyenne des trois temps mesurés pour le matériau de référence (s), p = masse volumique du matériau testé (g/cm3), po = masse volumique du matériau de référence (g/cm3), η = viscosité de l’air à la température de l’essai pour le matériau testé (Pa.s), qo = viscosité de l’air de la moyenne des trois températures pour le matériau de référence (Pa.s).
2. Performances mécaniques sur mortiers normalisés
Les performances mécaniques à 2, 7 et 28 jours des différents liants à haut C/K testés sont déterminées sur mortier normalisé. Les mortiers sont réalisés selon la norme NF EN196-1 d’avril 2006.
2.1 Protocole de malaxage
Peser le mélange liant dans un récipient et l’homogénéiser à l’aide d’une cuillère.
Peser l’eau tempérée à 20°C et l’introduire dans le bol du Perrier.
Introduire un sac de sable normalisé dans le sablier du Perrier.
Introduire le liant dans l’eau et lancer le programme de malaxage normalisé. C’est le temps To de la gâchée.
2.2 Préparation et remplissage du moule 4x4x16
Huiler le moule avec de l’huile de démoulage.
Peser le moule huilé vide. Noter la masse m1.
Placer le moule sur la table à choc, installer la réhausse dessus et fixer l’ensemble. Remplir le moule à moitié avec le mortier, enlever le surplus avec le plus long côté de la spatule et mettre la table à choc en route.
Finir de remplir le moule avec le mortier, enlever le surplus avec le plus court côté de la spatule et mettre la table à choc en route.
Araser le dessus du moule avec une règle métallique et peser le moule plein. Noter la masse m2.
Déposer un joint et une vitre sur le moule et le placer dans une armoire à 100% d’hygrométrie jusqu’au démoulage.
Les masses m1 et m2 permettent de calculer la densité du mortier frais en cas de besoin.
2.3 Conservation et casse des éprouvettes 4x4x16
A To+24h, démouler les éprouvettes et les peser.
Introduire et conserver les éprouvettes dans un bac contenant de l’eau à 20°C jusqu’à l’échéance de casse.
A l’échéance choisie, les éprouvettes 4x4x16 sont cassées à la presse mortier.
3. Essais de calorimétrie semi-adiabatique sur mortier normalisé
Les essais de calorimétrie semi-adiabatique sont réalisés selon le protocole expérimental décrit dans la norme EN 196-9 de décembre 2010.
Matières premières:
Ciment Le Teil HTS Ciment La Malle Ciment Le Havre Ciment Oujda
Lafarge France Lafarge France Lafarge France Lafarge Maroc
Laitier Dunkerque BL200
Dunkerque, France
Anhydrite II
Lafarge France Lafarge France
Le ciment a été préparé par broyage et séparation du ciment Portland CEM I Le Teil HTS, provenant de la cimenterie Lafarge Le Teil. Ce broyage a été réalisé en utilisant un broyeur à jet d’air associé à un séparateur à très haute efficacité. Le ciment broyé obtenu avait une surface Blaine de 8200 cm2/g.
Le laitier broyé obtenu avait une surface Blaine de 5960 cm2/g ou 7890 cm2/g. Le laitier qui n’a pas subi une étape supplémentaire de broyage a une surface Blaine de 3910 cm2/g.
Le BL200 est un filler calcaire.
L’anhydride II est un sulfate de calcium anhydre.
Pour les CEM I surbroyés avec ajouts d’anhydrite, la quantité d’anhydrite est celle correspondant à l’optimum de sulfatage calculé selon la formule suivante :
Optimum SO3 = 1,2 x %Na2Oéq ciment + 0,2 x %AI2O3 ciment + 0,0062 SSB ciment (m2/g) - 0,7
La quantité de Na2O-équivalent du liant en grammes est déterminée selon la formule suivante :
Na2Oéq = Na2O + (0,658 x K2O) + (2,08 x Li2O) dans laquelle Na2O, K2O et Li2O représentent respectivement la masse de Na2O, de K2O et de Li2O en grammes.
Le tableau suivant donne la composition des liants de référence (Ref), selon l’invention (INV) ou hors invention (HINV).
| Composition (% massique) | ||||||||
| cimenterie | CEM I | LL | S | NaCI | SSB CEM I (cm2/g) | SSB laitier (cm2/g) | C/K | |
| Ref 1. | Le Teil HTS | 100 | 0 | 0 | 0 | 3590 | - | 1,05 |
| Ref. 2 | La Malle | 28,4 | 0,5 | 70,9 | 0,2 | 4570 | Non mesuré | 3,7 |
| Ref 3 | Oujda CLC | 60 | 20,0 | 20,0 | 0 | 5010 | Non mesuré | 1,8 |
| INV 1 | Le Teil HTS | 15,0 | 39,8 | 45,0 | 0,2 | 8200 | 7890 | 7,0 |
| INV2 | Le Teil HTS | 15,0 | 0 | 84,8 | 0,2 | 8200 | 5960 | 7,0 |
| INV 3 | Le Havre | 25,0 | 0 | 74,8 | 0.2 | 5700 | 5960 | 4,2 |
| HINV | Le Teil HTS | 15,0 | 0 | 84,8 | 0,2 | 8200 | 3910 | 7,0 |
Tableau 1 : composition des liants
LL = calcaire BL200 S = Laitier Dunkerque
SSB = surface spécifique Blaine
Le liant Ref. 2 est également appelé : CEM III 42,5N La Malle
Le tableau 2 qui suit donne les résultats de chaleur d’hydratation et les performances mécaniques des mortiers obtenus en mélangeant :
- Liants du tableau 1: 360 g
Sable normalisé : 1080 g Eau déminéralisée : 180 g
| Chaleur d’hydratation à 41 heures (J/g) | Résistance à la compression (MPa) | |||
| 24 heures | 7 jours | 28 jours | ||
| Ref 1 | Non mesuré | 31,2 | 46,6 | 61,8 |
| Ref 2 | 195 | 10,9 | 36,9 | 46,9 |
| Ref 3 | 246 | Non mesuré | 28,6 | Non mesuré |
| INV1 | 189 | 17,6 | 37,1 | 46,7 |
| INV2 | 166 | 12,6 | 42,5 | 57,4 |
| INV3 | Non mesuré | Non mesuré | Non mesuré | 60,7 |
| HINV | Non mesuré | 7,0 | 26,3 | 39,7 |
Tableau 2 : résultats de chaleur d’hydratation et les performances mécaniques
On constate que les liants selon l’invention, qui ont un rapport C/K élevé, un ciment et un laitier surbroyés, permettent la fabrication de bétons :
- à faible chaleur d’hydratation, qui est même inférieure aux références, à résistance à la compression, à 48h ou à 28j, améliorée.
Par ailleurs, il est envisageable de substituer une partie du laitier ultra-fin avec du filler calcaire en conservant ce compromis chaleur d’hydratation / résistance à la compression.
Le tableau 3 qui suit donne la composition des bétons auto-plaçant pour les mesures des performances mécaniques.
| Béton 1 de référence | Béton 2 suivant l’invention | |
| Matière première | kg/m3 | kg/m3 |
| CEM I Le Havre SSB5700 | 0 | 80 |
| CEM CLC Oujda | 335 | 0 |
| Laitier Dunkerque SSB5960 | 0 | 240 |
| Anhydrite | 0 | 2,14 |
| Sable 0/5 St Bonnet | 894 | 797 |
| Gravillons 6/10 Cassis | 182 | 342 |
| Gravillons 11/22 Cassis | 285 | 84 |
| Gravillons 20/31,5 Cassis | 562 | 680 |
| Eau totale | 166,6 | 167,7 |
| Adjuvant 1 - CHRYSCKDFluid Optima 203 (% ES = 22) | 0,75 | 0,96 |
| Adjuvant 2 - NaCI poudre | 0 | 0,63 |
| Résistance en compression à 16h (MPa) | 15,5 | 5,8 |
| Résistance en compression à 24h (MPa) | Non disponible | 9,0 |
| Résistance en compression à 7 jours (MPa) | Non disponible | 48,3 |
| Résistance en compression à 28 jours (MPa) | Non disponible | 65,8 |
Tableau 3 : composition d’un béton de référence et d’un béton selon l’invention
Les bétons 1 de référence et 2 suivant l’invention comprennent le même volume de liant hydraulique.
4. Essai de calorimétrie semi-adiabatique bétons
Deux bétons fluides de consistance S3-S4 avec un volume de pâte de 288 L/m3 ont été gâchés en utilisant les matériaux décrits précédemment (tableau 3). Un essai de calorimétrie semi-adiabatique dit QAB a été réalisé sur ces bétons. La méthode d’essais utilisée est celle du LCPC - BLPC Standard, n°278 “Quasi-adiabatic calorimetry for concrètes: influential factors” qui se fonde sur la norme NF EN 196-9 Standard (Cernent test methods - Part 9: Hydration heat The semi-adiabatic method). Cette prédiction est basée sur la mesure des dégagements de chaleur en condition quasi-adiabatique d’un échantillon de béton en cours d'hydratation.
Le premier béton dit de référence répond au cahier des charges typique d’un béton pour blocs de digue massif pouvant aller de 1 m3 à plus de 10 m3. Le deuxième béton est suivant l’invention avec une même fluidité et un même volume de pâte de 288 L que le béton de référence. Le béton suivant l’invention permet de développer une résistance à la compression élevée à 28 jours de 65,8 MPa tout en s’échauffant moins que le béton de référence et que des bétons beaucoup moins résistants. Il est par conséquent très adapté pour les pièces massives d’infrastructures.
Les courbes d’élévation de température des deux bétons mesurés par calorimétrie QAB sont données dans les figures 1 et 2. Le béton 2 à très faible chaleur d’hydratation permet de limiter l’augmentation de température en conditions adiabatiques à 47.9°C au lieu de 54°C, soit 6°C de moins que le béton 1 de référence.
Claims (15)
- REVENDICATIONS1. Béton pour la construction de structures massives, ayant à base d’une composition 5 hydraulique comprenant un liant hydraulique, caractérisé en en ce que le liant hydraulique a une chaleur d’hydratation, mesurée selon la norme EN 196-9 de décembre 2010 sur mortier, à 41 heures inférieure à 270 J/g, une résistance à la compression à 48 heures supérieure ou égale à 10 MPa, mesurée selon la norme EN 196-1 d’avril 2006 sur mortier, et en ce que le liant hydraulique comprend en pourcentage en masse :10 - De 10 à 25% d’un ciment Portland ayant une surface spécifique Blaine supérieure à5500 cm2/gDe 40 à 90% d’un laitier ayant une surface spécifique Blaine supérieure à 5000 cm2/g Eventuellement d’addition calcaire.la somme de ces pourcentages étant comprise de 80 à 100%15 le rapport C/K, où C est la masse de liant total et K la quantité en masse de clinkerPortland, étant supérieur à 4.
- 2. Béton selon la revendication 1, caractérisé en en ce que, dans le liant hydraulique, le rapport C/K est supérieur ou égal à 6, avantageusement supérieur ou égal à 6,5.
- 3. Béton selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en en ce que, dans le liant hydraulique, le ciment est un ciment CEM I.
- 4. Béton selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en en ce que,25 dans le liant hydraulique, le ciment comprend en outre du sulfate de calcium.
- 5. Béton selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en en ce que le liant hydraulique comprend de 13 à 20% en masse de ciment Portland.30
- 6. Béton selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en en ce que, dans le liant hydraulique, le ciment Portland a une surface spécifique Blaine supérieure à 6500 cm2/g.
- 7. Béton selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en en ce que le liant hydraulique comprend de 45 à 85% en masse de laitier.
- 8. Béton selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en en ce que le liant hydraulique comprend de 0% à 40% en masse d’addition calcaire.
- 9. Béton selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en en ce que le liant hydraulique comprend en outre un accélérateur, tel qu’un sel de calcium.
- 10. Béton selon l’une quelconque des revendications précédentes, ayant un liant caractérisé par une chaleur d’hydratation mesurée selon la norme EN 196-9 sur mortier inférieure à 190 J/g à 41 heures.
- 11. Béton selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il est auto-plaçant.
- 12. Utilisation d’un béton selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans la construction de structures massives, telles que des ouvrages d’art.
- 13. Pré-mélange comprenant en pourcentage en masse, au de 40% à 85% du liant hydraulique tel que défini à l’une quelconque des revendications 1 à 9 et de 15% à 60% de sable, la somme de ces pourcentages étant comprise de 95 à 100%.
- 14. Composition hydraulique comprenant dans un volume de 1 m3 hors air occlus et hors fibres.de 150 à 180 litres d’eau;au moins 300 kg de liant tel que défini à l’une quelconque des revendications 1 à 9; au moins 700 kg de sable ;au moins 1 000 kg de granulats ayant un diamètre supérieur à 4 mm la somme des volumes de ces 4 composants étant comprise de 950 à 1000 litres.
- 15. Liant hydraulique comprenant, en pourcentage en masse ;De 10 à 25% d’un ciment Portland ayant une surface spécifique Blaine supérieure à 5500 cm2/g,De 40 à 90% d’un laitier ayant une surface spécifique Blaine supérieure à 5000 cm2/g Eventuellement du calcaire,5 la somme de ces pourcentages étant comprise de 80 à 100%, le rapport C/K, où C est la masse de liant total et K la quantité en masse de clinker Portland, étant supérieur à 4 ;ce liant hydraulique a une chaleur d’hydratation, mesurée selon la norme EN 196-9 de décembre 2010 sur mortier, à 41 heures inférieure à 270 J/g ;ce liant hydraulique a une résistance à la compression à 48 heures, mesurée selon la norme EN 196-1 d’avril 2006 sur mortier, supérieure ou égale à 10 MPa.U ts fi ®a £>1/1 δ© aS .»
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| "LEA'S CHEMISTRY OF CEMENT AND CONCRETE, PASSAGE ED - Hewlett P C; Lea Frederick", 1 January 1998, LEA'S CHEMISTRY OF CEMENT AND CONCRETE, ARNOLD, LONDON [U.A.], PAGE(S) A,647 - 658, ISBN: 978-0-340-56589-6, XP001157783 * |
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