FR3079830A1 - Procede de fabrication de produits en beton prefabriques en usine, beton utilise et produits en beton obtenus - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un procédé de fabrication de produits moulés en béton préfabriqués en usine, armés ou non, précontraints ou non, pour des applications dans le bâtiment et le génie civil, dans lequel l’on utilise, pour la préparation du béton, un liant hydraulique à quantité réduite de Clinker, obtenu à partir d’un mélange de ciment ultrafin dans une quantité réduite de 30 à 50% en proportion massique du liant, de laitier de haut fourneau dans une quantité de 30 à 50% en proportion massique du liant, et de filler calcaire dans une quantité de 0 à 40% en proportion massique du liant, et dans lequel lors du traitement thermique appliqué auxdits produits moulés, il se crée une synergie inattendue entre le ciment ultrafin et le laitier qui amplifie la résistance mécanique à jeune âge du béton permettant de préserver les cadences de production pour la préfabrication en usine de produits en béton. On obtient ainsi un béton écologique à faible émission de GES, parfaitement adapté à la préfabrication de produits moulés en béton, pour des performances mécaniques équivalentes à celles d’un béton traditionnel.
Description
PROCEDE DE FABRICATION DE PRODUITS EN BETON PREFABRIQUES EN USINE, BETON UTILISE ET PRODUITS EN BETON OBTENUS
Domaine technique :
La présente invention concerne un procédé de fabrication de produits en béton préfabriqués en usine, armés ou non, précontraints ou non, pour des applications dans le bâtiment et le génie civil, tels que poutres, poutrelles, linteaux, poteaux, murs à coffrage intégré, prédalles, dalles de toiture, escaliers, dalles alvéolées, balcons, et similaires, dans lequel l’on prépare un béton à partir d’un mélange comportant des granulats, un liant hydraulique et de l’eau, l’on coule le béton dans des moules de fabrication pour réaliser lesdits produits, et l’on applique un traitement thermique aux produits pendant une durée déterminée afin d’accélérer l’hydratation du liant hydraulique et la prise du béton, avant de démouler lesdits produits.
L’invention concerne également un béton permettant la mise en œuvre de ce procédé de fabrication, ainsi que les produits en béton obtenus qu’ils soient armés ou non, précontraints ou non, pour des applications dans le bâtiment et le génie civil, tels que poutres, poutrelles, linteaux, poteaux, murs à coffrage intégré, prédalles, dalles de toiture, escaliers, dalles alvéolées, balcons, et similaires.
Technique antérieure :
Dans le domaine de la préfabrication en usine de produits de construction en béton pour le bâtiment et plus généralement pour le génie civil, l’un des critères prépondérants pour assurer la rentabilité de l’outil industriel est la cadence de production, c’est-à-dire le nombre de rotations d’un même moule de fabrication par unité de temps. Cette cadence de production dépend de la vitesse de montée en résistance du béton, qui conditionne le moment auquel il est possible de démouler les produits et de les manipuler, ou de détendre les câbles de précontrainte lorsque les produits sont précontraints par pré-tension. Il est ainsi usuel de réaliser un cycle complet par moule, soit une rotation toutes les 24 h, voire deux cycles complets par jour pour certains produits, sans que ces exemples ne soient limitatifs.
Les bétons à base de ciments Portland couverts par la norme NF EN 197-1 sont largement répandus. En particulier, les ciments dits rapides (classe R selon la norme NF EN 197-1) sont connus pour présenter les résistances les plus élevées à jeune âge et permettre une montée rapide en résistance. Ils sont utilisés habituellement pour la préfabrication de produits en béton moulés ou filés. Le clinker est le constituant le plus réactif du ciment. La réactivité du clinker est conditionnée entre autres par sa finesse. Les ciments les plus réactifs sont les ciments de type CEM I 52,5R. Ces ciments sont constitués essentiellement de clinker, représentant plus de 95% en pourcentage massique par rapport à la masse du ciment (cf. NF EN 197-1). Le clinker ne peut pas être utilisé seul. H doit a minima être additionné de sulfate de calcium, tel que par exemple un mélange de gypse et/ou d’hémihydrate (plâtre) et/ou d’anhydrite et/ou de toute autre source de sulfate de calcium, afin de régulariser sa prise tout en optimisant sa résistance à jeune âge pour une finesse de clinker donnée. Cette optimisation est connue des cimentiers. On appellera par simplification « Clinker » dans la suite de ce document le mélange de clinker et de sulfate(s) de calcium. Les ciments de classe R présentent une surface spécifique selon le test de Blaine de l’ordre de 4500 à 5500 cm2/g (cf. norme NF EN 196-6). La finesse maximale disponible sur le marché est conditionnée par des outils industriels de broyage utilisés habituellement dans les cimenteries. C’est la raison pour laquelle on ne trouve pas sur le marché des ciments fins en grande quantité et pour des applications courantes.
La vitesse de montée en résistance d’un béton contenant ces ciments est accélérée par un traitement thermique pratiqué en usine. A titre d’exemple, on utilise des étuves ou des moules chauffants principalement électriques, qui sont réglés de manière à maintenir les produits préfabriqués en béton dans une température ambiante de 30°C à 70°C conformément à la norme NF EN 13369, durant 7h à 16h ou plus selon les performances et les cadences de production visées.
Ce traitement thermique ne peut toutefois pas être poussé à des températures trop importantes pour des raisons de perte d’efficacité. En effet, une accélération trop rapide de la montée en température entraînerait une hydratation du liant non optimisée, ce qui induirait une résistance finale du béton détériorée. De même, des températures trop importantes entraîneraient un risque de durabilité du béton selon la composition du liant utilisé si les températures du béton dépassaient les 70°C, avec en outre des risques de formation d’ettringite différée expansive.
Le ciment Portland, et surtout les ciments CEM I 52,5R utilisés dans les usines de préfabrication de produits en béton, sont les plus chers et constituent une part importante du prix de revient du béton. Leur dosage doit par conséquent être optimisé.
De plus, la réglementation va évoluer vers une approche environnementale de la construction des bâtiments. Les prémices sont déjà visibles par la création de Labels E+C“ lancés par le gouvernement français en 2016 avec une période d’expérimentation de 2 ans. Cette période d’expérimentation va permettre de fixer les seuils réglementaires de la future réglementation 2020, dite à ce jour RBR2020, Réglementation Bâtiment Responsable. La grande évolution est l’apparition de seuils d’émissions de carbone exprimés en CO2eq/m2 de surface habitable dans le bâtiment, à la fois pour les Produits de Construction et Equipements (PCE), mais aussi pour le carbone émis durant la vie complète du bâtiment pour son usage.
Le ciment, et tout particulièrement son constituant principal le Clinker, est un très fort contributeur des émissions de carbone. L’industrie cimentaire représente 5% des émissions mondiales de gaz à effet de serre (GES ou CO2éq). Le traitement thermique nécessaire pour la préfabrication en usine des produits de construction en béton y contribue également s’il fait appel à des matières hydrocarbonées. Le transport par camion des produits préfabriqués en béton est également un contributeur d’émissions de GES dès que les distances se rallongent.
Parmi les solutions proposées pour réduire les émissions de GES, il est possible d’utiliser des ciments dont une partie plus ou moins importante du Clinker est remplacée par des additions cimentaires inertes ou réactives (hydrauliques ou pouzzolaniques), telles que celles décrites dans la norme NF EN 197-1. H s’agit de ciment de type CEM II, ΙΠ, IV ou V. Une autre manière de réduire la quantité de Clinker dans les bétons est d’utiliser un ciment de type CEM I en plus faible quantité et d’ajouter directement dans le béton des additions cimentaires inertes ou réactives (hydrauliques ou pouzzolaniques), telles que celles prévues par la norme béton NF EN 206/CN. De ce fait, les paramètres essentiels sont la quantité totale d’éléments fins dans un mètre cube de béton, éléments fins apportés uniquement par le ciment ou par le ciment et les additions incorporées directement dans le béton. On parle alors de quantité de liant par mètre cube de béton. Dans ce liant, le composant le plus réactif reste le Clinker. De ce fait, toutes les solutions décrites à base de ciments et de bétons contenant moins de Clinker sont moins réactives et ne sont donc plus adaptées à la préfabrication de produits moulés. En effet, ils ne permettent pas de soutenir les cadences actuelles exigées lors de la production d’éléments préfabriqués en usine. Us sont plus communément utilisés sur chantier pour la réalisation d’éléments en béton coulés en place. Ces bétons coulés en place peuvent être fabriqués sur chantier ou être livrés depuis une centrale à béton. Dans ce dernier cas, on parle de BPE (Béton Prêt à l’Emploi) transporté par des camions toupies.
Pour le BPE, de nouveaux ciments ont été imaginés dans lesquels la quantité de Clinker a été fortement réduite en utilisant des ciments broyés plus finement et des ajouts plus importantes d’additions inertes et/ou réactives, tels que ceux décrits dans les publications WO 2008/048617 A2, FR 2 921 358 Bl, FR 2 943 662 B1 et FR
970 962 Al. Ces ciments permettent ainsi de réduire les émissions de GES pour la production de BPE, tout en maintenant les performances actuelles des bétons, mais ne sont pas adaptés à la préfabrication en usine de produits en béton armé ou précontraint à cause de leur faible réactivité, impactant directement sur la vitesse de montée en résistance du béton et par conséquent sur la rentabilité de l’outil industriel. D’autres solutions proposées consistent à réaliser des ciments totalement exempts de Clinker, tels que ceux décrits dans la publication EP 3 006 416 Al, obtenus à partir d’un mélange de laitier de haut fourneau, d’activateur alcalin à base de carbonate de sodium, de granulats et de l’eau. Ces ciments ou liants ne sont à ce jour pas autorisés pour la fabrication d’éléments structuraux, ne disposent pas de cadre normatif reconnu et surtout n’assurent pas une protection contre la corrosion des armatures dans les bétons armés ou précontraints comme les ciments Portland décrits par la norme NF EN 197-1. En outre, la norme béton NF EN 206-1/CN ne prévoit pas leur utilisation dans le domaine du génie civil.
Exposé de l'invention :
La présente invention vise à pallier ces inconvénients en proposant un nouveau béton plus écologique, c’est-à-dire ayant un impact environnemental faible, qui soit en outre spécifiquement adapté à la préfabrication de produits moulés en usine, dont les vitesses de montée en résistance du béton sont équivalentes à celles d’un béton traditionnel permettant ainsi de préserver les cadences de production actuelles, et dont les performances mécaniques sont équivalentes à celles d’un béton traditionnel permettant ainsi de respecter les règlementations en vigueur.
Dans ce but, l'invention concerne un procédé de fabrication du genre indiqué en préambule, caractérisé en ce que l’on utilise un liant hydraulique pour la préparation dudit béton comportant une quantité réduite de ciment et donc de Clinker permettant de réduire significativement l’impact environnemental dudit béton, en ce que l’on obtient ledit liant hydraulique en mélangeant du ciment dans une quantité réduite de à 50% en proportion massique du liant, ce ciment étant broyé très finement, des additions hydrauliques ou pouzzolaniques dans une quantité de 30 à 50% en proportion massique du liant, et des fillers calcaires dans une quantité de 0 à 40% en proportion massique du liant, et en ce que, lors du traitement thermique appliqué auxdits produits moulés, il se crée une synergie inattendue entre ledit ciment ultrafin et lesdites additions hydrauliques ou pouzzolaniques qui amplifie la résistance mécanique à jeune âge du béton, permettant de préserver les cadences de production pour la préfabrication en usine de produits moulés en béton.
De manière préférentielle, on choisit pour effectuer ledit traitement thermique une température comprise entre 30°C et 70°C, et l’on utilise une source d’énergie électrique à faible émissions de gaz à effet de serre.
On utilise avantageusement un ciment ultrafin présentant une finesse Blaine supérieure à 6000 cm2/g, de préférence comprise entre 6500 cm2/g et 9000 cm2/g, ce ciment pouvant être un ciment CEM I 52,5 R broyé très finement.
On peut utiliser comme addition hydraulique un laitier de haut fourneau présentant une finesse Blaine au moins égale à 4450 cm2/g +/- 250 cm2/g. Préférentiellement, on choisit un laitier de haut fourneau sur-broyé présentant une finesse Blaine au moins égale à 5300 cm2/g, et de préférence comprise entre 5300 cm2/g et 6500 cm2/g.
On peut en outre utiliser un filler calcaire présentant une finesse Blaine au moins égale à 3000 cm2/kg et de préférence comprise entre 3000 cm2/g et 6000 cm2/g.
Pour augmenter la synergie inattendue entre ledit ciment ultrafin et lesdites additions hydrauliques ou pouzzolaniques provoquée par le traitement thermique appliqué auxdits produits moulés et amplifier davantage la résistance du béton à jeune âge, on peut ajouter dans ledit liant hydraulique un activateur et/ou on peut utiliser un laitier contenant un activateur et/ou on peut utiliser un laitier broyé plus finement ayant une finesse de Blaine au moins égale à 5300cm2/g et/ou on peut utiliser du filler calcaire broyé plus finement ayant une finesse de Blaine au moins égale à 22000cm2/g et/ou on peut augmenter la température du traitement thermique jusqu’à 85°C.
Dans ce but également, l'invention concerne un béton du genre indiqué en préambule, caractérisé en ce qu’il est obtenu selon le procédé de fabrication décrit ci-dessus et en ce que le liant hydraulique comporte une quantité réduite de ciment et donc de Clinker permettant de réduire significativement l’impact environnemental dudit béton, ce liant hydraulique étant obtenu à partir d’un mélange comportant du ciment dans une quantité réduite de 30 à 50% en proportion massique du liant, ce ciment étant broyé très finement, des additions hydrauliques ou pouzzolaniques dans une quantité de 30 à 50% en proportion massique du liant, et du filler calcaire dans une quantité de 0 à 40% en proportion massique du liant.
Le liant hydraulique peut comporter en outre un activateur dans une quantité de 2 à 6% en proportion massique du liant et/ou un activateur contenu dans le laitier de haut fourneau. Ledit activateur peut être composé d’un anion choisi parmi le groupe comprenant Cl-, SCN-, NO2-, SO3-,HCO2-,NO3-, et d’un cation choisi parmi le groupe comprenant Ca2+,Sr2+,Ba2+,Li+,K+,Na+.
De préférence, les granulats comportent un mélange de graviers et de sables selon un ratio massique gravier/sable (G/S) compris entre 0,5 et 2, et préférentiellement entre 0,8 et 1,5.
Le liant hydraulique peut comporter en outre un adjuvant dans une quantité de 0,3% et à 5%, et préférentiellement de 0,5% à 4% en proportion massique du liant. Ledit adjuvant peut être un superplastifiant répondant à la norme NF EN 943-2.
Le but de l’invention est obtenu par un produit en béton préfabriqué en usine, armé ou non, précontraint ou non, pour des applications dans le bâtiment et le génie civil, tel que poutre, poutrelle, linteau, poteau, mur à coffrage intégré, prédalle, dalle de toiture, escalier, dalle alvéolée, balcon, caractérisé en ce qu’il constitue un élément de structure obtenu à partir du procédé de fabrication décrit ci-dessus, et dans un béton tel que défini ci-dessus comportant une quantité réduite de ciment et donc de Clinker permettant de réduire significativement l’impact environnemental dudit produit moulé en béton obtenu.
Description de l'invention et différentes manières de la réaliser :
Le béton selon l’invention se différencie d’un béton traditionnel par son liant hydraulique qui permet, pour un même dosage ou un dosage similaire de liant hydraulique que dans les formules traditionnellement utilisées, de conserver les vitesses de montée en résistance habituelles des bétons préfabriqués avec des températures de traitement thermique similaires, en préservant ainsi les cadences de production, tout en réduisant très fortement l’impact environnemental de ces bétons, cette réduction pouvant atteindre 50%.
La solution de l’invention consiste à remplacer le liant hydraulique traditionnel, à savoir le mélange de ciment Portland CEM I 52,5 R et de filler calcaire utilisé dans les formules de béton traditionnelles, par le mélange suivant :
un Clinker spécifique, cette quantité étant de 30 à 50% en proportion massique du liant. Ce Clinker peut provenir d’un ciment CEM I 52,5 R spécifique (contenant au moins 95% de Clinker) ou de tout autre ciment Portland spécifique. La spécificité de ce Clinker est qu’il est broyé très finement, bien au-delà des finesses commercialisées actuellement pour le marché du BPE ou de l’industrie du béton préfabriqué, un laitier ou toute addition hydraulique ou pouzzolanique (cf. NF EN 197-1 ou NF EN 206/CN), ayant une finesse normale ou préférentiellement supérieure, dans une quantité de 30 à 50% en proportion massique du liant, un filler calcaire ou toute addition inerte (cf. NF EN 197-1 ou NF EN 206/CN), ayant une finesse normale ou préférentiellement supérieure, dans une quantité de 0 à 40% en proportion massique du liant, optionnellement, des activateurs chimiques ayant pour effet d’accélérer la prise et le durcissement du laitier et/ou du ciment, tels que ceux classiquement utilisés (voir par exemple la thèse de François Jacquemot« Accélération du durcissement des liants à base de laitier de haut fourneau pour les produits en béton » publication n° 354.E, Décembre 2015, CERIB).
Les Clinkers préconisés dans la présente invention sont définis par des finesses Blaine nettement supérieures à celles disponibles sur le marché, à savoir des finesses de 6500 cm2/g à 9000 cm2/g voire plus, contre un maximum de 4500 cm2/g à 5500 cm2/g pour les ciments les plus fins actuellement utilisés dans le domaine spécifique de la préfabrication des produits moulés en usine. Ces Clinkers existent sur le marché dans des ciments commercialisés pour des applications très différentes que celles de la construction, que ce soit pour la fabrication de bétons coulés sur place ou pour la préfabrication de produits en béton. Us sont utilisés par exemple pour la formulation de coulis d’injection.
Des essais ont permis de révéler de manière surprenante et inattendue que Γ utilisation de ciments ultrafins avec un complément de laitier permet de diminuer significativement la quantité de Clinker dans le béton jusqu’au moins 40% en proportion massique du béton, à performance mécanique équivalente à jeune âge, après un traitement thermique identique, par rapport à un ciment du type CEM I 52.5R utilisé classiquement. Ces résultats vont à l’encontre d’un préjugé et des connaissances de l’homme du métier bien conscient du rôle fondamental que joue le Clinker dans la prise du béton notamment dans le domaine de la préfabrication.
Le liant hydraulique selon l’invention est ensuite assemblé à des granulats et de l’eau pour former un béton dit écologique à faible empreinte carbone. Les granulats sont principalement issus d’un mélange de graviers et de sables selon un ratio massique G/S (gravier/sable) compris entre 0,5 et 2, préférentiellement entre 0,8 et 1,5. L’eau provient du réseau mais peut également provenir d’une autre origine : eau de décantation, eau de puits, et similaire. Pour faire des bétons conformes à la NF EN 206/CN, l’eau doit être de qualité conforme à la norme NF EN 1008. Le béton peut également contenir un ou plusieurs adjuvants, et notamment un superplastifiant haut réducteur d’eau (cf. NF EN 934-2) permettant de conserver la fluidité habituellement exigée par le processus de production du béton malgré l’usage de composants ultrafins tout en conservant les quantités d’eau habituelles. Us permettent éventuellement de diminuer encore ces quantités d’eau afin d’augmenter la résistance mécanique du béton à l’état durci. Ils peuvent être ajoutés dans une quantité de 0,3% à 5%, préférentiellement 0,5% à 2%, en proportion massique de liant en fonction du produit utilisé et de l’effet recherché.
Le procédé de préfabrication de produits en béton à faible impact environnemental selon l’invention démarre par la pesée automatique des graviers et des sables qui sont ensuite acheminés dans un mélangeur appelé malaxeur. Les composants fins (ciment, additions hydrauliques ou pouzzolaniques, éventuelles additions inertes telles que des fillers calcaires) constituant le liant hydraulique sont ensuite pesés puis introduits dans le malaxeur. Une mesure automatique de la teneur en eau peut être effectuée sur ce mélange sec après un premier malaxage de 60 secondes ou plus, de sorte que la quantité d’eau à ajouter est calculée par un automate. Cette eau est ensuite ajoutée avec l’adjuvant dans le malaxeur. Après homogénéisation du mélange pendant 60 secondes minimum, le béton est évacué dans une machine de distribution vers les moules de fabrication. Selon l’équipement de malaxage et les dispositifs de contrôle en ligne, le cycle de malaxage peut être très différent, n’est pas spécifique à l’invention et appartient au domaine classique de la préfabrication de produits en béton. Bien entendu, tout autre procédé de préparation du béton peut convenir, tel qu’un procédé manuel ou semi-automatique.
Après remplissage des moules de fabrication, le béton est activé thermiquement, par étuvage ou tout autre traitement thermique équivalent. L’étuvage correspond à un procédé de traitement thermique utilisé classiquement dans les usines de préfabrication. Les températures d’étuvage courantes varient entre 30°C et 70°C pour des durées qui peuvent varier entre 5h et 16h en fonction des types de produits, des performances mécaniques à atteindre et des cadences de production visées. L’étuvage des produits préfabriqués en béton est réalisé dans des enceintes closes régulées en température. La chaleur est apportée grâce à des résistances électriques. Les étuves ont de grandes capacités, leurs volumes pouvant atteindre plus de 1500 m3. L’étuvage peut également être réalisé par des moules métalliques chauffants grâce à des résistances électriques pilotées afin de contrôler les températures de consigne. On peut avec une efficacité moindre réaliser le traitement thermique par la mise en place de couvertures chauffantes électriques sur les moules ou par le soufflage de gaz chauffé par des brûleurs sous une bâche isolante posée sur les moules. H est également possible d’utiliser pour la production du béton de l’eau chaude, voire des granulats préchauffés avec de la vapeur d’eau afin de produire des bétons chauds qui sont ensuite coulés dans des moules isolés et/ou recouverts d’une couverture isolante. Des solutions utilisant de l’énergie électrique, telles que des étuves électriques n’ont pas d’impact sur le bilan carbone des bétons étudiés dans la présente invention, ou un impact négligeable. A contrario, les traitements thermiques fonctionnant à la vapeur ou avec de l’air chaud produit par des chaudières ou des brûleurs au fioul ou au gaz ou tout autre combustible fossile sont sources de rejet de gaz carbonique (CO2) et sont exclues de la présente invention.
En complément ou en substitution partielle au traitement thermique, le liant hydraulique peut être activé par d’autres leviers, tels que :
l’ajout d’accélérateurs de prise, et à titre d’exemple non limitatif, des accélérateurs composés d’un anion et d’un cation cités ci-dessous :
o Anions : Cl-, SCN-, NO2-, SO3-, HCO2-, NO3o Cations : Ca2+, Sr2+, Ba2+, Li+, K+, Na+ le dosage en chlore ne devant pas dépasser les limites des teneurs autorisées dans le cas de production d’éléments structuraux armés et/ou précontraints, et les teneurs en alcalins (Na+ / K+) ne devant pas dépasser les limites recommandées vis-à-vis des risques d’alcalis, réactions provoquées suivant la nature des granulats utilisés,
Tutilisation d’un laitier développé spécifiquement broyé plus finement et/ou contenant des accélérateurs de durcissement du laitier en remplacement du laitier de type ECOCEM, l’augmentation de la température d’étuvage jusqu’à 85°C, température admise dans la norme NF EN 13369 sous réserve de vérifier la normalité de l’évolution de la résistance du béton entre 28 et 90 jours, l’augmentation de la finesse du filler calcaire par l’utilisation d’un filler ultrafin tel que le Betoflow® D-CL commercialisé par la société OMYA et présentant un diamètre moyen (D50) de 3,9 pm, correspondant en finesse de Blaine à une valeur de 22000cm2/g, le préchauffage de certains constituants du béton afin d’obtenir un béton déjà préchauffé avant la phase de traitement thermique, tels que l’eau et/ou les granulats, la combinaison des solutions évoquées ci-dessus.
Les essais réalisés ont démontré de manière surprenante et inattendue que le béton à faible impact environnemental selon l’invention présente de nombreux avantages :
- il ne change pas fondamentalement les habitudes de travail dans les usines de préfabrication de produits en béton, ni les cadences de production,
- il conserve les performances mécaniques des bétons actuels et celles des produits préfabriqués obtenus,
- il réduit de manière significative les impacts environnementaux grâce à la diminution de la quantité de Clinker dans les formules de béton,
- il ne nécessite pas d’investissements importants pour son déploiement industriel,
- il permet d’adapter facilement ses performances « à façon » en jouant sur le dosage du ciment ultrafin, des additions hydrauliques, pouzzolaniques ou inertes, des activateurs et sur les paramètres du traitement thermique (durée, température).
Les essais réalisés ont également démontré de manière surprenante et inattendue que rutilisation de ciments ultrafins dans des bétons destinés à la préfabrication de produits moulés, en quantité moindre permettant de diminuer la quantité de Clinker donc de réduire significativement l’impact environnemental, ne modifie pas les performances mécaniques du béton, ni sa vitesse de montée en résistance. La réduction de la proportion de ciment est avantageusement compensée par l’ajout de laitier et notamment de laitier de haut fourneau normal présentant une finesse Blaine d’au moins 4450 cm2/g avec une tolérance de plus ou moins 250 cm2/g ou de laitier de haut fourneau sur-broyé présentant une finesse Blaine d’au moins 5300 cm2/g.
La présente invention et ses avantages apparaîtront mieux dans la description suivante de quatre formules de béton, données à titre d'exemples non limitatifs, en référence au tableau 1 qui suit, comparées à une formule de base d’un béton traditionnellement utilisé pour la préfabrication de produits moulés en béton. L’ensemble des formulations répondent à la norme NF EN 206/CN notamment au béton dit d’ingénierie du tableau NA.F.3.
La quantité des composants est exprimée en kilogrammes pour 1 m3 de béton fini. La quantité de Clinker est exprimée en % de la masse totale du béton fini.
Tableau 1 - Formules de béton selon l’invention et l’art antérieur
| Composants | Formule de base | Formule de référence | Formule variante 1 | Formule variante 2 | Formule variante 3 |
| Ciment CEM I 52,5 R | 265 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Ciment ultrafin | 0 | 157 | 119 | 157 | 214 |
| dont Clinker %/MT | 10,5% | 6,3% | 4,7% | 6,3% | 8,5% |
| Laitier haut fourneau | 0 | 157 | 119 | 0 | 0 |
| Laitier haut fourneau sur-broyé | 0 | 0 | 0 | 157 | 214 |
| Filler calcaire | 114 | 64 | 133 | 64 | 0 |
| Gravier | 853 | 853 | 870 | 853 | 832 |
| Sable | 979 | 979 | 999 | 979 | 955 |
| Superplastifiant | 3 | 3 | 3 | 3 | 6 |
| Eau totale | 170 | 170 | 143 | 170 | 170 |
| Masse totale (MT) | 2384 | 2383 | 2386 | 2383 | 2391 |
Des précisions complémentaires sur les composants utilisés dans les formules de béton selon l’invention sont indiquées dans le tableau 2, à titre d’exemple non 5 limitatif, telles que leurs normes de référence, leurs fonctions, et le cas échéant, leurs équivalents techniques. La granulométrie de certains composants est exprimée en finesse Blaine* selon la norme NF EN 196-6, qui correspond à une mesure exprimée en surface spécifique, c’est-à-dire la surface développée par unité de masse.
| Tableau 2 - Précisions sur les composants utilisés pour les formules | |||
| Type | Origine | Norme de référence | Caractéristiques essentielles |
| Ciment Ultrafin | CEM I 52.5 R ULTRAVAL usine OLAZAGUTI Espagne | EN 197-1 | Finesse Blaine* 7550 cm2/g |
| Laitier de Haut Fourneau moulu | ECOCEM usine de Fos sur Mer France | EN 15167-1 | Finesse Blaine* 4450 +/- 250 cm2/g |
| ECOCEM surbroyé usine de Fos sur Mer France | EN 15167-1 | Finesse Blaine* 5300 cm2/g | |
| Filler calcaire | BETOCARB HP site d’Orgon France | NFP18-508 | Surface spécifique > = 3000 cm2/g |
| Gravier | Gravier 4/10 MICHEL SAS- B aider sheim France | NF EN 12620 +A1 | Nature : Silico Calcaire |
| Sable | Sable 0/4 roulé MICHEL SASB aider sheim France | NF EN 12620 +A1 | Nature : Silico Calcaire |
| Super-plastifiant / Haut réducteur d’eau | MAPEINRG 1045 | NF EN 934-2+A1 | |
| Eau | Eau du réseau | NF EN 1008 | Teneur en chlorures <500mg/l |
Les différentes formules de béton selon l’invention ont fait l’objet de tests de 5 résistance selon la norme NF EN 12390-3 à jeune âge (18 heures) après étuvage pendant 16 heures, et à 28 jours. Les résistances obtenues ont été comparées à celles de la formulation de base d’un béton traditionnellement utilisé pour la préfabrication de produits en béton. Les résultats sont résumés dans les tableaux 3 et 4 qui suivent et analysés après chaque tableau.
| Tableau 3 - Performances des bétons / étuvage des bétons à 40°C pendant la phase de durcissement (environ 16 heures) | |||||
| Formule de base | Formule de référence | Formule variante 1 | Formule variante 2 | Formule variante 3 | |
| Résistance à jeune âge 18 heures | 31 Mpa | 30 Mpa | 21 Mpa | 34 Mpa | 44 Mpa |
| Résistance à 28jours | 47 Mpa | 53 Mpa | 42 Mpa | 58 Mpa | 75 Mpa |
| Emissions de kg CO2eq/m3 de béton | 251 kg CO2 eq/m3 | 155 kg CO2 eq/m3 | 124 kg CO2 eq/m3 | 156 kg CO2 eq/m3 | 204 kg CO2 eq/m3 |
La formule de référence du béton selon l’invention contient une quantité réduite de
Clinker de 40% par rapport à la formule de base. On constate qu’elle permet d’atteindre des résistances à jeune âge et à 28 jours identiques voire légèrement supérieures à celles de la formule de base, et d’obtenir une réduction des émissions de GES de 38%. Cette formule de référence a l’avantage d’offrir un bon compromis entre résistance mécanique du béton et réduction des émissions de GES, sans modifier les cadences de production.
La formule « variante 1 » du béton selon l’invention contient une quantité réduite de
Clinker de 55% par rapport à la formule de base. Elle permet d’atteindre des résistances à jeune âge et à 28 jours légèrement inférieures à celles de la formule de base, et d’obtenir une réduction des émissions de GES de 50%. Cette formule 15 « variante 1 » a l’avantage de réduire d’avantage les émissions de GES mais implique de réduire légèrement les cadences de production. Elle est particulière adaptée pour la préfabrication de produits en béton armé.
La formule « variante 2 » du béton selon l’invention correspond à la formule de 20 référence avec un laitier sur-broyé. Elle permet d’atteindre des résistances à jeune âge et à 28 jours supérieures respectivement de 10% et de 23% à celles de la formule de base, et d’obtenir une réduction des émissions de GES de 38%. Cette formule « variante 2 » a l’avantage d’offrir de meilleures performances mécaniques, pour une même réduction des GES que la formule de référence. Elle est particulièrement adaptée pour la préfabrication de produits en béton précontraint et pourrait encore être optimisée afin de retrouver les performances de la formule de référence tout en diminuant encore les émissions de GES. Elle montre également qu’il y a une synergie à utiliser de manière couplée du laitier fin avec du Clinker fin et un traitement thermique. En effet, le laitier est activé thermiquement de plus en plus tôt lorsque sa finesse augmente et apporte ainsi une contribution non négligeable dès les 16 premières heures d’étuvage. Les gains observés dès le jeune âge sont conservés à 28 jours, ce qui traduit une hydratation saine, homogène et non erratique.
La formule «variante 3 » du béton selon l’invention contient un laitier sur-broyé et une quantité réduite de Clinker de 19% par rapport à la formule de base. Elle permet d’atteindre des résistances à jeune âge et à 28 jours très supérieures respectivement de 42% et de 60% à celles de la formule de base, et d’obtenir une réduction des émissions de GES de 19%. Cette formule «variante 3» a l’avantage d’offrir d’excellentes performances mécaniques et est particulièrement adaptée pour des produits préfabriqués en béton fortement précontraints et de section réduite.
| Tableau 4 - Performances des bétons / étuvage des bétons à 60° C pendant la phase de durcissement (environ 16 heures) | |||||
| Formule de base | Formule de référence | Formule variante 1 | Formule variante 2 | Formule variante 2 | |
| Résistance à jeune âge 18 heures | 36 Mpa | 39 Mpa | / | 46 Mpa (+25%) | / |
| Emissions de kg CO2eq/m3 de béton | 251 kg CO2 eq/m3 | 155 kg CO2 eq/m3 | / | 156 kg CO2 eq/m3 | / |
Ces essais n’ont été réalisés que sur les formules de référence et « variante 2 ». Ils ont l’avantage de démontrer très clairement l’influence de la température d’étuvage sur les résistances du béton à jeune âge. Sur la formule de référence, le fait de passer de 40°C à 60°C permet un gain de 31 à 36MPa pour la formule de base soit +16%, de 30MPa à 39MPa soit +30% pour la formule de référence avec un laitier normal et de 34MPa à 46MPa soit +35% pour la variante 2 (formule de référence avec du laitier sur-broyé). Ces résultats montrent clairement que le laitier est activé thermiquement de plus en plus tôt lorsque la température d’étuvage augmente et d’autant plus que sa finesse augmente. Il apporte ainsi une contribution non négligeable et plus importante dès les 16 premières heures d’étuvage, ce qui est un plus indéniable pour la production de bétons préfabriqués tout en conservant les bénéfices d’une réduction des émissions de GES.
Ces essais démontrent de manière surprenante, inattendue et sans ambiguïté la faisabilité d’utiliser des bétons contenant du Clinker ultrafin en quantité moindre, associé à du laitier pour la préfabrication de produits moulés en usine sans perturber le cycle de production actuel (coulage du béton dans les moules de fabrication, durée et température du traitement thermique). On pourra en outre utiliser avantageusement des laitiers sur-broyés pour amplifier encore les gains et profiter d’une synergie entre un Clinker ultrafin, un laitier sur-broyé et un traitement thermique.
Ces nouveaux bétons selon l’invention permettent d’atteindre d’ores et déjà une réduction d’environ 38% des émissions de GES. Ces gains se répercutent sur les produits préfabriqués obtenus, qui deviennent nettement plus performants que le coulé en place, c’est-à-dire que des éléments de construction coulés directement sur chantier.
La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits mais s'étend à toute modification et variante évidentes pour un homme du métier.
Claims (21)
- Revendications :1. Procédé de fabrication de produits en béton préfabriqués en usine, armés ou non, précontraints ou non, pour des applications dans le bâtiment et le génie civil, tels que poutres, poutrelles, linteaux, poteaux, murs à coffrage intégré, prédalles, dalles de toiture, escaliers, dalles alvéolées, balcons, procédé dans lequel l’on prépare un béton à partir d’un mélange comportant des granulats, un liant hydraulique et de l’eau, l’on coule le béton dans des moules de fabrication pour réaliser des produits moulés, et l’on applique un traitement thermique aux produits moulés pendant une durée déterminée afin d’accélérer l’hydratation du liant hydraulique et la prise du béton avant de démouler lesdits produits en béton préfabriqués, caractérisé en ce que l’on utilise un liant hydraulique pour la préparation dudit béton comportant une quantité réduite de ciment et donc de Clinker permettant de réduire significativement l’impact environnemental dudit béton, en ce que l’on obtient ledit liant hydraulique en mélangeant du ciment dans une quantité réduite de 30 à 50% en proportion massique du liant, ce ciment étant broyé très finement, des additions hydrauliques ou pouzzolaniques dans une quantité de 30 à 50% en proportion massique du liant, et des fillers calcaires dans une quantité de 0 à 40% en proportion massique du liant, et en ce que, lors du traitement thermique appliqué auxdits produits moulés, il se crée une synergie inattendue entre ledit ciment ultrafin et lesdites additions hydrauliques ou pouzzolaniques qui amplifie la résistance mécanique à jeune âge du béton, permettant de préserver les cadences de production pour la préfabrication en usine de produits moulés en béton.
- 2. Procédé de fabrication selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’on choisit une température pour ledit traitement thermique comprise entre 30°C et 70°C.
- 3. Procédé de fabrication selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour effectuer ledit traitement thermique, l’on utilise une source d’énergie électrique à faible émissions de gaz à effet de serre.
- 4. Procédé de fabrication selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’on utilise un ciment ultrafin présentant une finesse Blaine supérieure à 6000 cm2/g, de préférence comprise entre 6500 cm2/g et 9000 cm2/g.
- 5. Procédé de fabrication selon la revendication 4, caractérisé en ce que l’on choisit préférentiellement un ciment CEM I 52,5 R broyé très finement.
- 6. Procédé de fabrication selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’on utilise comme addition hydraulique un laitier de haut fourneau présentant une finesse Blaine au moins égale à 4450 cm2/g +/- 250 cm2/g.
- 7. Procédé de fabrication selon la revendication 6, caractérisé en ce que l’on choisit préférentiellement un laitier de haut fourneau sur-broyé présentant une finesse Blaine au moins égale à 5300 cm2/g, et de préférence comprise entre 5300 cm2/g et 6500 cm2/g.
- 8. Procédé de fabrication selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’on utilise un filler calcaire présentant une finesse Blaine au moins égale à 3000 cm2/kg-et de préférence comprise entre 3000 cm2/g et 6000 cm2/gL
- 9. Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, pour augmenter la synergie inattendue entre ledit ciment ultrafin et lesdites additions hydrauliques ou pouzzolaniques provoquée par le traitement thermique appliqué auxdits produits moulés et amplifier davantage la résistance du béton à jeune âge, l’on ajoute dans ledit liant hydraulique un activateur et/ou on utilise un laitier contenant un activateur et/ou on utilise un laitier broyé plus finement ayant une finesse de Blaine au moins égale à 5300cm2/g_et/ou on utilise du filler calcaire broyé plus finement ayant une finesse de Blaine au moins égale à 22000cm2/g et/ou on augmente la température du traitement thermique jusqu’à 85°C.
- 10. Béton obtenu à partir d’un mélange comportant des granulats, un liant hydraulique et de l’eau, ce béton étant destiné à la fabrication de produits en béton préfabriqués en usine, armés ou non, précontraints ou non, pour des applications dans le bâtiment et le génie civil, conformément au procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le liant hydraulique comporte une quantité réduite de ciment et donc de Clinker permettant de réduire significativement l’impact environnemental dudit béton, ce liant hydraulique étant obtenu à partir d’un mélange comportant du ciment dans une quantité réduite de 30 à 50% en proportion massique du liant, ce ciment étant broyé très finement, des additions hydrauliques ou pouzzolaniques dans une quantité de 30 à 50% en proportion massique du liant, et du filler calcaire dans une quantité de 0 à 40% en proportion massique du liant.
- 11. Béton selon la revendication 10, caractérisé en ce que ledit ciment est un ciment ultrafin présentant une finesse Blaine supérieure à 6000 cm2/g, de préférence comprise entre 6500 cm2/g et 9000 cm2/g.
- 12. Béton selon la revendication 11, caractérisé en ce que ledit ciment est un ciment CEM I 52,5 R broyé très finement.
- 13. Béton selon la revendication 10, caractérisé en ce que ladite addition hydraulique est un laitier de haut fourneau présentant une finesse Blaine au moins égale à 4450 cm2/g +/- 250 cm2/g.
- 14. Béton selon la revendication 13, caractérisé en ce que ledit laitier est un laitier de haut fourneau sur-broyé présentant une finesse Blaine au moins égale à 5300 cm2/g, et de préférence comprise entre 5300 cm2/g et 6500 cm2/g.
- 15. Béton selon la revendication 10, caractérisé en ce que ledit filler calcaire présente une finesse Blaine au moins égale à 3000 cm2/g, et de préférence comprise entre 3000 cm2/g et 6000 cm2/g.
- 16. Béton selon l’une quelconque des revendications 10 à 15, caractérisé en ce que ledit liant hydraulique comporte en outre un activateur dans une quantité de 2 à 6% en proportion massique du liant et/ou un activateur contenu dans le laitier de haut fourneau.
- 17. Béton selon la revendication 16, caractérisé en ce que l’activateur est composé d’un anion choisi parmi le groupe comprenant Cl-, SCN-, NO2-, SO3-,HCO2-,NO3-, et d’un cation choisi parmi le groupe comprenant Ca2+,Sr2+,Ba2+,Li+,K+,Na+.
- 18. Béton selon la revendication 10, caractérisé en ce que les granulats comportent un mélange de graviers et de sables selon un ratio massique gravier/sable (G/S) compris entre 0,5 et 2, et préférentiellement entre 0,8 et 1,5.
- 19. Béton selon la revendication 10, caractérisé en ce que ledit liant hydraulique comporte en outre un adjuvant dans une quantité de 0,3% à 5%, et préférentiellement de 0,5% à 4% en proportion massique du liant.
- 20. Béton selon la revendication 19, caractérisé en ce que ledit adjuvant est un superplastifiant répondant à la norme NF EN 943-2.
- 21. Produit en béton préfabriqué en usine, armé ou non, précontraint ou non, pour des applications dans le bâtiment et le génie civil, tel que poutre, poutrelle, linteau, poteau, mur à coffrage intégré, prédalle, dalle de toiture, escalier, dalle alvéolée, balcon, caractérisé en ce qu’il constitue un élément de structure obtenu à partir du procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications 1 à 9 et dans un béton selon l’une quelconque des 5 revendications 10 à 20 comportant une quantité réduite de ciment et donc deClinker permettant de réduire significativement l’impact environnemental dudit produit moulé en béton obtenu.
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Citations (3)
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-
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Patent Citations (3)
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