Procédé de préparation de bétons à haute résistance et à durcissement rapide. Le béton est constitué par le mélange d'un liant, ciment par exemple, d'eau et d'agrégats, le terme d'agrégats désignant les matériaux chimiquement inertes comme le sable et le gravier. Sitôt après le gâchage, les grains du liant dispersés dans l'eau s'en tourent d'une solution colloïdale des consti tuants du liant. Peu à peu cette solution se coagule pour former un #gel". Selon certains auteurs, le durcissement serait produit par le fait que cette couche de gel, presque imper- méable,empêche l'eau d'être absorbée par les grains, d'où résulte une force d'attraction qui soude les particules les unes aux autres.
Ce premier phénomène serait suivi de la forma tion de combinaisons cristallines autour de chaque grain de liant; ces cristaux rempli raient peu à peu les interstices. Certains auteurs aussi n'attribuent le durcissement du liant qu'à la formation des cristaux, tandis que d'autres disent n'avoir observé que la présence du gel. On peut considérer qu'en réalité ces -deux conceptions ne sont pas abso- lument contraires, mais que la cristallisation, si elle se produit, n'est qu'une évolution de la .gélification.
Pour donner au béton fraîchement gâché une fluidité suffisante lui permettant d'être manié sans difficulté et de prendre la forme désirée en assurant le remplissage total des moules ou des coffrages dans lesquels il est coulé, il a toujours été nécessaire d'utiliser pour la préparation du béton une quantité d'eau notablement supérieure à celle qui est strictement indispensable pour produire les transformations physico-chimiques présidant à la prise du liant et au durcissement du béton.
Cette quantité d'eau est actuellement définie par le rapport
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du poids de l'eau à celui du liant. On s'explique aisément la constatation courante qu'un excès d'eau de gâchage,dimi nue considérablement les qualités du béton, entre autres sa résistance mécanique et son étanchéité; la minéralisation des couches de gel, c'est-à-dire leur concentration en sub stances dispersées, diminue avec l'augmenta tion de la quantité d'eau; d'autre part, une partie de l'eau en excès s'évapore avec le temps en laissant de petites cavités dans le béton durci, qui reste ainsi poreux et moins résistant, en particulier aux efforts méca niques et à l'action du bel.
En diminuant la quantité d'eau de gà- chage, on tend à atténuer ces inconvénients; on constate parallèlement une augmentation du poids spécifique apparent, c'est-à-dire du poids de la masse rapporté à l'unité de volume brut, vides intérieurs compris. Cette augmentation est due à la fois au fait que le béton contient moins de son constituant le plus léger (l'eau) et au fait que les vide dus à l'évaporation de l'excès d'eau sont moins nombreux.
Mais l'eau de oaehage constitue un lubri fiant et plus on cherche à en diminuer la quantité, plus on a de peine à. mettre le béton correctement en place, à cause du frottement des grains les uns sur les autres. Les vides à l'intérieur de la masse et les risques de formation de nids de gravier aug mentent alors par suite d'un arrangement défectueux des grains, et la résistance de même que le poids spécifique apparent di minuent à nouveau, par rapport à celui d'un béton plus fluide; pour remédier à ces incon vénients, on a tout d'abord cherché à aug menter la compacité du béton en le pilonnant ou en secouant les moules ou encore en frap pant avec un marteau sur les coffrages.
Plus tard, on a cherché à perfectionner ce seeouage par l'application de vibrations pour lesquelles on dispose actuellement de divers appareils. On peut, par exemple, faire vibrer les coffrages, mais le procédé présente le gros in convénient d'exiger une énergie très grande absorbée en majeure partie par les coffrages eux-mêmes, et qui ne se communique au béton qu'à une très faible profondeur.
On peut aussi introduire dans la masse du béton des appareils dits #pervibrateurs" de formes di- verses; ces appareils, étant basés sur l'action d'une masse excentrique en rotation, provo quent souvent la ségrégation des matériaux constituant le béton, c'est-à-dire la séparation des grains suivant leur niasse. En outre, la vi bration ne se transmet bien que dans le voi sinage du vibrateur et, lorsqu'on retire l'ap pareil, on crée dans la masse. à l'endroit où il était enfoncé, une cavité qui se remplit mal, ou essentiellement de laitance, et qui constitue de ce fait un point faible.
On peut également soumettre à, la vibration le moule a<B>a</B> vec la. masse qu'il contient, mais l'applica- tion de ce procédé exige une grande dépense d'éner oie et ne peut être que limitée aux petits objets moulés d'avance.
Toutes les méthodes de pilonnage et de vibration décrites ci-dessus ont pour objet de faciliter la nuise en place du béton en com muniquant de petits mouvements à tous les grains, de manière < n les séparer les uns des autres pendant de courts instants, pour sup primer les frottements de contact et permet tre à ces grains (le se tasser plus facilement sous l'effet de leur poids propre, combiné éventuellement avec l'effet de forces supplé mentaires appliquées à, la masse (compres- --ion, force centrifuge,
par exemple). Ce sont en fait des secousses plus ou moins rapides.
On sait aussi que les vibrations de ce genre appliquées à un bétons gâché avec un excès d'eau sont nettement nuisibles, parce qu'elles provoquent rapidement une ségré gation des matériaux; certaines couches sont ainsi appauvries en ciment et d'autres couches noyées dans un excès d'eau. Le résultat est meilleur avec un béton mou, et s'améliore encore notablement avec l'emploi d'un béton relativement sec.
Cependant, si la quantité d'eau de gâchage est inférieure à un certain minimum, le béton ne peut plus être mis en place par les moyens actuellement utilisés, les frottements augmentant dans une propor tion trop considérable. Les grains, même soirs l'effet des secousses, n'arrivent plus à glisser suffisamment les uns sur les autres pour prendre leur place; il reste entre eux des vides et la compacité diminuant, la résistance du béton diminue aussi.
L'expérience montre de même qu'avec les bétons fabriqués actuellement et les moyens utilisés jusqu'à ce jour, on n'a pas intérêt à augmenter au delà de certaines limites la fréquence des vibrations et la durée de leur application. Ces faits ressortent clairement des études effectuées par différents auteurs et résumées entre autres par F. Kaufmann en 1938 (article paru les 20.8. 38 et 5. 9. 38 dans #Beton und Eisen, Internationales Organ für Beton-Bau", Verlag Wilhelm Ernst und Salin, Berlin, voir en particulier la fig. 8).
Il résulte de tout ce qui précède que dans les conditions actuelles, le poids spécifique apparent d'un béton de constitution normale (D = 30 mm), mis en place avec les procédés connus, avec ou sans vibrations, ne dépasse pas les 93 % du poids spécifique moyen des matériaux secs (poids rapporté à l'unité de volume,de matière supposée absolument com pacte, c'est-à-dire exempte de vides inté rieurs).
En résumé, on sait actuellement que si l'on diminue la quantité d'eau au-dessous d'une certaine valeur, la résistance diminue; on sait, d'autre part, que des chocs et des vibrations augmentent en général la résis tance.
La présente invention a pour objet un procédé de préparation de bétons à haute ré sistance et à durcissement rapide, qui évite les inconvénients cités. Selon ce procédé, on gâche des matériaux secs avec une quantité d'eau inférieure à celle nécessaire pour obte nir un béton présentant une consistance de terre humide, et on soumet le mélange à des vibrations dont une partie au moins est à fréquence élevée, c'est-à-dire supérieure à 3000 vibrations par minute,
et dont l'accélé- ration maximum, est supérieure à 4 g, g,dé signant l'accélération de la pesanteur.
Les , exemples suivants montrent dans quelle mesure on peut diminuer la quantité d'eau de gâchage. Le tableau ci-dessous in dique les résultats atteints dans l'application ,du procédé -selon l'invention et -ceux obtenus pour un béton à consistance de terre humide dont la mise en place est difficile et dans cer tains cas ne peut se faire que par vibrations ou damage énergique. Ces résultats sont extraits d'une série d'essais effectués par le professeur Bolomey pour déterminer l'in fluence du mode de mise en rouvre du béton sur sa résistance.
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Dosage <SEP> Résistance <SEP> à <SEP> 7 <SEP> jours
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<tb> Roulés <SEP> Suivant <SEP> une <SEP> forme
<tb> 334 <SEP> kg <SEP> 0-15 <SEP> d'exécution <SEP> du <SEP> pro- <SEP> 114 <SEP> 1 <SEP> 0,34 <SEP> 2,
52 <SEP> 80 <SEP> à <SEP> 90 <SEP> 680 <SEP> à <SEP> 730
<tb> cédé <SEP> selon <SEP> l'inven mm <SEP> tion L'emploi de ce béton très sec doit s'ac compagner de vibrations particulières per mettant non seulement de vaincre les frotte ments entre les grains de sable, mais de faire apparaître le phénomène de la thixotropie dans le gel. L'une des particularités essen tielles de ces vibrations réside dans le fait. que leur accélération maximum est en tout. cas supérieure à 4 g, en vue d'obtenir une mise en mouvement, en particulier des élé ments fins, suffisamment puissante pour leur permettre de se mettre en position relative les uns par rapport aux autres avec des in terstices minima.
Par ce moyen, les pellicules d'eau, qui, grâce à leur tension superficielle, entourent certaines agglomérations de grains secs du liant sont rompues, ce qui facilite le mouillage de tous les autres grains.
On fait usage de préférence de vibrations dirigées, les vibrations non dirigées diffu sant rapidement dans la masse, d'où résul terait un amortissement considérable de l'effet vibratoire. Ces vibrations dirigées peuvent être produites par un appareil fixe, par exemple par une table vibrante, utilisée de préférence pour la fabrication d'objets de dimensions restreintes ou pour l'opération de #prévibration" telle que décrite dans le brevet suisse No 237342.
La masse de béton disposée sur une table doit être couverte au moins en partie par un organe mobile, soumis à une légère pression, de manière que les, éléments avec lesquels il est en contact ne puissent pas se détacher, sous l'effet des vibrations à grande accélé ration.
De même, le béton qui doit être vibré peut être enfermé dans un récipient dont au mains une partie de la paroi est mobile, cette partie étant soumise à une légère pression. Les vibrations peuvent être transmises à la masse par l'intermédiaire de la partie mobile du récipient qui la contient. Elles pourraient aussi l'être par l'intermédiaire d'un fluide, par exemple pneumatiquement, la. matière à vibrer étant alors placée dans un récipient fermé.
Pour permettre la préparation continue d'in béton à haute résistance et à durcisse ment rapide, on peut soumettre la masse ou une partie de cette dernière à l'action de vi brations, alors que celle-ci traverse un tube dont elle remplit la section sur au moins une partie de sa longueur.
Enfin, des corps de section cylindrique ou polygonale peuvent être préparés en pla çant la. masse dans un moule vertical et en soumettant les parois latérales du moule à des vibrations. Dans ce cas, il n'est en gé néral pas nécessaire de prévoir une paroi mobile soumise à une légère pression et fer mant l'ouverture supérieure du moule, spé cialement lorsque la surface de cette ouver ture est faible eu égard à la hauteur du moule.
Ces vibrations peuvent aussi être pro duites par un appareil mobile qu'on applique à la surface du béton.
Dans tous les cas. il se forme à l'endroit de la masse soumise aux vibrations une agglutination constituant un milieu continu qui se développe progressivement à, travers toute la masse et dans lequel le; vibrations se transmettent avec un faible amortissement.
partir du moment. où ce milieu continu atteint une paroi opposée à la surface rece vant les vibrations, il peut. s'établir à travers la masse un régime d'ondes stationnaire par réflexion sur cette paroi. Ces ondes per mettent -de parfaire l'arrangement des grains avec une très faible dépense d'énergie. L'ex périence montre que les résultats sont d'au tant meilleurs que la. fréquence de ces vibra tions est plus élevée, par exemple supérieure à, 5000 vibrations par minute. On peut faire usage avec intérêt de vibrations ultrasonores.
Dans le cas de vibrations dirigées, il n'est pas indispensable de déposer le béton en couches minces vibrées séparément, car de telles vibrations dirigées se propagent à une grande profondeur.
Les vibrations à fréquence élevée ont peu d'action sur les grains les plu: gros et par conséquent les plus inertes. Elles n'ont. pas pour effet de secouer toute la masse de béton, mais de faire vibrer plus spécialement les grains fins et agissent avec intensité sur les couches, de gel entourant les grains du liant en provoquant le phénomène déjà mentionné de la thixotropie.
Le traitement selon le procédé décrit pré sente encore l'avantage de permettre une sou dure parfaite des couches successives de béton, de sorte qu'il ne se crée pas de discontinuités (joints du bétonnage) dans la masse de béton. Bien mieux, le procédé permet de souder du béton frais sur du béton durci en assurant une très grande adhérence de la reprise du bétonnage.
On agit sur les micelles constituant le gel d'autant plus rapidement et avec une dépense d'énergie d'autant plus faible que les vibra tions appliquées au béton sont plus courtes, c'est-à-dire à fréquence plus élevée, puis qu'on intéresse uniquement les éléments les plus fins, sans mettre en mouvement les plus gros. En poussant ce cas à l'extrême, on observe un passage très rapide de l'état de thixotropie à un état de coagulation final.
Ce phénomène a reçu le nom de #rhéopexie". On peut en faire usage avec intérêt, en appli quant au béton mis en place par des vibra tions des ultrasons provoquant très rapide ment la prise du liant, ce qui facilite encore le démoulage immédiat du béton.
Les vibrations peuvent être engendrées par un vibrateur à fréquence variable, per mettant d'agir successivement sur les grains de différentes grosseurs du béton. On peut, par exemple, procéder de la façon suivante:
à l'aide de vibrations à basse et moyenne fré quence, an réalise un premier tassement de la masse du béton; puis on agit sur les élé ments fins et sur le bel avec des vibrations à fréquence élevée, c'est-à-dire supérieure à 3000 vibrations par minute, et dont l'accélé ration est supérieure à 4 g; cette dernière opération, en provoquant l'arrangement des petits éléments, peut laisser quelques vides au voisinage des gros grains, qu'on arrange à nouveau par des vibrations à basse fréquence; on complète alors l'arrangement des grains fins et on entretient l'état thixotropique du gel en revenant aux vibrations à fréquence élevée, et ainsi de suite.
On fait donc varier plusieurs fois de suite la fréquence d'une extrémité à l'autre de la gamme, jusqu'à l'ob tention d'une compacité pratiquement com- plète du béton.
On peut aussi, de manière avantageuse, employer simultanément des vibrateurs à basses, moyennes et hautes fréquences, les plus basses fréquences destinées au tassement -des grains les plus gros étant produites par des vibrateurs peu coûteux, comme ceux qu'on trouve actuellement dans le commerce.
Toutes ces vibrations à fréquences diffé rentes peuvent être également dirigées, de manière à augmenter leur efficacité, ou à trai ter plus spécialement certaines parties d'un ouvrage.
Le procédé décrit présente, par rapport aux méthodes actuellement employées, les avantages suivants: aJ Il permet de réaliser -des bétons à très haute résistance, en particulier à la co-in- pression et à la flexion, et à durcissement rapide, sans qu'un surdosage en ciment :soit nécessaire.
b) Il permet d'élever le module -d'élasti cité du béton, qui peut dépasser 600 T/em2. c) Il permet, grâce aux résistances mé caniques très élevées atteintes par le béton, de diminuer ou même de supprimer dans cer- tai;ns cas les étriers et les barres tendues -du béton armé.
d) Il permet également d'utiliser plus complètement les avantages des aciers d'ar mature à haute résistance.
e) Les bétons obtenus sont parfaitement étanches et résistants au gel.
f) La meilleure ordonnance des éléments du béton, et particulièrement des éléments très fins, permet de réaliser une économie très appréciable -de ciment, sans sacrifier pour cela la résistance.
En résumé, il ressort de ce qui précède qu'en soumettant à -des vibrations de carac tère bien déterminé un mélange contenant notablement moins d'eau que ce qui est actuellement considéré comme le minimum possible, on obtient des résistances et une rapidité de durcissement du béton qui consti tuent un progrès technique considérable.
On obtient, en outre, un béton très com pact, et on économise une quantité notable de ciment, tout en améliorant les qualités du béton; en particulier, sa résistance mécanique, son module d'élasticité et sa résistance au gel sont augmentés.
Le béton préparé suivant le procédé de l'invention présente enfin un poids spéci fique apparent très élevé. Des corps en béton fabriqués suivant le procédé ont montré par exemple un poids spécifique apparent de 95% du poids des matériaux secs, alors que pour un béton préparé suivant les procédés connus, il ne dépasse généralement pas 90 à 93%.