La présente invention concerne le domaine des matériaux de construction, et plus particulièrement concerne de nouvelles compositions pour matériaux de construction, leurs procédés associés et leurs utilisations pour la réalisation notamment d'éléments ou modules de construction.- Inventeur(s) HOFFMANN DAVID [FR] +
- Demandeur(s) HOFFMANN JB TECH [FR] +
- Numéro de demande WO2016FR50689 20160325
- Numéro(s) de priorité: FR20150052615 20150327
ETAT DE LA TECHNIQUE
Le ciment, tel que le ciment Portland, est un matériau très utilisé dans le domaine de la construction. Cependant ce ciment, bien que performant, nécessite, pour sa fabrication, d'une part, la consommation de nombreuses ressources et, d'autre part, produit une quantité non négligeable de polluants responsables, entre autres, du réchauffement climatique et des pluies acides. Enfin, sa durée de vie, bien que longue, est limitée par les multiples dégradations, notamment liées à la pollution atmosphérique, qu'il peut subir au cours du temps. Toutes ces particularités font que le ciment Portland s'inscrit de moins en moins dans une démarche de développement durable.
II existe des alternatives aux matériaux de construction classiques mais elles ne répondent que partiellement aux exigences de performances nécessaires, De plus, leur coût économique élevé se révèle souvent une limite à une large utilisation.
Par exemple les géopolymères ont été inventés vers la fin des années 70 par le professeur Davidovits, Leurs propriétés en termes de durabilité, de performances mécaniques et de développement durable ont récemment mis ces liants de nouvelle génération sur le devant de la scène.
Un géopolymère est formé à partir d'une matrice minérale composée de silice et d'alumine présentant des sites réactionnels sur lesquels on fait réagir des agents de réticuîation contenus dans une solution dite d'activation, généralement alcaline. Cette réaction produit un gel à base de poiy(silico-oxo-aluminate) qui enrobe les granulats et durcit au fur et à mesure de l'avancement réactionnel, jusqu'à l'obtention d'un bloc monolithique composé d'un « verre » dans lequel sont englobés les granulats. Cependant les procédés de réalisation de ces géopolymères sont soit peu adaptables industriellement et/ou utilisent des produits coûteux. Les réactions s'effectuent généralement avec chauffage des constituants.
Un exemple de fabrication à température ambiante de ciment géopolymérique à base de cendres volantes silico-alumineuses (dites de classe F) est décrit dans le brevet EP 2061732 B1 de J. Davidovits. Cependant le matériau de base, les cendres volantes silico-a!umineuses (dites de classe F), issues de centrales thermiques à charbon, est un matériau peu disponible en France.
Dans une autre demande de brevet plus récente FR 2966823 du même inventeur est décrit un procédé de fabrication d'un liant ou ciment géopolymère comprenant une première étape de traitement d'éléments géologiques riches en oxydes de fer et en ferro-kaoiinite à une température de 600 à 850 °C pendant plusieurs heures, au cours de laquelle la ferro-kaolinite devient du ferro-métakaolin, puis dans une seconde étape de les faire réagir avec un milieu réactionnel de type Ca-géopolymérique à température ambiante ou inférieure à 85°C. Les exemples de ce document indiquent que le précurseur géopolymérique qu'est ici le ferro-métakaolin est préparé lors d'un traitement thermique long (calcination à 750 °C pendant 3 heures, suivie d'un broyage) et donc très consommateur d'énergie.
Par ailleurs le document US 2012/0192765 A1 présente des formulations de géopolymère basées sur un métakaolin M1200S produit selon le procédé AGS de four flash. Les caractéristiques de calcination sont indiquées dans le brevet comme étant une chambre de température 900 à 1000°C portant le kaolin à 750 à 850°C pendant un temps très court (non précisément indiqué dans ce texte).
Ce métakaolin M1200S présente une grande réactivité mais son mode de calcination flash produit un métakaolin très fin (le paragraphe [0024] indique une D50 entre 1 et 2 μιτι) présentant notamment une très forte demande en eau (1650 g/kg au cône de Marsh, selon la fiche technique). La quantité nécessaire de solution d'activation est donc notoirement élevée : en particulier un ratio (M20+Si02)/matrice de 11 ,3 moi/kg (pour la formulation « ex1 ») et de 10,6 mol/kg avec une forte utilisation de superplastifiant (pour la formulation « ex14 »). (voir plus loin les tableaux comparatifs). Or, la solution d'activation, contenant de ia soude et du silicate de sodium, représente une proportion importante du coût économique et de l'impact environnemental. Ainsi la production d'une tonne de soude nécessite plus de 20 MJ d'énergie et 1 ,3 T eq C02d'impact carbone responsable du réchauffement climatique. De plus, la soude représente, du fait de sa corrosivité importante, le constituant le plus dangereux dans les formu!ations de géopolymères. Enfin, la solution d'activation, de par sa teneur en éléments salins est responsable des effets d'efflorescences observés sur les géopolymères. Il convient donc de limiter au minimum les quantités de solutions d'activations dans les formulations.
La présente invention a pour but de pallier les inconvénients de l'art antérieur en proposant une composition pour matériau de construction à partir de matériaux facilement disponibles et réactifs, et à faible impact écologique : notamment ne nécessitant pas de traitement thermique long et coûteux.
Un autre but de l'invention a pour but de proposer une composition pour matériau de construction avec une quantité réduite, voire une absence de ciment ou de clinker, pouvant servir à la confection de divers modules ou éléments de construction, par moulage ou extrusion.
Un autre but de l'invention est de proposer une composition pour matériau de construction pouvant être mise en oeuvre dans un procédé de fabrication de modules ou éléments de construction en mélange avec de l'argile crue, sans nécessiter de cuisson,
DESCRIPTION DE L'INVENTION
A cet effet, la présente invention propose une composition pour matériau de construction comprenant une matrice refermant majoritairement un composé à base d'alumino-silicate, tel qu'un métakaoiin, et une solution d'activation alcaline, cette composition est caractérisée en ce qu'elle renferme une proportion massique en ciment ou clinker inférieure à 10 %, de préférence inférieure à 5 %, de préférence encore inférieure à 1 % en poids, et en ce que le métakaoiin est un métakaoiin « flashé » (c'est-à-dire obtenu par calcination flash d'une argile en poudre à une température comprise entre 600 et 900 °C pendant quelques secondes, suivie d'un refroidissement rapide), et en ce que la solution d'activation alcaline comprend une source de silicate de sodium ou de potassium (selon ia nomenclature cîmentière renfermant Si02 et M20), et une base alcaline, telle que NaOH et/ou KOH, (notée 20 selon la nomenclature cimentière, M pouvant représenter le sodium ou le potassium), les proportions relatives de la solution d'activation et de Sa matrice étant telles que la somme totale en moles Si02 + M20 de la solution d'activation est comprise entre 3,5 et 5,5 moi/kg de matrice. Le métakaolin flash (appelé aussi métakaolin flashé) est obtenu par calcination flash d'une argile en poudre à une température comprise entre 600 et 900 °C pendant quelques secondes, suivie d'un refroidissement rapide, au contraire du métakaolin «classique » qui est obtenu par calcination dans un four rotatif pendant au moins 5 heures. Sa fabrication nécessite beaucoup moins d'énergie, est un procédé à faible émission de C02et est moins complexe que celui du métakaolin classique puisque la période de chauffe ne dure que quelques secondes et aucun broyage postérieur n'est nécessaire. De plus, la préparation de l'argile avant le traitement thermique est minimale. Son impact environnemental est donc plus faible et son coût est moins élevé.
Il s'averre que ce métakaolin flash est très réactif. Les inventeurs ont constaté que la demande en eau (inférieure à 600 g/kg mesurée au cône de Marsh) et en réactifs activateurs est beaucoup moins importante lorsqu'on utilise le métakaolin flashé, de l'ordre d'au moins 50% en réactif activateur par rapport aux métakaolins classiques. (voir ci-après le tableau comparatif n°2)
Le métakaolin flash est jusqu'à maintenant utilisé comme additif dans les compositions cimentaires en proportions massiques minoritaires (inférieures à 20 %) avec du ciment Portland par exemple.
Les inventeurs ont découvert de manière surprenante qu'un tel métakaolin flash peut réagir à température ambiante (inférieure à 30°C) avec ia solution d'activation alcaline en donnant des matériaux aux propriétés intéressantes, comme cela décrit plus Soin.
La solution d'activation alcaline comprend avantageusement une source de silicate de sodium ou de potassium (selon la nomenclature cimentière renferme SÎ02 et M20), et une base alcaline, telle que NaOH et/ou KOH, (selon la nomenclature cimentière de formule M20, M pouvant représenter le sodium ou le potassium).
De préférence, la source de silicate (c'est-à-dire le silicate de sodium ou de potassium) de la solution d'activation présente un rapport molaire SÏ02/M20 supérieur à 1 ,5, de préférence supérieur à 3.
De manière préférée, la solution d'activation alcaline présente un rapport molaire global Si02 /M20 compris entre 0,8 et 2,5, de préférence compris entre 1 ,0 et 2,0, de préférence encore compris entre 1 ,20 et 1 ,80, de préférence encore compris entre 1 ,25 et 1 ,65. Les solutions d'activation utilisées en gêopolymérisation sont généralement définies par leur ratio siiice/alcaiin.
Lorsque la présente invention est réalisée avec des solutions d'activation avec des ratios molaires silice /alcalin (notés Si02/M20) compris entre 1 ,25 et 1 ,65 on constate une plus faible propension au phénomène d'efflorescence qu'avec les formulations avec le ratio molaire inférieur à 1 ,2, voire inférieur à 1 , des géopolymères de l'art antérieur, Ce qui est un avantage technique important. De pius, les solutions à fort ratio sont plus stables et plus simples à utiliser,
Selon une variante avantageuse de l'invention, la base alcaline de la solution d'activation alcaline est une solution aqueuse de soude NaOH, Les exemples mentionnés plus loin dans la description montrent qu'il n'est pas nécessaire d'utiliser une solution de soude très concentrée.
Dans la composition selon l'invention, la matrice peut comprendre, mélangé(s) au métakaolin flashé, un métakaolin non flashé, un ou plusieurs matériaux minéraux pulvérulents (c'est-à-dire de granulométrie avantageusement inférieure à 200 pm) qui peuvent être choisis parmi Se laitier de haut fourneau, les cendres volantes de classe F, des rebuts de fabrication de chamotte et/ou de métakaolin, la wollastonite, la poudre de terre cuite, issue, en particulier de rebuts de fabrication de briqueterie, les poudres minérales présentant une activité pouzzoianique, la poudre de verre recyclée, le calcin, les cendres volantes de classe C ou la chaux éteinte.
En ce qui concerne les concentrations massiques des matériaux pulvérulents mélangés à au moins 20 % de métakaolin dans la dite matrice, ces concentrations sont avantageusement les suivantes :
- inférieures ou égales à 80 %, de préférence inférieures à 60 % et de préférence encore inférieures à 50 % pour le laitier de haut fourneau, les cendres volantes de classe F, les rebuts de fabrication de chamotte et/ou de métakaolin, !a wollastonite et la poudre de terre cuite,
- inférieures ou égales à 40 %, de préférence inférieures à 25 % pour les poudres minérales présentant une activité pouzzoianique, la poudre de verre recyclée, le calcin ou les cendres volantes de classe C,
- et inférieures ou égales à 15 %, de préférence inférieures à 10 %, de préférence encore inférieures ou égales à 5 % pour la chaux éteinte. Selon un mode de réalisation avantageux de la composition de l'invention, la matrice comprend du métakaolin flashé et du laitier de haut fourneau en une concentration massique en laitier inférieure ou égale à 30 % du poids total de la matrice.
De manière préférée, les proportions relatives de la solution d'activation et de Sa matrice sont telles que la somme totale en moles Si02 + M20 de la solution d'activation est comprise entre 4,5 et 5,5 mol/kg de matrice, de préférence entre 4,5 et 5,3 mol/kg de matrice.
La solution d'activation peut être une solution d'activation prête à l'emploi, telle que la solution d'activation de la catégorie GEOSIL (commercialisée par la société WOELLNER). L'avantage est une simplification de la mise en oeuvre puisque la solution d'activation n'a plus besoin d'être préparée sur site.
La composition selon l'invention peut en outre renfermer un ou plusieurs adjuvants, tels qu'un superplastifiant (par exemple de type polyacrylate ou lignosulfonate), un agent hydrofuge (par exemple des carboxylates lourds de calcium, ou à base de silicone), un agent rétenteur d'eau ou un agent anti-retrait. Par adjuvant on entend un ajout, notamment de nature organique, en vue de modifier certaines propriétés de base, dans des proportions inférieures à 5 % en poids de la composition. La composition peut en outre comprendre des colorants ou des pigments.
La composition selon l'invention peut également renfermer un ou plusieurs additifs minéraux en poudre, choisi parmi le kaolin, l'argile crue en poudre, l'oxyde de zinc, le plâtre, Se ciment alumineux fondu, le dioxyde de titane, un liant ettringitique, un fluorosilicate tel que l'hexafluorosilicate de sodium, en vue de modifier certaines propriétés de base, en concentration de préférence inférieure à 20 parties en poids, de préférence encore entre 0,5 et 10 parties en poids, pour 100 parties en poids de la matrice.
L'argile crue en poudre peut comprendre majoritairement de la kaolinite ou de la montmoriîionite.
La présente invention concerne également divers procédés de réalisation d'un matériau de construction à partir de la composition de base décrite ci-dessus. Plus particulièrement :
- un procédé de réalisation d'un matériau de construction comprenant le mélange des constituants de ladite composition avec des granulats choisis parmi des fiilers, des poudres, du sable, des gravillons des graviers, et/ou des fibres, et éventuellement des pigments ; - un procédé de réalisation d'un matériau de construction comprenant le mélange de ladite composition avec de l'argile crue, de préférence dans des proportions pouvant aller jusqu'à 70 % en poids, de préférence encore jusqu'à 60 % en poids du matériau, et extrusion à froid ou moulage à froid dudit mélange ; l'obtention du matériau s'effectue sans cuisson, au contraire des matériaux classiques à base d'argile crue qui nécessitent une cuisson à une température de l'ordre de 900 à 1 100 °C,
- un procédé de réalisation d'un matériau de construction comprenant le mélange de ladite composition avec des « granulats » ou fibres d'origine végétale, telles que la sciure, les copeaux et les fibres de bois, la paille, la chènevoite, le lin, le liège ou Sa perlite ;
- un procédé de réalisation d'un matériau de construction expansé comprenant le mélange de ladite composition avec un agent expansif ou moussant, te! que de la poudre d'aluminium, avantageusement en présence d'agent stabilisant.
Tous ces procédés peuvent être mis en œuvre à des températures comprises entre 0°C et 30 °C environ, sans nécessiter de traitement thermique.
Plus précisément, !a matrice, réalisée à partir des composants présentés ci-dessus, est mélangée avec la solution d'activation, elle-même préparée selon la formule indiquée. L'ensemble des deux constitue alors la composition selon l'invention, se présentant sous la forme d'un liquide épais, qui est ensuite mélangée avec un ou plusieurs composés neutres tels que les granulats ou les fibres, dont elle va constituer le liant. Les additifs ou adjuvants, ajoutés dans le mélange, permettent de lui conférer certaines propriétés particulières complémentaires. Ce liant, ressemblant à une résine, permet après réaction, de former avec les « granulats » et les « additifs » un assemblage monolithique cohérent présentant des propriétés nouvelles par rapport aux matériaux de l'art antérieur, notamment un temps de prise court, un très faible retrait dimensionnel, un aspect de surface brillant.
La présente invention porte également sur les multiples utilisations possibles de la dite composition selon l'invention ou des procédés décrits ci-dessus, et notamment :
- l'utilisation de ladite composition ou dudit procédé pour la réalisation d'éléments de revêtement, en particulier des revêtements de sols, tels que des carreaux, dalles, pavés ou bordures, des revêtements de murs, tels que des éléments de façade intérieures ou extérieures, des plaquettes de parement, des éléments de bardage, ou des revêtements de toitures de type tuiles, pour la réalisation de modules de construction exirudés ou moulés, telles que des briques, ou pour la réalisation de formes extrudées variées ;
- l'utilisation de ladite composition ou dudit procédé pour la réalisation de matériaux composites, tels que des panneaux de construction de type panneaux préfabriqués, de blocs préfabriqués tels que des linteaux de porte ou de fenêtre, des éléments de murs préfabriqués, ou tout autre élément de construction préfabriqué ;
- l'utilisation de ladite composition avec un agent expansif ou moussant pour la réalisation de modules d'isolation, tels que des panneaux de cloisons, ou des modules de construction isolants légers (de masse volumique inférieure à 1 ,5 kg/L, de préférence inférieure à 1 ,2 kg/L, de préférence encore inférieure à 1 ,0 kg/L, de préférence encore inférieure à 0,7 kg/L) ;
- l'utilisation de ladite composition pour la réalisation par fabrication additive, telle qu'au moyen d'une imprimante 3D, d'éléments de construction, de bâtiments ou de maisons, ou d'objets de décoration ; ou encore
- l'utilisation de ladite composition sous la forme d'un système bi-composant avec soit d'une part les constituants sous forme solide, et d'autre part les constituants sous forme liquide, soit les constituants sous la forme de deux pâtes, pour la réalisation de mastic, colle ou mortier de scellement, par exemple pour injection à partir d'appareil de type pistolet à cartouches renfermant chacune une partie des composants de la composition finale.
Ces deux dernières utilisations sont très difficiles à mettre en œuvre à partir de compositions à base de ciment du fait de la réaction d'hydratation de ce matériau dès son mélange avec l'eau, nécessitant la synchronisation entre l'ajout d'eau, le mélange et le dépôt de la pâte.
Source EspaceNet
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