FR2593497A1 - Procede, composition et dispositif pour la fabrication de mortiers cellulaires - Google Patents

Abstract

L'invention se réfère à un procédé pour la fabrication de mortiers cellulaires par incorporation de mousse, caractérisé en ce qu'on mélange d'abord le liant hydraulique avec de la chaux aérienne en une proportion comprise environ entre 5 et 30 % en poids par rapport au liant hydraulique et avec un fluidifiant en une proportion entre environ 0,3 et environ 0,8 % en poids par rapport au liant hydraulique avant d'ajouter une quantité d'eau suffisante pour l'hydratation du liant, après quoi on incorpore à ce mélange une quantité de mousse permettant d'obtenir la masse volumique désirée du mortier cellulaire fini. Elle s'étend également à une composition et un dispositif pour la fabrication de mortiers cellulaires.

Description

On entend par les appellations : bétons cellulaires, plâtres cellulaires, anhydrite cellulaire, des matériaux légers qui, après durcissement, renferment de 30 à 80 z d'air et ont une masse volumique sèche comprise entre 400 et 1200 kg/m3. Ils sont actuellements obtenus selon les trois procédés suivants ler procédé
Par inclusion d'une mousse dans les mélanges respectifs ciment + eau plâtre + eau anhydrite + eau.

Cette mousse est générée par un tensio-actif de synthèse dissous dans Liteau et compatible avec les mélanges précités. Des applications industrielles de ce procédé ont eu lieu. Elles ont permis de remarquer que ces bétons cellulaires, dits "crus" car ne subissant pas de traitement thermique, présentent des caractéristiques mécaniques insuffisantes, ce qui réduit considérablement leur diffusion dans la construction.

Par exemple, un bloc de béton traditionnel, plein ou alvéolé, doit avoir une résistance à la compression au moins égales à 25 bars pour répondre aux normes de construction d'une habitation rez-de-chaussée plus un étage.

Avec ce premier procédé, ce résultat n'est atteint que pour des masses volumiques supérieures à 800 kg/m3, ce qui est trop élevé car l'isolation thermique obtenue ne permet pas de satisfaire aux normes actuellement en vigueur.

2ème procédé
Par une réaction chimique qui consiste à ajouter de la poudre d'aluminium au ciment en cours d'hydratation, ce qui produit un dégagement d'hydrogène. Les produits ainsi obtenus sont ensuite traités à l'autoclave. Plusieurs de ces types de matériaux fabriqués industriellement selon ce procédé ont été commercialisés. Cette fabrication nécessite cependant une grande consommation d'énergie et des installations industrielles importantes.

3ème procédé
Par entratnement d'air, avec un tensio-actif puissant, et un malaxage simultané énergique. Les bulles d'air produites sont stabilisées grâce à l'addition de colloldes.

Ce procédé, séduisant par sa simplicité, ne permet pas d'obtenir industriellement des masses volumiques de bétons inférieures à 1300 kg/m3. D'autre part, un autre inconvénient résulte du fait que les centrales de bétons prêts à l'emploi ou de préfabrication, ne sont pas équipées actuellement de malaxeurs à haute turbulence, ce qui est indispensable pour entraîner suffisamment d'air.

Pour remédier à ces inconvénients l'invention a pour but de pourvoir à un nouveau procédé de fabrication de mortiers cellulaires.

L'invention a par conséquent pour objet un procédé pour la fabrication de mortiers cellulaires par incorporation de mousse, caractérisé en ce qu'on mélange d'abord le liant hydraulique avec de la chaux aérienne en une proportion comprise environ entre 5 et 30 % en poids par rapport au liant hydraulique et avec une fluidifiant en une proportion entre environ 0,3 et environ 0,8 % en poids par rapport au liant hydraulique avant d'ajouter une quantité d'eau suffisante pour l'hydratation du liant, après quoi on incorpore à ce mélange une quantité de mousse permettant d'obtenir la masse volumique désirée du mortier cellulaire fini.

L'invention se réfère également à une composition et un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé.

Selon l'invention on a découvert qu'il est possible d'améliorer de façon très satisfaisante les qualités des mortiers cellulaires et notamment leurs résistances mécaniques, grâce à l'addition d'une quantité de chaux aérienne. Cette addition se fait au moment où on prépare le mélange des ingrédients secs.

A ce même stade on ajoute également un fluidifiant qui peut être un des fluidifiants pour mortiers connus. On a découvert cependant qu'il est très avantageux d'utiliser des protéines de sang animal, sous forme de poudre ou de liquide. On suit pour cette addition la règle générale, ctest-à-dire on ajoute entre 0,3 à 0,8 % en poids de fluidifiant par rapport au liant de base, qui est du ciment, du plâtre ou de l'anhydrite.

A ce mélange sec on ajoute ensuite de l'eau en quantité suffisante pour permettre l'hydratation des liants soit entre 30 et 80 % d'eau. Après un malaxage de quelques minutes on incorpore un volume de mousse choisi en fonction de la masse volumique souhaitée.

La mousse est préalablement fabriquée à l'aide d'un appareil comportant un lit de corps de faibles dimensions, éventuellement perforés, en verre ou en une matière synthétique appropriée. Pour obtenir cette mousse on prépare un mélange d'eau et d'un agent tensio-actif à raison d'environ 0,5 à 1 1 de tensio-actif pour 40 1 d'eau. On insuffle de l'air comprimé dont la pression est réglable de 0 à 6 bars environ.

Le mélange d'eau, de tensio-actif et d'air s'effectue à l'entrée du lit de corps de faibles dimensions, après quoi on fait passer le mélange à travers ce lit. La turbulence ainsi créée produit la mousse qui sort de l'autre côté du lit. Le rapport entre la mousse volumique et la pression de l'air est approximativement le suivant
Pression (bars) Mousse (kg m3)
3,5 à 6 40
2,5 à 3,5 60
2 à 3 80
1 à 2 100
A l'aide de ce procédé on peut obtenir les masses volumiques suivantes 400 à 1800 kg/m3 à partir de : ciment, sable, chaux, eau et mousse 400 à 1000 kg/m3 à partir de : plâtre, chaux, eau et mousse 800 à 1600 kg/m3 à partir de : anhydrite, sable chaux, eau et mousse
L'incorporation de la chaux aérienne dans les liants est déterminée en fonction des résistances mécaniques finales que l'on souhaite obtenir sur les matériaux durcis.En effet, la carbonatation de la chaux donne lieu à la réaction chimique suivante

Plus la quantité de chaux à carbonater par le C02 est élevée, plus on obtiendra de carbonate de calcium (CaCO3) cristallisé qui permettra 1' aug- mentation des résistances mécaniques des matériaux durcis.

Pour des raisons économiques (quantité de gaz carbonique nécessaire à la carbonatation) il n'est en général pas intéressant d'ajouter plus de 30 % de chaux aérienne, dans la pratique les dosages sont en général compris entre 5 et 10 % en poids par rapport au liant de base. Un dosage inférieur à 5 % en poids de chaux aérienne n'apporte pas une évolution suffisante des résistances mécaniques.

Dans le cas de l'anhydrite on limitera le dosage de chaux aérienne à 5 % environ.

Pour obtenir un mortier suffisamment fluide on ajoute un fluidifiant. Dans le cadre de l'invention on peut utiliser les fluidifiants habituels tels que le naphtalène-sulfonate sodique ou calcique, les alkylarylsulfonates, les esters de polyglycol, les sels hydroxycarboxyliques de sodium-ammonium et de triéthanolamine, les polymères hydroxylés, les acides polyhydroxycarboxyliques, les sels alcalins ou alcalino-terreux d'un acide naphtalène-sulfonique polycondensé au formaldéhyde (poudre ou liquide) et les produits de condensation de mélamine sulfonée et de formaldéhyde, mais aussi ce qui n'était pas connu, les protéines de sang animal sous forme liquide ou de poudre atomisée.

La quantité de fluidifiant est définie en fonction de la fluidité souhaitée du mortier avant l'incorporation de la mousse.

En règle générale les fluidifiants sont dosés par rapport au liant de base (soit entre 0,3 et 0,8 % en poids).

Ces fluidifiants sont indispensables dans la fabrication des liants cellulaires. En effet, il est fondamental d'obtenir un mortier de base suffisamment fluide pour faciliter l'incorporation de la mousse. Dans un mortier de base trop ferme la mousse serait détruite, car l'effort excessif subi par la mousse pendant le malaxage ferait éclater les bulles d'air.

L'addition de fluidifiants entraîne une réduction de l'eau de gâchage, ce qui permet d'améliorer la résistance mécanique des matériaux fabriqués. Il est à noter que l'incorporation des fluidifiants en poudre a lieu dans les mélanges secs au début du malaxage. Par contre, l'incorporation des fluidifiants liquides s'effectue de préférence dans les mélanges malaxés avec de l'eau, à savoir après quelques minutes de malaxage et avant l'incorporation de la mousse.

Au mélange ainsi préparé est incorporée la mousse, obtenue par soufflage d'air dans une solution d'un agent tensio-actif dans l'eau. Selon les besoins on fait une mousse plus ou moins légère, en jouant sur la quantité de tensio-actif et la pression de l'air on peut faire varier la masse volumique de la mousse entre 40 et 140 kg/m3. La quantité de mousse incorporée varie de 40 à 80 % en fonction de la masse volumique des produits finis que l'on désire obtenir.

La mousse est préparée dans un appareil spécialement conçu à cet effet et dont la description sera donnée plus loin. Les tensio-actifs utilisés sont en général des produits de synthèse et peuvent être choisis parmi les tensio-actifs non-ioniques, tels que l'alkylphénol oxyéthyléné, les esters phosphatés, l'alcool tridécylique oxyéthyléné, l'alkylpoly (éthylène-oxy)glycolamide, les alcools gras éthoxylés, les esters de sorbitane éthoxylés, les acides gras éthoxylés, les esters de polyols, les alkylphénol éthoxylés, les amides gras éthoxylés ; anioniques tels que le sulforicinate de triéthanolamine, les alkylsulfates d'alcools gras, les alkyléthersulfates, les nonyphénol-éthersulfates, les sulfosuccinates, les hémi-sulfosuccinates, les alkylbenzène-sulfonates, le laurylsulfo-acétate, et amphotères tels que les dérivés mono et dicarboxylé d'imidazoline sur base de coco, les dérivés d'ammonium quaternaire sur base grasse oxyéthylénée sulfatée.

A la sortie du générateur de mousse celle-ci est incorporée dans le malaxeur contenant le mortier fluide.

Les matériaux ainsi fabriqués sont conservés en atmosphère humide à 100 % d'humidité relative et à une température constante d'environ 200C.

Ainsi qu'il a été mentionné plus haut, la présence de la chaux aérienne dans le mortier permet d'obtenir une carbonatation grâce à l'action du gaz carbonique. Cette action peut être "naturelle" c'est-à-dire qu'on laisse le gaz carbonique de l'atmosphère ambiante agir sur le mortier durci. Le C02 pénètre dans les pores des matériaux où il est fixé par la chaux aérienne. Dans ce cas la carbonatation de la chaux s'effectue lentement dans le temps. Cependant les résistances mécaniques des matériaux "jeunes" sont moins élevées que dans le cas où l'on procède à une carbonatation accélérée dès le démoulage des matériaux cellulaires.

Pour effectuer ce post-traitement, les matériaux obtenus sont placés dans une enceinte dans laquelle règne une atmosphère contenant entre 40 et 75 % de gaz carbonique et une température constante de 20 + 10C.

On obtient alors dans un délai compris entre 2 et 5 jours, un matériau carbonaté sec.

Une variante de cette carbonatation accélérée peut être envisagée si l'on dispose sur le site des usines de gaz de chaudières. Ces gaz ont une teneur en gaz carbonique entre 8 et 20 %, et ils sont alors conduits vers des locaux où sont stockés les produits fratchement démoulés et chauffés par de la vapeur saturée. La carbonatation s'effectue alors dans une ambiance d'humidité relative comprise entre 15 et 40 % et à une température comprise entre 40 et 100"C. Ce traitement dure entre 12 et 24 h.

La mousse que l'on incorpore selon l'invention aux mortiers ci-dessus décrits est obtenue au moyen d'un générateur de mousse créé à cet effet et dont le dispositif essentiel est formé par le canon à mousse.

Le canon à mousse selon l'invention est constitué par une enceinte rigide, pourvue d'une entrée et d'une sortie et remplie d'une garniture de corps de faibles dimensions, par rapport à l'enceinte.

Au moyen de pompes appropriées on introduit dans cette enceinte contenant la garniture un mélange d'eau, d'agent tentio-actif et d'air (mélange moussant). Le fait de forcer ce mélange à travers la garniture fait naître une turbulence produisant la mousse qui est recueillie à la sortie de l'enceinte.

Bien que la forme de l'enceinte puisse etre choisie librement, on comprend qu'une forme allongée écartant l'entrée et la sortie de l'en- ceinte, est avantageuse car elle allonge le chemin parcouru par le mélange moussant dans la garniture. Par ailleurs on choisira, pour des raisons pratiques évidentes, en général une enceinte cylindrique dont les extrémités sont équipées respectivement de l'entrée et de la sortie,toutes deux protégées par des grilles afin de maintenir la garniture en place.

A titre d'exemple non limitatif un canon à mousse selon l'invention est représenté dans la figure 1 du dessin annexé.

Dans cette figure on voit la partie cylindrique 1 contenant la garniture 8 retenue entre les grilles 6 et 7 ayant une grosseur de mailles d'environ 3 à 4 mm. Cette partie cylindrique comporte du côté de la sortie une partie tronconique 2 surmontée d'une partie cylindrique 3 à laquelle sera raccordé le tuyau conduisant la mousse dans le malaxeur.

L'autre extrémité de l'enceinte 1 est pourvue d'un fond 4 dans lequel est montée une partie cylindrique 5 permettant l'injection du mélange moussant. La grille 7 déjà mentionnée maintient la garniture en place.

Un mode de montage comportant le canon de mousse et les accessoires pour l'injection du mélange moussant est représenté dans la figure 2 où les références ont la même signification que dans la figure 1.

La garniture est constituée par des corps essentiellement sphériques ou cylindriques et une matière résistant à la pression règnant dans l'enceinte et aux produits utilisés.

La matière la plus appropriée est le verre. Selon une réalisation préférentielle ces corps ont un diamètre compris entre 3 et 7mm et sont perforés d'un canal de 0,5 à 3 mm de diamètre environ.

Dans la figure 3 est représenté un corps de forme cylindrique selon l'invention où les symboles ont la signification suivante a = 3 à 7 mm, b = 3 à 7 mm, c = 0,5 à 3 mm, d = rayon de l'arrondi = - 0,75 mm.

La mousse est obtenue au moyen de ce générateur selon le principe suivant. On dilue un agent tensio-actif dans de l'eau, par exemple entre 0,5 et 1 l de tensio-actif dans 40 1 d'eau. Cette solution est aspirée par une pompe à débit variable. De l'air comprimé est injecté dans ce mélange sous une pression réglable entre 0 et 4 bars à proximité de l'entrée du canon de mousse décrit ci-dessus.

A la sortie du canon, la mousse, dont la masse volumique varie de 60 à 140 kg/dm3 en fonction des débits d'air et de mélange eau + tension-actif est ensuite incorporée au moyen d'un tuyau souple dans le malaxeur.

Selon le procédé de l'invention on obtient une amélioration sensible des résistances mécaniques des mortiers. Ainsi on a mesuré pour des mortiers qui n' ont pas été soumis à une carbonatation accélérée une amélioration de 25 à 30 z des résistances mécaniques par rapport aux meilleurs mortiers de l'art antérieur.

Pour les mortiers qui ont été soumis à une carbonatation accélérée l'amélioration est de 30 à 100 % par rapport aux meilleurs mortiers de l'art antérieur.

Il est possible, notamment, d'obtenir des bétons cellulaires ayant une résistance à la compression de 40 bars pour une masse volumique de 400 kg/m3.

Les produits obtenus selon l'invention présentent une grande stabilité dimensionnelle, ce qui est fondamental pour la production d'éléments préfabriqués. Le module de déformation est sensiblement augmenté, il peut l'etre de 50 % pour des résistances mécaniques doublées.

Un autre avantage est l'augmentation de l'imperméabilité en raison du colmatage de pores par le carbonate. I1 est bien entendu possible d'incorporer dans les présents mortiers cellulaires n'importe lequel des additifs habituellement utilisés.

L'invention sera décrite plus en détail dans les exemples non limitatifs ci-après.

Ces exemples ont en commun le mode opératoire suivant.

Dans une bétonnière on mélange les produits secs (le fluidifiant même lorsqu'il est liquide), figurant dans les compositions indiquées dans les exemples. Ce mélange terminé, on ajoute de l'eau pour obtenir une plasticité de la pâte correspondant à un affaissement au cône d'Abrahams (essai de référence normalisé) de l'ordre de 15 à 18 cm.

Après un malaxage de 2 minutes on incorpore le volume de mousse nécessaire obtenue à l'aide du générateur de mousse.

Pour obtenir le volume de mousse on procède d'abord à un étalonnage du débit de mousse en liseconde, puis on règle la masse volumique de la mousse au moyen de la pression d'admission d'air à l'entrée du canon à mousse, et enfin on fait fonctionner le générateur de mousse le temps nécessaire pour l'obtention de la quantité de mousse requise.

Cette mousse est conduite dans la bétonnière où 2 minutes environ suffisent à son incorporation dans le mortier fluide, après quoi le matériau cellulaire est prêt à sa mise en oeuvre.

Exemple 1
On prépare un béton cellulaire de la façon décrite ci-dessus à partir de : - ciment CPA 55 350 kg - sable 0/0,5 mm 130 kg - chaux aérienne 35 kg - fumées de silice 15 kg - sel d'acide naphtalène-sulfonique
(poudre ou liquide) (fluidifiant) 2,100 kg - alkylsulfate d'alcool gras + alkyl
phénol éthoxylé (tensio-actif) 0,780 kg - eau u127 1 - mousse à 60 g/l 680 1
Le béton cellulaire obtenu présente une masse volumique de 600 kg/m3.

Le fluidifiant indiqué peut être remplacé par 2,100 kg de fluidifiant à base de protéines de sang animal en poudre ou en liquide.

Exemple 2
On prépare un plâtre cellulaire de la façon décrite ci-dessus à partir de - plâtre LAMBERT THD 420 kg - chaux aérienne 120 kg - hydroxypropylméthylcellulose
(colloide) 0,360 kg - seld d'acide naphtalène sulfonique
(fluidifiant) 1,260 kg - alkyl sulfate d'alcool gras +
alkylphénol éthoxylé (tensio-actif) 0,780 kg - mousse à 80 g/l 690 1 - eau rus230 1
Le plâtre cellulaire présente une masse volumique de 600 kg/m3.

Exemple 3
On prépare une anhydrite cellulaire de la façon décrite cidessus à partir de - anhydrite (CaSO4) 350 kg - chaux aérienne 17,5 kg - sable 0/1 ou 0/2 mm 330 kg - sulfate de potassium (K2SO4) 1,4 kg - sulfate de sodium (Na2SO4) 2,1 kg - sel d'acide naphtalène sulfonique
(fluidifiant) 1,050 kg - alkylsulfate d'alcool gras +
alkylphénol éthoxylé (tensio-actif) 0,570 kg - mousse à 80 g/l 530 1 - eau 2 82 1
L'anhydrite cellulaire obtenu présente une masse volumique de 800 kg/m3.

Exemple 4
On prépare un béton cellulaire de la façon décrite cidessus à partir de - ciment CPA 55 310 kg - chaux aérienne 40 kg - cendres volantes 10 kg - protéines de sang animal 2,400 kg
(fluidifiant) - alkylphénol éthoxylé + alkylsulfate
d'alcool gras 1,120 kg - eau t 105 1 - mousse à 60 g/l 770 1
On obtient un béton cellulaire d'une masse volumique de 400 kg/m3.

Claims (11)

REVENDICATIONS

1 - Procédé pour la fabrication de mortiers cellulaires par incorporation de mousse, caractérisé en ce qu'on mélange d'abord le liant hydraulique avec de la chaux aérienne, en une proportion comprise environ entre 5 et 30 % en poids par rapport au liant hydraulique, et avec un fluidifiant, en une proportion entre environ 0,3 et environ 0,8 % en poids par rapport au liant hydraulique, avant d'ajouter une quantité d'eau suffisante pour lthydratation du liant, après quoi on incorpore à ce mélange une quantité de mousse permettant d'obtenir la masse volumique désirée du mortier cellulaire fini.

2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fluidifiant est constitué par des protéines de sang animal.

3 - Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la mousse a une masse volumique comprise environ entre 40 et 100 g/l.

4 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la mousse est obtenue par insufflation d'air sous pression dans un mélange d'eau et d'agent tensio-actif, après quoi ce mélange traverse un lit de corps inertes de faibles dimensions.

5 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'agent tensio-actif représente entre 1 et 20 % du volume d'eau.

6 - Composition pour la fabrication de mortiers, caractérisée en ce qu'elle est constituée par une première masse formée par le liant hydraulique, environ 5 à 30 % en poids par rapport au liant hydraulique de chaux aérienne, et environ 0,3 à 0,8 % en poids par rapport au liant hydraulique d'un fluidifiant, et par une deuxième masse formée par de l'eau en quantité suffisante pour hydrater le liant hydraulique, et environ 1 à 25 % en volume d'un agent tensio-actif.

7 - Composition selon la revendication 6, caractérisée en ce que le fluidifiant est constitué par des protéines de sang animal.

8 - Dispositif pour l'obtention d'une mousse incorporée dans des mortiers cellulaires fabriqués selon le procédé objet de l'une quelconque des revendications 1 à 5, à partir d'eau, d'un agent tensio-actif et d'air comprimé, caractérisé en ce qu'il est constitué par une enceinte (1) pourvue d'une entrée (5) pour le mélange d'eau, de tensio-actif et d'air, d'une sortie (3) pour la mousse, et contenant une garniture (8) de corps de faibles dimensions ainsi que des grilles en toile métallique (6, 7) pour retenir les corps à l'intérieur de l'enceinte.

9 - Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que les corps formant la garniture (8) sont de forme essentiellement sphérique, dont le diamètre est compris environ entre 3 et 7 mm.

10 - Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que les corps formant la garniture (8) sont de forme essentiellement cylindrique, la hauteur et l'épaisseur de ces cylindres pouvant varier de 3 à 7 mm environ.

11 - Dispositif selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que les corps formant la garniture 8 sont traversés d'un canal dont le diamètre est compris entre 0,5 et 3 mm.