FR3097859A1 - Composition de liant pour matériau de construction - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne une composition de liant comprenant une matrice à activation alcaline particulière. La présente invention concerne également un procédé de préparation d’une composition de liant. L’invention concerne aussi les matériaux de construction et les objets résultant de la prise de cette composition de liant. La présente invention concerne enfin l’utilisation d’une composition de liant à activation alcaline particulière dans le domaine du bâtiment et de la voirie.
Description
La présente invention concerne le domaine de la construction, des routes et du bâtiment. L’invention concerne une composition de liant comprenant une matrice à activation alcaline particulière. La présente invention concerne également un procédé de préparation d’une composition de liant. L’invention concerne aussi les matériaux de construction et les objets résultant de la prise de cette composition de liant. La présente invention concerne enfin l’utilisation d’une composition de liant à activation alcaline particulière dans l’entretien des bâtiments et des routes.
Etat de la technique antérieure
Il existe deux types de ciments, les ciments dits hydrauliques, tels que les ciments Portland, et les ciments à activation alcaline également désignés ciments géopolymériques. Les ciments géopolymériques sont formés à partir d’une matrice minérale composée de silice et d’alumine présentant des sites réactionnels sur lesquels on fait réagir une solution dite d’activation, généralement alcaline, de façon à permettre la réticulation de la matrice. Le géopolymère ainsi obtenu présente une structure tridimensionnelle contenant des liaisons Si-O-Al. Les ciments géopolymériques de l’art antérieur sont en général activés par des solutions alcalines de silicate de formule
nSiO2, M2O, M étant un métal alcalin et n étant le rapport molaire entre SiO2et M2O.
nSiO2, M2O, M étant un métal alcalin et n étant le rapport molaire entre SiO2et M2O.
Parmi les qualités attendues des ciments géopolymériques, on peut citer les propriétés mécaniques, notamment la résistance à la compression, et la durabilité du ciment. Les propriétés mécaniques sont essentiellement fonction de la structure moléculaire du géopolymère. Ces bonnes propriétés mécaniques sont nécessaires notamment lorsqu’il s’agit d’employer les géopolymères dans les applications routières ou dans le bâtiment.
Bien souvent, les procédés de fabrication des géopolymères nécessitent une étape de chauffage prolongé à des températures élevées. Un tel traitement est coûteux et très consommateur d’énergie.
WO2016/156722 décrit une composition pour matériau de construction de type géopolymère comprenant une matrice à base d’alumino-silicate, tel qu’un métakaolin, et une solution d’activation alcaline. La solution d’activation utilisée contient une source de silicate de sodium ou de potassium et une base alcaline, telle que NaOH et/ou KOH. La matrice est mélangée avec la solution d’activation de façon extemporanée. La composition ainsi obtenue se présente sous la forme d’un liquide épais, qui est ensuite mélangé avec un ou plusieurs composés neutres tels que les granulats ou les fibres, dont elle constitue le liant. Ce liant permet, après réaction de prise, de former avec les granulats un assemblage cohérent présentant un temps de prise court et un faible retrait dimensionnel.
Les demandes FR 2958932 et WO2011/128526 décrivent un matériau composite, résistant à l’eau, à base de fibres végétales et de silicate alcalin en solution aqueuse. La réticulation et la gélification des silicates en solution est obtenue par traitement acide, en particulier en utilisant des triglycérides d’acides gras. Le produit formé est un gel de silicate, qui est un matériau différent des géopolymères.
Le problème que se propose de résoudre l’invention est de fournir de nouvelles compositions de liant dotées de propriétés mécaniques améliorées.
Un autre but de l’invention est de proposer des compositions de liant avec un impact réduit sur l’environnement et sur l’utilisateur.
Un autre but de l’invention est de proposer des compositions de liant résistantes à l’eau et compatibles en mélange avec tout type de charge tel que des granulats ou des fibres.
La Demanderesse a découvert de manière surprenante une nouvelle composition de liant comprenant une matrice à activation alcaline particulière permettant d’obtenir un matériau doté de propriétés mécaniques améliorées. Plus précisément, la Demanderesse a mis en évidence que cette nouvelle composition de liant permet d’obtenir une résistance à la compression du matériau final élevée, par rapport aux compositions de l’art antérieur.
La nouvelle composition de liant permet également d’obtenir des matériaux dotés de propriétés comparables à celles des matériaux de l’art antérieur, mais par un procédé qui ne comporte pas d’étape de chauffage. Il en résulte un gain économique et écologique.
Les compositions de liant selon l’invention présentent les avantages suivants :
- efficacité pour tout type de support et compatibilité en mélange avec tout type de charge tels que les granulats minéraux (terre, gravier, latérite, sable, etc.) et granulats organiques (sciure de bois, copeaux de bois, feuilles d’arbres, etc.) ce qui permet d’utiliser des charges présentes à proximité du chantier et par conséquent réduire le coût et l’impact environnemental ;
- absence de toxicité et respect de l’utilisateur et de l’environnement ;
- utilisation à température ambiante ;
- polymérisation rapide en surface ;
- polymérisation à cœur rapide ;
- polymérisation active sur une large plage de température et identique quelle que soit l’humidité relative ;
- résistance à l’eau ;
- possibilité de prise en milieu humide ;
- dureté du matériau résultant de la prise équivalente à celle d’un béton,
soit ≥ 25 N/mm2;
- durée de vie élevée du matériau résultant de la prise.
- efficacité pour tout type de support et compatibilité en mélange avec tout type de charge tels que les granulats minéraux (terre, gravier, latérite, sable, etc.) et granulats organiques (sciure de bois, copeaux de bois, feuilles d’arbres, etc.) ce qui permet d’utiliser des charges présentes à proximité du chantier et par conséquent réduire le coût et l’impact environnemental ;
- absence de toxicité et respect de l’utilisateur et de l’environnement ;
- utilisation à température ambiante ;
- polymérisation rapide en surface ;
- polymérisation à cœur rapide ;
- polymérisation active sur une large plage de température et identique quelle que soit l’humidité relative ;
- résistance à l’eau ;
- possibilité de prise en milieu humide ;
- dureté du matériau résultant de la prise équivalente à celle d’un béton,
soit ≥ 25 N/mm2;
- durée de vie élevée du matériau résultant de la prise.
L’invention concerne une composition de liant pour matériau de construction comprenant au moins :
a) une matrice comprenant au moins un composé à base d’alumino-silicate, tel qu’un métakaolin, et
b) une solution d’activation alcaline,
caractérisée en ce que ladite matrice comprend au moins des triglycérides d’acide gras et au moins un agent émulsionnant.
a) une matrice comprenant au moins un composé à base d’alumino-silicate, tel qu’un métakaolin, et
b) une solution d’activation alcaline,
caractérisée en ce que ladite matrice comprend au moins des triglycérides d’acide gras et au moins un agent émulsionnant.
Selon un mode de réalisation préféré, la solution d’activation alcaline est une solution aqueuse comprenant au moins un silicate de métal alcalin de formule nSiO2, M2O, M étant un métal alcalin choisi parmi le sodium, le potassium ou le lithium et n étant le rapport molaire entre SiO2et M2O.
Selon un mode de réalisation encore préféré, le silicate de métal alcalin est le silicate de potassium et le rapport molaire n est compris entre 1 et 3,9.
Selon un mode de réalisation préféré, le silicate de métal alcalin est présent en quantité allant de 5 à 20%, en masse par rapport à la masse totale de la composition.
Selon un mode de réalisation préféré, le métakaolin est un métakaolin flash obtenu par calcination flash d’une argile kaolinique.
Selon un mode de réalisation préféré, le métakaolin représente de 5 à 50 % en masse par rapport à la masse totale de la composition.
Selon un mode de réalisation préféré, la matrice comprend en outre, un laitier de haut fourneau.
Selon un mode de réalisation encore préféré, le laitier de haut fourneau représente de 0,1 à 30 % en masse par rapport à la masse totale de la composition.
Selon un mode de réalisation préféré, les triglycérides d’acides gras sont des triglycérides d’origine végétale, de préférence présents dans la matrice sous forme d’huile de colza.
Selon un mode de réalisation préféré, les triglycérides d’acides gras représentent de 0,5 à 10 % en masse par rapport à la masse totale de la composition.
Selon un mode de réalisation préféré, l’agent émulsionnant est un tensioactif ou un mélange de tensioactifs comprenant au moins un composé choisi parmi les tensioactifs amphotères, les tensioactifs non-ioniques et leurs mélanges.
Selon un mode de réalisation préféré, le tensioactif choisi parmi : les esters d’acides alkyl monocarboxyliques et de sorbitane, les esters d’acides alkyl monocarboxyliques et de sorbitane éthoxylés et leurs mélanges.
Selon un mode de réalisation préféré, le tensioactif représente de 0,2 à 15 % en masse par rapport à la masse totale de la composition.
Selon un mode de réalisation préféré, la composition comprend, en outre, des additifs tels que des charges et des fibres.
L’invention concerne également un procédé de préparation d’une composition de liant, telle que définie ci-dessus et de façon détaillée ci-dessous, comprenant les étapes suivantes :
1) préparation de la matrice par mélange du métakaolin et éventuellement du laitier, avec l’huile, les tensioactifs et éventuellement les autres additifs,
2) éventuellement incorporation des charges et des fibres dans la matrice,
3) mélange de la matrice et de la solution d’activation à base de silicate alcalin.
1) préparation de la matrice par mélange du métakaolin et éventuellement du laitier, avec l’huile, les tensioactifs et éventuellement les autres additifs,
2) éventuellement incorporation des charges et des fibres dans la matrice,
3) mélange de la matrice et de la solution d’activation à base de silicate alcalin.
L’invention concerne aussi un procédé de préparation d’un matériau comprenant les étapes suivantes :
i) préparation d’une composition de liant telle que définie ci-dessus et de façon détaillée ci-dessous ;
ii) mise en forme de la composition de l’étape i)
iii) prise et durcissement de la composition mise en forme à l’étape ii).
i) préparation d’une composition de liant telle que définie ci-dessus et de façon détaillée ci-dessous ;
ii) mise en forme de la composition de l’étape i)
iii) prise et durcissement de la composition mise en forme à l’étape ii).
L’invention concerne également un matériau ou objet résultant du procédé tel que défini ci-dessus et de façon détaillée ci-dessous.
L’invention concerne encore l’utilisation de la composition de liant, ou d’un matériau ou d’un objet tels que définis ci-dessus et de façon détaillée ci-dessous, dans la construction, la consolidation, la réparation et la rénovation, dans le domaine du bâtiment et de la voirie.
Description détaillée
L’expression « consiste essentiellement en » suivie d’une ou plusieurs caractéristiques, signifie que peuvent être inclus dans le procédé ou le matériau de l’invention, outre les composants ou étapes explicitement énumérés, des composants ou des étapes qui ne modifient pas significativement les propriétés et caractéristiques de l'invention.
L’expression « compris entre X et Y » inclut les bornes, sauf mention contraire explicite. Cette expression signifie donc que l’intervalle visé comprend les valeurs X, Y et toutes les valeurs allant de X à Y.
Les pourcentages sont exprimés en masse de chaque composant, rapportée à la masse de la composition globale. Les pourcentages correspondent à la teneur en matière première commerciale.
Les différents modes de réalisation, variantes, les préférences et les avantages décrits pour chacun des objets de l’invention s’appliquent à tous les objets de l’invention et peuvent être pris séparément ou en combinaison.
Composition de liant selon l’invention
Un objet de la présente invention est une composition de liant pour matériau de construction comprenant au moins :
a) une matrice comprenant au moins un composé à base d’alumino-silicate, tel qu’un métakaolin, et
b) une solution d’activation alcaline,
la matrice comprenant au moins des triglycérides d’acide gras et au moins un agent émulsionnant.
Un objet de la présente invention est une composition de liant pour matériau de construction comprenant au moins :
a) une matrice comprenant au moins un composé à base d’alumino-silicate, tel qu’un métakaolin, et
b) une solution d’activation alcaline,
la matrice comprenant au moins des triglycérides d’acide gras et au moins un agent émulsionnant.
Avantageusement, la composition de liant peut comprendre, en outre, un ou plusieurs additifs, tels que par exemple des charges, des fibres, des plastifiants, des retardateurs de prise.
La composition de l’invention est destinée à une préparation extemporanée d’un matériau de construction et/ou de réparation, par mélange de la matrice avec la solution d’activation alcaline, et éventuellement d’autres additifs.
La matrice
La matrice comprend au moins un composé à base d’alumino-silicate, au moins des triglycérides et au moins un agent émulsionnant.
La matrice comprend au moins un composé à base d’alumino-silicate, au moins des triglycérides et au moins un agent émulsionnant.
De préférence, le composé à base d’alumino-silicate est un métakaolin ou un mélange de métakaolin et d’autres matériaux.
Avantageusement, la matrice peut comprendre, mélangé au métakaolin, un laitier de haut fourneau.
Le métakaolin:
Le métakaolin est une poudre de grande surface spécifique obtenue par calcination-broyage ou broyage-calcination d’une argile composée majoritairement de kaolinite. Le métakaolin est constitué principalement de particules de silicate d’alumine amorphes ayant des propriétés pouzzolaniques. Il est composé essentiellement de SiO2et de Al2O3réactifs. Le métakaolin se présente sous forme pulvérulente ou sous forme de suspension (slurry). Il existe plusieurs méthodes d’obtention du métakaolin conduisant à des produits aux propriétés différentes.
Le métakaolin est une poudre de grande surface spécifique obtenue par calcination-broyage ou broyage-calcination d’une argile composée majoritairement de kaolinite. Le métakaolin est constitué principalement de particules de silicate d’alumine amorphes ayant des propriétés pouzzolaniques. Il est composé essentiellement de SiO2et de Al2O3réactifs. Le métakaolin se présente sous forme pulvérulente ou sous forme de suspension (slurry). Il existe plusieurs méthodes d’obtention du métakaolin conduisant à des produits aux propriétés différentes.
Avantageusement, la matrice de la composition de liant selon l’invention comprend un métakaolin flash. Par « métakaolin flash » (appelé aussi métakaolin flashé) on entend le produit obtenu par calcination flash d’une argile en poudre à une température comprise entre 600 et 850 °C pendant quelques secondes, suivie d’un refroidissement rapide, contrairement au métakaolin « classique » qui est obtenu par calcination dans un four rotatif pendant au moins 5 heures à 750 °C. Cette méthode de calcination flash nécessite beaucoup moins d’énergie (elle utilise environ 40 % de l’énergie consommée dans la méthode traditionnelle) et un procédé à faible émission de CO2. Elle apporte aussi des avantages techniques significatifs au produit final. De plus, la préparation de l’argile avant le traitement thermique est minimale, son impact environnemental est donc plus faible.
En fonction de l’origine de l’argile, la composition du métakaolin flash peut être différente.
De préférence on utilise dans la matrice un métakaolin obtenu par calcination flash, contenant :
- Un ratio SiO2+Al2O3>90%, en masse par rapport à la masse totale du métakaolin ;
- Un ratio molaire Si/Al de 1 à 5% et de préférence de 1,5 à 3% ;
- Un ratio molaire Si/Ca de 70 à 90% de préférence de 75 à 85%.
- Un ratio SiO2+Al2O3>90%, en masse par rapport à la masse totale du métakaolin ;
- Un ratio molaire Si/Al de 1 à 5% et de préférence de 1,5 à 3% ;
- Un ratio molaire Si/Ca de 70 à 90% de préférence de 75 à 85%.
De préférence, le métakaolin représente de 5 à 50% en masse par rapport à la masse totale de la composition de liant, et de préférence de 10 à 40%, encore mieux de 15 à 30%.
Le laitier de haut fourneau:
Avantageusement, la matrice de la composition de liant selon l’invention comprend un mélange de métakaolin flash et d’un ou plusieurs laitiers de haut fourneau. Les laitiers de haut fourneau sont des matériaux vitreux. Ce sont des sous-produits de l’élaboration de la fonte résultant de la réduction des minerais de fer (Hématite Fe2O3ou Magnétite Fe3O4) par le coke. Ils sont essentiellement constitués de silicate, aluminate et chaux et d’oxydes métalliques.
Avantageusement, la matrice de la composition de liant selon l’invention comprend un mélange de métakaolin flash et d’un ou plusieurs laitiers de haut fourneau. Les laitiers de haut fourneau sont des matériaux vitreux. Ce sont des sous-produits de l’élaboration de la fonte résultant de la réduction des minerais de fer (Hématite Fe2O3ou Magnétite Fe3O4) par le coke. Ils sont essentiellement constitués de silicate, aluminate et chaux et d’oxydes métalliques.
Avantageusement, on utilise un laitier de haut fourneau de classe A avec une D50 comprise entre 1 et 15 µm. La D50 est généralement mesurée par tamisage. La D50, également noté Dv50, correspond au 50ème centile de la distribution en volume de taille des particules, c'est-à-dire que 50 % des particules ont une taille inférieure au D50 et 50 % ont une taille supérieure au D50.
Avantageusement, la composition du laitier est la suivante :
- CaO entre 35 et 45% ;
- SiO2entre 33 et 40% ;
- Al2O3entre 8 et 14% ;
- Fe2O3entre 0,4 et 1% ;
- MgO entre 5 et 10% ;
les pourcentages étant exprimés en masse par rapport à la masse totale du laitier.
Avantageusement, la composition du laitier est la suivante :
- CaO entre 35 et 45% ;
- SiO2entre 33 et 40% ;
- Al2O3entre 8 et 14% ;
- Fe2O3entre 0,4 et 1% ;
- MgO entre 5 et 10% ;
les pourcentages étant exprimés en masse par rapport à la masse totale du laitier.
Le laitier de haut fourneau est introduit dans la matrice en quantité représentant de préférence de 0,1 à 15%, en masse par rapport à la masse totale de la composition de liant, et avantageusement de 3 à 12%. L’apport du laitier de haut fourneau est d’augmenter la réactivité du mélange et d’augmenter la résistance mécanique du matériau final. Une quantité trop importante de laitier entraine une prise du mélange trop rapide. En fonction des autres composants du mélange, des propriétés attendues du matériau, et des contraintes de sa préparation, l’homme du métier ajuste la quantité éventuelle de laitier dans la composition de liant.
Autres matériaux minéraux pulvérulents
De façon avantageuse, la matrice peut comprendre en outre un ou plusieurs matériaux minéraux couramment utilisés dans le domaine de la construction. En particulier, la matrice peut comprendre un ou plusieurs matériaux minéraux sous forme de poudre, notamment des matériaux de granulométrie inférieure ou égale à 200 μm. Parmi ces matériaux, on peut citer par exemple les cendres volantes, les rebuts de fabrication de chamotte, les rebuts de fabrication de métakaolin, la wollastonite, la poudre de terre cuite, en particulier la poudre de terre cuite issue de la fabrication des briques, les poudres minérales présentant une activité pouzzolanique, la poudre de verre recyclée, le calcin, les cendres volantes de classe C, la chaux éteinte, les résidus et sous-produits issus de la fabrication de la fonte et de l’acier.
De façon avantageuse, la matrice peut comprendre en outre un ou plusieurs matériaux minéraux couramment utilisés dans le domaine de la construction. En particulier, la matrice peut comprendre un ou plusieurs matériaux minéraux sous forme de poudre, notamment des matériaux de granulométrie inférieure ou égale à 200 μm. Parmi ces matériaux, on peut citer par exemple les cendres volantes, les rebuts de fabrication de chamotte, les rebuts de fabrication de métakaolin, la wollastonite, la poudre de terre cuite, en particulier la poudre de terre cuite issue de la fabrication des briques, les poudres minérales présentant une activité pouzzolanique, la poudre de verre recyclée, le calcin, les cendres volantes de classe C, la chaux éteinte, les résidus et sous-produits issus de la fabrication de la fonte et de l’acier.
Les triglycérides:
Les triglycérides sont des esters d’acides gras et de glycérol. Les acides gras sont généralement des acides carboxyliques portés par des chaînes alkyle ou alcényle en C8-C30. Ils sont présents dans les huiles végétales dont ils représentent près de 99% de la composition. Avantageusement, on utilise dans l’invention des triglycérides présents dans des huiles végétales. Avantageusement, les triglycérides sont introduits sous forme d’une huile végétale ou d’un mélange d’huiles végétales.
Les triglycérides sont des esters d’acides gras et de glycérol. Les acides gras sont généralement des acides carboxyliques portés par des chaînes alkyle ou alcényle en C8-C30. Ils sont présents dans les huiles végétales dont ils représentent près de 99% de la composition. Avantageusement, on utilise dans l’invention des triglycérides présents dans des huiles végétales. Avantageusement, les triglycérides sont introduits sous forme d’une huile végétale ou d’un mélange d’huiles végétales.
A titre d’exemples, on peut citer les huiles de colza, de soja, de tournesol, de coton, d’olive, de noix, de pépin de raisin, d’arachide, de coprah, de palme, de lin, de coco, de chanvre, de ricin, de tall (tall-oil en anglais) etc... Avantageusement, la composition de liant comprend des triglycérides sous forme d’huile de colza.
Avantageusement, les triglycérides représentent de 0,5 à 10 %, de préférence de 1 à 5 %, en masse par rapport à la masse totale de la composition de liant.
L’agent émulsionnant:
L’agent émulsionnant utilisé dans la composition de l’invention est un tensioactif ou un mélange de tensioactifs. Il peut être de type non ionique, anionique, cationique, amphotère ou être composé d’un mélange de tensioactifs de même nature ou de nature différente. De préférence, l’agent émulsionnant comprend au moins un tensioactif choisi parmi les tensioactifs non-ioniques et amphotères.
L’agent émulsionnant utilisé dans la composition de l’invention est un tensioactif ou un mélange de tensioactifs. Il peut être de type non ionique, anionique, cationique, amphotère ou être composé d’un mélange de tensioactifs de même nature ou de nature différente. De préférence, l’agent émulsionnant comprend au moins un tensioactif choisi parmi les tensioactifs non-ioniques et amphotères.
Parmi les tensioactifs non-ioniques utilisables dans l’invention on peut citer à titre d’exemple :
- les esters d’acides monocarboxyliques et de sorbitane, notamment les esters de sorbitane et d’acides alkyl monocarboxyliques en C6-C24, en particulier les esters de sorbitane et d’acides alkyl monocarboxyliques en C12-C18 ;
-les esters d’acides alkyl monocarboxyliques et de sorbitane éthoxylés, notamment les esters de sorbitane éthoxylés et d’acides alkyl monocarboxyliques en C6-C24, en particulier les esters de sorbitane éthoxylés et d’acides alkyl monocarboxyliques en C12-C18,
- les esters d’acides alkyl monocarboxyliques et d’isosorbides, notamment les esters d’isosorbides et d’acides alkyl monocarboxyliques en C6-C24, en particulier les esters d’isosorbides et d’acides alkyl monocarboxyliques en C12-C18,
- les propionates d’alkyle en C2-C12,
- les alkylglucosides,
- les esters d’acides alkyl monocarboxyliques et de polyols, notamment les esters de polyols en C3-C24et d’acides alkyl monocarboxyliques en C3-C30, en particulier les esters de polyols en C4-C20et d’acides alkyl monocarboxyliques en C12-C24,
- les alkylpentosides,
- les alcools gras éthoxylés,
et
- leurs mélanges.
- les esters d’acides monocarboxyliques et de sorbitane, notamment les esters de sorbitane et d’acides alkyl monocarboxyliques en C6-C24, en particulier les esters de sorbitane et d’acides alkyl monocarboxyliques en C12-C18 ;
-les esters d’acides alkyl monocarboxyliques et de sorbitane éthoxylés, notamment les esters de sorbitane éthoxylés et d’acides alkyl monocarboxyliques en C6-C24, en particulier les esters de sorbitane éthoxylés et d’acides alkyl monocarboxyliques en C12-C18,
- les esters d’acides alkyl monocarboxyliques et d’isosorbides, notamment les esters d’isosorbides et d’acides alkyl monocarboxyliques en C6-C24, en particulier les esters d’isosorbides et d’acides alkyl monocarboxyliques en C12-C18,
- les propionates d’alkyle en C2-C12,
- les alkylglucosides,
- les esters d’acides alkyl monocarboxyliques et de polyols, notamment les esters de polyols en C3-C24et d’acides alkyl monocarboxyliques en C3-C30, en particulier les esters de polyols en C4-C20et d’acides alkyl monocarboxyliques en C12-C24,
- les alkylpentosides,
- les alcools gras éthoxylés,
et
- leurs mélanges.
Parmi les tensioactifs amphotères utilisables dans l’invention on peut citer à titre d’exemple les bétaines.
De préférence, le tensioactif est choisi parmi les non-ioniques, en particulier, les esters de sorbitane, notamment les esters partiels de sorbitane, de préférence les mono-, di-, et tri-esters de sorbitane, et d’acides carboxyliques en C12-C18, et leurs mélanges.
Avantageusement, le tensioactif comprend un mélange d’esters d’acides monocarboxyliques et de sorbitane et d’esters d’acides monocarboxyliques et de sorbitane éthoxylés. Encore plus avantageusement, le tensioactif est constitué, pour au moins 80% en masse, par rapport à la masse totale du tensioactif, d’un mélange d’esters d’acides monocarboxyliques et de sorbitane et d’esters d’acides monocarboxyliques et de sorbitane éthoxylés. Encore plus avantageusement, le tensioactif est constitué d’un mélange d’esters d’acides monocarboxyliques et de sorbitane et d’esters d’acides monocarboxyliques et de sorbitane éthoxylés. De préférence, le mélange de tensioactifs est choisi parmi les mélanges d’esters d’acides monocarboxyliques en C12-C18et de sorbitane et d’esters d’acides monocarboxyliques en C12-C18et de sorbitane éthoxylés.
Avantageusement, le tensioactif comprend un mélange d’esters d’acides monocarboxyliques et de sorbitane et d’esters d’acides monocarboxyliques et de sorbitane éthoxylés. Encore plus avantageusement, le tensioactif est constitué, pour au moins 80% en masse, par rapport à la masse totale du tensioactif, d’un mélange d’esters d’acides monocarboxyliques et de sorbitane et d’esters d’acides monocarboxyliques et de sorbitane éthoxylés. Encore plus avantageusement, le tensioactif est constitué d’un mélange d’esters d’acides monocarboxyliques et de sorbitane et d’esters d’acides monocarboxyliques et de sorbitane éthoxylés. De préférence, le mélange de tensioactifs est choisi parmi les mélanges d’esters d’acides monocarboxyliques en C12-C18et de sorbitane et d’esters d’acides monocarboxyliques en C12-C18et de sorbitane éthoxylés.
Avantageusement, les tensioactifs représentent de 0,2 à 15 %, en masse par rapport à la masse totale de la composition de liant, de préférence de 0,5 à 10%.
Autres additifs
La matrice peut également comprendre un ou plusieurs additifs tels que par exemple des petites molécules organiques, des additifs améliorant la mouillabilité, des composés plastifiants, des réducteurs d’eau. Ces additifs permettent de conférer à la composition de liant certaines propriétés particulières complémentaires.
La matrice peut également comprendre un ou plusieurs additifs tels que par exemple des petites molécules organiques, des additifs améliorant la mouillabilité, des composés plastifiants, des réducteurs d’eau. Ces additifs permettent de conférer à la composition de liant certaines propriétés particulières complémentaires.
Avantageusement, la matrice comprend au moins un composé choisi parmi le monoéthylène glycol et ses dérivés, tels que les éthers d’alcool et de monoéthylène glycol, les esters d’acide et de monoéthylène glycol. De préférence la matrice comprend 0 à 20% en masse de monoéthylène glycol, rapportés à la masse totale de la composition de liant. Le monoéthylène glycol facilite le mouillage de la matrice.
Avantageusement, la matrice comprend en outre au moins un polymère acrylique en émulsion, aussi connu sous la dénomination de latex acrylique. De préférence la matrice comprend de 0 à 20% en masse d’au moins une émulsion de polymère acrylique, rapportés à la masse totale de la composition de liant, la concentration de l’émulsion étant de 50% en masse de matière sèche rapportés à la masse totale de l’émulsion. Une telle émulsion acrylique améliore la consistance et la stabilité du liant.
Afin d’améliorer la rhéologie de la composition de liant selon l’invention, il est possible d’ajouter d’autres adjuvants bien connu de l’homme du métier tels que :
- les superplastifiants, comme par exemple les polycarboxylates, notamment des polyacrylates ;
- les réducteurs d’eau, qui sont des adjuvants qui réduisent la quantité d’eau de gâchage ; les réducteurs d’eau incluent notamment les lignosulfonates, les acides hydroxycarboxyliques, les glucides, le glycérol, l’alcool polyvinylique, l’alumino-méthylsiliconate de sodium, l’acide sulfanylique, la caséine ;
- les retardateurs de prise : comme par exemple le pyrophosphate de potassium, le monofluorophosphate de sodium.
- les superplastifiants, comme par exemple les polycarboxylates, notamment des polyacrylates ;
- les réducteurs d’eau, qui sont des adjuvants qui réduisent la quantité d’eau de gâchage ; les réducteurs d’eau incluent notamment les lignosulfonates, les acides hydroxycarboxyliques, les glucides, le glycérol, l’alcool polyvinylique, l’alumino-méthylsiliconate de sodium, l’acide sulfanylique, la caséine ;
- les retardateurs de prise : comme par exemple le pyrophosphate de potassium, le monofluorophosphate de sodium.
La solution d’activation alcaline
La composition de liant selon l’invention comprend au moins une solution d’activation alcaline. Par « solution d’activation alcaline » on entend la solution permettant d’activer la réaction de polymérisation d’un métakaolin ou d’un mélange de métakaolin et d’un laitier de haut fourneau.
La composition de liant selon l’invention comprend au moins une solution d’activation alcaline. Par « solution d’activation alcaline » on entend la solution permettant d’activer la réaction de polymérisation d’un métakaolin ou d’un mélange de métakaolin et d’un laitier de haut fourneau.
La solution d’activation alcaline comprend une source de silicate alcalin de formule nSiO2, M2O, M étant un métal alcalin et n étant le rapport molaire entre SiO2et M2O. Avantageusement, le pH de la solution d’activation alcaline est supérieur ou égal à 10, encore mieux supérieur ou égal à 12, avantageusement il est supérieur ou égal à 13.
La solution alcaline de silicate présente avantageusement un rapport molaire M2O : SiO2compris dans la gamme allant de 0,5 à 6, de préférence de 1 à 5.
Avantageusement, la solution d’activation alcaline selon l’invention est une solution aqueuse de silicate alcalin dans laquelle le silicate représente de 10 à 75 % en masse, par rapport à la masse totale de la solution, avantageusement de 15 à 60%.
De préférence, la solution d’activation alcaline utilisée dans la composition selon l’invention est une solution de silicate de sodium, de potassium ou de lithium.
Selon un mode de réalisation, la solution d’activation alcaline est une solution aqueuse de silicate de sodium présentant un ratio molaire SiO2: Na2O allant de 1,7 à 3,9 et un pourcentage en masse de silicate de sodium allant de 40 à 50 % par rapport à la masse totale de la solution.
Selon un autre mode de réalisation, la solution d’activation alcaline est une solution aqueuse de silicate de potassium présentant un ratio molaire SiO2: K2O allant de 1 à 3,9 et un pourcentage en masse de silicate de potassium allant de 40 à 55 %. Ce silicate apporte au matériau final une meilleure robustesse et imperméabilité à l’eau par rapport au silicate de sodium. Il présente une bonne résistance à la chaleur et aux acides ainsi qu’une bonne stabilité au stockage. Par rapport au silicate de sodium, le silicate de potassium permet de limiter l’apparition d’efflorescences dans le matériau final. Il est plus largement disponible et donc plus économique que le silicate de lithium.
Selon un autre mode de réalisation, la solution d’activation alcaline est une solution aqueuse de silicate de lithium présentant un ratio molaire SiO2: Li2O allant de 2,5 à 5 et un pourcentage en masse de silicate de lithium allant de 20 à 30 %.
Selon un mode de réalisation préféré, la solution d’activation alcaline est une solution de silicate de potassium. Avantageusement la solution d’activation alcaline est une solution de silicate de potassium avec un ratio molaire SiO2: K2O allant de 1 à 2.
Avantageusement, le silicate de métal alcalin est présent dans la composition selon l’invention en quantité allant de 5 à 20% et de préférence de 5 à 15%, en masse par rapport à la masse totale de la composition. La quantité de silicate de métal alcalin est exprimée en matière active introduite dans la composition, l’eau apportée par la solution de silicate de métal alcalin étant comptabilisée séparément. Trop de silicate n’apporte pas d’avantage supplémentaire aux propriétés du matériau, un défaut de silicate ne permet pas de réagir suffisamment avec la matrice pour que le matériau se solidifie, ce qui conduit à une moindre résistance mécanique.
Charges
La composition de liant selon l’invention comprend avantageusement une ou plusieurs charges et/ou fibres.
La composition de liant selon l’invention comprend avantageusement une ou plusieurs charges et/ou fibres.
Par « charge » on entend, au sens de l’invention, un composé minéral et/ou végétal utilisable seul ou en mélange, avec une granulométrie adaptée à l’utilisation de la composition.
Avantageusement, la charge est choisie parmi les phosphates, les carbonates, les sulfates, l’ardoise, l’argile, le calcaire, l’oxyde d’aluminium, le granit, le grès, le mica, les formes cristallines de silices et de quartz de tout type, les roches volcaniques, les graviers, les sables, les fibres végétales (bois, feuilles, tiges, etc.), et les matériaux de déconstruction valorisés (broyats de béton, brique, ciment, etc.), les matériaux minéraux expansés comme par exemple les argiles expansées, notamment sous forme de billes, le verre expansé, le verre creux.
On peut utiliser un sable de mer de granulométrie allant jusqu’à 5mm. Avantageusement, la charge est un sable avec une granulométrie comprise entre 200 et 250 μm. Les sables, suivant leur provenance, peuvent être utilisés sous forme humide et présentent de préférence un taux d’humidité inférieur à 40 % massique.
Avantageusement, des fibres de renfort peuvent être utilisées dans la composition de liant selon l'invention. Ces fibres peuvent être des fibres organiques ou minérales d'origine naturelle ou de synthèse. Avantageusement, les fibres sont de nature minérale, avantageusement à base de silice ou de métaux, comme par exemple les fibres de silice et les fibres de tungstène. Les fibres apportent un foisonnement et une cohésion au sein du matériau, (au même titre que l’armature d’un béton armé), augmentent la résistance à la fissuration, et du fait de la cohésion du système, elles évitent une cassure franche sous impact.
Selon un mode de réalisation préféré, la composition de liant selon l’invention contient des fibres de verre. Avantageusement, selon ce mode de réalisation, la fibre de verre est coupée en brins de 1 à 20 mm de longueur, encore mieux de 2 à 10 mm de longueur.
Avantageusement, les charges représentent de 5 à70 %, en masse par rapport à la masse totale de la composition de liant, de préférence de 20 à 60%.
L’eau
On note que la composition de liant selon la présente invention contient de l’eau présente dans les matières premières utilisées, notamment la solution aqueuse de silicate alcalin et éventuellement les tensioactifs. De l’eau complémentaire peut être ajoutée à la composition de liant afin d’ajuster la coulabilité du mélange, qui est plus ou moins compact en fonction de la quantité d’eau apportée par le silicate, éventuellement par les émulsifiants et additifs, de la nature et du type de la charge utilisée, mais aussi de la quantité de métakaolin, de laitier de haut fourneau et de fibres, de la nature des poudres, en particulier de leur prise d’huile.
On note que la composition de liant selon la présente invention contient de l’eau présente dans les matières premières utilisées, notamment la solution aqueuse de silicate alcalin et éventuellement les tensioactifs. De l’eau complémentaire peut être ajoutée à la composition de liant afin d’ajuster la coulabilité du mélange, qui est plus ou moins compact en fonction de la quantité d’eau apportée par le silicate, éventuellement par les émulsifiants et additifs, de la nature et du type de la charge utilisée, mais aussi de la quantité de métakaolin, de laitier de haut fourneau et de fibres, de la nature des poudres, en particulier de leur prise d’huile.
Par « quantité d’eau » on entend au sens de l’invention, la quantité d’eau globale résultant de la somme de la quantité d’eau comprise dans les matières premières et de l’eau complémentaire ajoutée au mélange.
Il est important de maitriser la quantité d’eau dans la composition de liant selon l’invention afin de ne pas perdre les performances du matériau final.
Avantageusement, l’eau représente de 5 à 25 % en masse par rapport à la masse totale de la composition de liant selon l’invention.
Procédé de préparation d’une composition de liant et d’un matériau de construction selon l’invention
La présente invention concerne également un procédé de préparation d’une composition de liant comprenant :
a) au moins une matrice et
b) au moins une solution d’activation à base de silicate alcalin
tels que définis ci-dessus.
La présente invention concerne également un procédé de préparation d’une composition de liant comprenant :
a) au moins une matrice et
b) au moins une solution d’activation à base de silicate alcalin
tels que définis ci-dessus.
La composition de liant selon l'invention est obtenue par mélange des constituants a) et b) selon des techniques bien connues de l'homme du métier.
Avantageusement, le procédé de préparation défini ci-dessus comprend les étapes suivantes :
1) préparation de la matrice par mélange du métakaolin et éventuellement du laitier, avec l’huile, les tensioactifs et éventuellement les autres additifs, en particulier les additifs sous forme de poudre,
2) incorporation des charges et des fibres dans la matrice,
3) mélange de la matrice et de la solution d’activation à base de silicate alcalin, et
4) coulage et durcissement de la composition.
1) préparation de la matrice par mélange du métakaolin et éventuellement du laitier, avec l’huile, les tensioactifs et éventuellement les autres additifs, en particulier les additifs sous forme de poudre,
2) incorporation des charges et des fibres dans la matrice,
3) mélange de la matrice et de la solution d’activation à base de silicate alcalin, et
4) coulage et durcissement de la composition.
Le mélange des composants est réalisé de façon extemporanée peu avant la mise en place de la composition sur le lieu d’application. La première étape du procédé peut être réalisée en deux sous-étapes, c’est-à-dire un pré-mélange du métakaolin et éventuellement du ou des laitiers de haut fourneau dans un premier temps, puis l’incorporation de l’huile, du ou des tensioactifs, et éventuellement des autres additifs dans le pré-mélange dans un deuxième temps. L'ordre d'addition des composants constituant la composition de liant selon l'invention, c'est-à-dire par exemple, les constituants de la matrice, la solution alcaline de silicate, les additifs, notamment les charges et les fibres, peut varier. De préférence dans une première étape on prépare la matrice en mélangeant jusqu’à homogénéité le métakaolin, l’huile, le tensioactif et éventuellement le laitier de haut fourneau, ainsi que les autres additifs. On ajoute ensuite les charges et les fibres de renfort. On introduit ensuite la solution d’activation à base de silicate alcalin, et le cas échéant de l’eau en quantité permettant d’ajuster la coulabilité. La solution d’activation à base de silicate alcalin peut être introduite avant ou après les autres composants. De préférence la solution d’activation à base de silicate alcalin est introduite en dernier. La coulabilité du liant de l’invention dépend de l’ensemble des constituants et peut être ajustée en introduisant plus ou moins de certains composants, de façon connue de l’homme du métier. L’objectif visé est d’obtenir une composition qui puisse être versée d’un mélangeur vers la zone d’application et qui s’écoule sous son propre poids. Une telle composition est généralement qualifiée de composition auto-lissante.
Le procédé de fabrication d’un matériau de construction comprend la fabrication du liant et son application sur un support. Le support peut par exemple être un moule, un coffrage, un sol, un mur, une paroi, un enrochement. Par exemple on peut utiliser un moule en silicone, en polystyrène ou en acier, un coffrage en bois. Le liant de l’invention peut être appliqué soit directement sur le site de construction, soit en usine où il peut être coulé sous forme de briques, de plaques ou de pièces de toute autre forme. L’ouvrabilité de la composition de liant est avantageusement de 5 minutes à 36 heures. Elle est ajustée au moyen des différents additifs cités ci-dessus, des proportions des composants, de la quantité d’eau et de la quantité de composition de liant produite.
De façon connue d’un homme du métier, pendant la prise, on peut couvrir le matériau avec une bâche, on peut aussi appliquer un produit de cure, notamment à base de silicate, sur le matériau frais si celui-ci contient beaucoup d’eau, afin d’éviter le retrait tridimensionnel ainsi que les risques de fragilisation et fissuration du matériau.
En général, la mise en place de la composition de liant est suivie d’une étape de démoulage lorsque le support est un moule ou un coffrage. Le support peut être recouvert en tout ou partie par des éléments de renforts bien connus de l’homme du métier tel qu’un treillis d’acier ou de fibres de verre. La composition de liant selon l’invention peut être appliquée par tout moyen connu de l’homme du métier, notamment par coulage, moulage, projection, injection, damage. La composition de liant selon l’invention peut être appliquée à des températures comprises entre 5 et 40°C, sans nécessiter de traitement thermique. La prise intervient dans une large gamme de températures ambiantes et permet donc une utilisation sous des climats variés. Le matériau présente une résistance mécanique satisfaisante au bout d’un temps très court.
Composition
L’invention se rapporte à la composition de liant sous forme de deux parties a) et b) distinctes avant leur mélange. Une telle composition peut être sous forme de kit prêt à l’emploi, chacune des deux parties de la composition étant conditionnée dans un emballage qui prévient leur mélange. Avantageusement la composition de liant est conditionnée sans les charges. Celles-ci sont de préférence choisies parmi les matériaux présents sur le lieu du chantier et ajoutées avant le mélange.
L’invention se rapporte à la composition de liant sous forme de deux parties a) et b) distinctes avant leur mélange. Une telle composition peut être sous forme de kit prêt à l’emploi, chacune des deux parties de la composition étant conditionnée dans un emballage qui prévient leur mélange. Avantageusement la composition de liant est conditionnée sans les charges. Celles-ci sont de préférence choisies parmi les matériaux présents sur le lieu du chantier et ajoutées avant le mélange.
Avantageusement, la composition de liant selon l’invention comprend, en masse par rapport à la masse totale de la composition:
a) de 5 à 50 % en masse de métakaolin, et éventuellement de laitier et d’autres matériaux pulvérulents ;
b) de 5 à 20 % en masse d’au moins un silicate alcalin ;
c) de 0,5 à 10 % en masse d’au moins une huile ;
d) de 0,2 à 15 % en masse d’au moins un tensioactif ;
e) de 5 à 70% en masse d’au moins une charge ;
f) de 5 à 25% en masse d’eau.
a) de 5 à 50 % en masse de métakaolin, et éventuellement de laitier et d’autres matériaux pulvérulents ;
b) de 5 à 20 % en masse d’au moins un silicate alcalin ;
c) de 0,5 à 10 % en masse d’au moins une huile ;
d) de 0,2 à 15 % en masse d’au moins un tensioactif ;
e) de 5 à 70% en masse d’au moins une charge ;
f) de 5 à 25% en masse d’eau.
Selon un mode de réalisation avantageux, la composition de liant selon l’invention comprend, en masse par rapport à la masse totale de la composition:
a) de 10 à 40 % en masse de métakaolin;
b) de 5 à 15 % en masse de silicate alcalin ;
c) de 1 à 5 % en masse d’au moins une huile ;
d) de 0,5 à 10 % en masse d’au moins un tensioactif ;
e) de 20 à 60 % en masse d’au moins une charge ;
f) de 5 à 25% en masse d’eau
g) de 0,1 à 15 % en masse de laitier et éventuellement d’autres matériaux pulvérulents.
a) de 10 à 40 % en masse de métakaolin;
b) de 5 à 15 % en masse de silicate alcalin ;
c) de 1 à 5 % en masse d’au moins une huile ;
d) de 0,5 à 10 % en masse d’au moins un tensioactif ;
e) de 20 à 60 % en masse d’au moins une charge ;
f) de 5 à 25% en masse d’eau
g) de 0,1 à 15 % en masse de laitier et éventuellement d’autres matériaux pulvérulents.
Avantageusement, le ratio massique métakaolin+ laitier/silicate de métal alcalin va de 5 :1 à 1 :2, de préférence de 4 :1 à 1 :2.
Pour tous les composants autres que l’eau, les pourcentages sont exprimés en masse de matière active rapportée à la masse totale de la composition. Il doit être tenu compte, le cas échéant, de la dilution de la matière active lorsqu’elle est sous forme diluée dans l’eau.
Matériau de construction selon l’invention
La présente invention concerne également un matériau de construction réalisé à partir de la composition de liant décrite ci-dessus. Plus particulièrement, l’invention concerne un matériau de construction obtenu après la prise et le durcissement du mélange des constituants de la composition. La composition de liant, éventuellement mélangée avec des charges, et/ou des fibres, donne après durcissement un matériau de construction qui présente des propriétés de résistance mécanique élevées, supérieures à celles des matériaux de même nature et qui ne comprennent pas de triglycérides et de tensioactifs. Les compositions de liant selon l’invention présentent l’avantage de pouvoir être appliquées dans des zones réputées difficiles pour la construction, notamment les zones humides, par exemple suite à des inondations, des sols irréguliers et/ou hétérogènes, par exemple suite à des éboulements. Elles peuvent être utilisées pour une construction neuve ou pour une restauration. Les compositions de l’invention permettent l’obtention d’un matériau de résistance mécanique élevée en un temps très court.
La présente invention concerne également un matériau de construction réalisé à partir de la composition de liant décrite ci-dessus. Plus particulièrement, l’invention concerne un matériau de construction obtenu après la prise et le durcissement du mélange des constituants de la composition. La composition de liant, éventuellement mélangée avec des charges, et/ou des fibres, donne après durcissement un matériau de construction qui présente des propriétés de résistance mécanique élevées, supérieures à celles des matériaux de même nature et qui ne comprennent pas de triglycérides et de tensioactifs. Les compositions de liant selon l’invention présentent l’avantage de pouvoir être appliquées dans des zones réputées difficiles pour la construction, notamment les zones humides, par exemple suite à des inondations, des sols irréguliers et/ou hétérogènes, par exemple suite à des éboulements. Elles peuvent être utilisées pour une construction neuve ou pour une restauration. Les compositions de l’invention permettent l’obtention d’un matériau de résistance mécanique élevée en un temps très court.
La présente invention se rapporte aussi à un objet mis en forme utilisable dans le domaine de la construction comprenant un matériau selon l'invention, résultant de la prise de la composition de liant.
La composition de liant selon l'invention peut être mise en forme pour produire, après durcissement, un objet mis en forme utilisable dans le domaine de la construction. L'invention se rapporte également à un tel objet mis en forme. Les objets mis en forme utilisables dans le domaine de la construction sont par exemple, et de façon non exhaustive, ouvrage d’art, un sol, une chape, une fondation, un mur, une cloison, un plafond, une poutre, un plan de travail, un pilier, une pile de pont, un parpaing, une canalisation, un poteau, un escalier, un panneau, une corniche, un moule, un élément de voirie, une pièce de mobilier urbain, une route, une digue, une piste d’atterrissage.
Utilisation des compositions de liant selon l’invention
La présente invention porte également sur l’utilisation de ladite composition sous la forme d’un système bi-composant avec d’une part les constituants de la matrice, et d’autre part la solution d’activation alcaline, pour la construction, la consolidation et la rénovation, notamment dans le domaine du bâtiment et de la voirie.
La présente invention porte également sur l’utilisation de ladite composition sous la forme d’un système bi-composant avec d’une part les constituants de la matrice, et d’autre part la solution d’activation alcaline, pour la construction, la consolidation et la rénovation, notamment dans le domaine du bâtiment et de la voirie.
Les compositions de liant selon l’invention peuvent être utilisées dans la réparation et/ou la consolidation de sites partiellement inondés ainsi que dans les lieux où se sont produits des catastrophes naturelles, avec des délais de réalisation et/ou de remise en usage très courts. Elles peuvent en particulier être utilisées à la fabrication de plateformes de stockage de matériels de première urgence, de pistes d’atterrissage, par exemple après une catastrophe climatique.
L'invention est illustrée par les exemples, donnés à titre non limitatif, ci-après.
Dans ces Exemples, les parties et pourcentages sont exprimés en masse sauf indication contraire.
I. Matériaux et méthodes :
1. Matières premières :
Métakaolin: le métakaolin utilisé est le métakaolin rouge obtenu par calcination flash, commercialisé sous la dénomination Argicem® ou Geoflash ® par la société Argeco Développement. Le Métakaolin présente une D50 d’environ 30 µm, une masse volumique des particules = 2541 kg/m3, un indice pouzzolanique (essai Chapelle) d’environ 800 mg chaux/g et une demande en eau de 1,09 g/kg (indice relatif entre un ciment seul et un mélange 85% ciment + 15% métakaolin).
Un essai a été réalisé en utilisant du métakaolin blanc obtenu par calcination flash et commercialisé par la société Argeco Développement sous la dénomination Argicem-b®. Ce Métakaolin blanc présente une masse volumique des particules = 2246 kg/m3, un indice pouzzolanique (essai Chapelle) d’environ 860 mg chaux/g et une demande en eau de 1,22 g/kg (indice relatif entre un ciment seul et un mélange 85% ciment + 15% métakaolin).
Métakaolin: le métakaolin utilisé est le métakaolin rouge obtenu par calcination flash, commercialisé sous la dénomination Argicem® ou Geoflash ® par la société Argeco Développement. Le Métakaolin présente une D50 d’environ 30 µm, une masse volumique des particules = 2541 kg/m3, un indice pouzzolanique (essai Chapelle) d’environ 800 mg chaux/g et une demande en eau de 1,09 g/kg (indice relatif entre un ciment seul et un mélange 85% ciment + 15% métakaolin).
Un essai a été réalisé en utilisant du métakaolin blanc obtenu par calcination flash et commercialisé par la société Argeco Développement sous la dénomination Argicem-b®. Ce Métakaolin blanc présente une masse volumique des particules = 2246 kg/m3, un indice pouzzolanique (essai Chapelle) d’environ 860 mg chaux/g et une demande en eau de 1,22 g/kg (indice relatif entre un ciment seul et un mélange 85% ciment + 15% métakaolin).
Solution aqueuse de silicate alcalin: une solution de silicate de potassium commercialisée par la société Woellner sous la dénomination GEOSIL 14515 de rapport molaire K2O : SiO2égal à 1,5 a été utilisée.
Dans tous les exemples ci-après le silicate alcalin est en solution aqueuse, sa concentration est exprimée en % massique par rapport à la masse totale de la solution.
Dans tous les exemples ci-après le silicate alcalin est en solution aqueuse, sa concentration est exprimée en % massique par rapport à la masse totale de la solution.
Laitier de haut fourneau: deux types de laitiers de haut fourneau désignés « laitier 1 » et « laitier 2 » ont été utilisés. Il s’agit respectivement des produits commercialisés sous la dénomination « ECO2cem » et « ECO2cem+ » par la société Orcem. Les laitiers représentent un ratio (CaO+MgO/SiO2) ≥ 1,2, une D50 comprise entre 4 et 12 µm et une surface spécifique selon le test de Blaine de 4450 +/- 250 cm2/g.
La composition massique du laitier de haut fourneau utilisé est représentée dans le tableau 2 ci-dessous :
La composition massique du laitier de haut fourneau utilisé est représentée dans le tableau 2 ci-dessous :
Huile: l’huile utilisée est une huile de colza.
Tensioactifs: le premier tensioactif (tensioactif 1) utilisé est un trioléate de sorbitane éthoxylé appartenant à la famille des esters de sorbitane commercialisé par la société CRODA sous le nom Tween 85 ®.
Le second tensioactif (tensioactif 2) utilisé est un trioléate de sorbitane non éthoxylé appartenant également à la famille des esters de sorbitane commercialisé par la société CRODA sous le nom Span 85 ®.
Le second tensioactif (tensioactif 2) utilisé est un trioléate de sorbitane non éthoxylé appartenant également à la famille des esters de sorbitane commercialisé par la société CRODA sous le nom Span 85 ®.
Charges: les essais de formulation ont été réalisés en utilisant du sable standard, commercialisé par la société Sibelco sous le nom CV32, présentant une granulométrie comprise entre 200 et 300 µm, la granulométrie étant déterminée par tamisage.
Fibres: la fibre de verre utilisée est une fibre de verre coupée en brins de 4,5 mm de longueur.
2. Instruments :
- Mélangeur /malaxeur de la société BMG ;
- Moule en polystyrène rectangulaire 4x4x16 cm de la société Proviteq pour la réalisation des tests de compressions ;
- Moule en silicone de forme cylindrique, de diamètre 6 cm et de hauteur 3 cm pour la réalisation d’éprouvettes pour le test SHORE D
- Moule en silicone 5x2,7x1 cm pour le test de résistance aux acides
- Duromètre SHORE du type D modèle D-7900 de la société ZWICK.
- Mélangeur /malaxeur de la société BMG ;
- Moule en polystyrène rectangulaire 4x4x16 cm de la société Proviteq pour la réalisation des tests de compressions ;
- Moule en silicone de forme cylindrique, de diamètre 6 cm et de hauteur 3 cm pour la réalisation d’éprouvettes pour le test SHORE D
- Moule en silicone 5x2,7x1 cm pour le test de résistance aux acides
- Duromètre SHORE du type D modèle D-7900 de la société ZWICK.
II. Préparation de la composition de liant :
Les compositions de liant selon l’invention ont été préparées selon le protocole décrit ci-après :
- 1èreétape : pré-mélange des poudres métakaolin/ laitier(s) de haut fourneau
- 2èmeétape : introduction du mélange huile/tensioactifs dans le pré-mélange métakaolin/ laitier(s) de haut fourneau
- 3èmeétape : incorporation des charges
- 4èmeétape : ajout de la solution d’activation alcaline
- 5èmeétape : mélange, éventuellement incorporation d’eau additionnelle, coulage et durcissement dans les moules.
Les trois premières étapes constituent la préparation de la matrice, le mélange des composants de la matrice pourrait être réalisé dans un ordre différent sans que cela ait un impact sur les propriétés du matériau. Lorsque l’on introduit de l’eau additionnelle pour améliorer la coulabilité du mélange, celle-ci est comptée en plus des autres matériaux et conduit à un total supérieur à 100% comme cela ressort des données du tableau 4. La coulabilité est notée +, ++, ou +++ correspondant respectivement à « satisfaisante », « bonne », « très bonne ».
Les compositions de liant selon l’invention ont été préparées selon le protocole décrit ci-après :
- 1èreétape : pré-mélange des poudres métakaolin/ laitier(s) de haut fourneau
- 2èmeétape : introduction du mélange huile/tensioactifs dans le pré-mélange métakaolin/ laitier(s) de haut fourneau
- 3èmeétape : incorporation des charges
- 4èmeétape : ajout de la solution d’activation alcaline
- 5èmeétape : mélange, éventuellement incorporation d’eau additionnelle, coulage et durcissement dans les moules.
Les trois premières étapes constituent la préparation de la matrice, le mélange des composants de la matrice pourrait être réalisé dans un ordre différent sans que cela ait un impact sur les propriétés du matériau. Lorsque l’on introduit de l’eau additionnelle pour améliorer la coulabilité du mélange, celle-ci est comptée en plus des autres matériaux et conduit à un total supérieur à 100% comme cela ressort des données du tableau 4. La coulabilité est notée +, ++, ou +++ correspondant respectivement à « satisfaisante », « bonne », « très bonne ».
III. Méthodes de caractérisation :
Confection des éprouvettes :
Des éprouvettes ont été préparées dans les différents moules décrits ci-dessus par coulage de la composition dans le moule et durcissement à température ambiante.
Confection des éprouvettes :
Des éprouvettes ont été préparées dans les différents moules décrits ci-dessus par coulage de la composition dans le moule et durcissement à température ambiante.
Mesure de la dureté :
La dureté SHORE D des compositions de liant selon l’invention a été mesurée sur des éprouvettes cylindriques selon la technique citée ci-dessus.
La dureté SHORE D des compositions de liant selon l’invention a été mesurée sur des éprouvettes cylindriques selon la technique citée ci-dessus.
Test de friabilité :
L’analyse de la friabilité de la composition de liant selon l’invention est réalisée après le durcissement de l’éprouvette. Elle consiste à vérifier si la matière se désagrège facilement en poudre par application d’une pression de la main. On note - si l’éprouvette est friable, + si elle ne l’est pas.
L’analyse de la friabilité de la composition de liant selon l’invention est réalisée après le durcissement de l’éprouvette. Elle consiste à vérifier si la matière se désagrège facilement en poudre par application d’une pression de la main. On note - si l’éprouvette est friable, + si elle ne l’est pas.
Test de résistance à la compression et à la flexion :
La résistance à la compression et à la flexion des compositions de liant selon l’invention est évaluée après 7 et 14 jours. Cette évaluation est faite sur une machine de compression/flexion automatique commercialisée par la société E2ME, selon la norme EN 196-1. Compression : vitesse de compression = 2,4 kN/s et plateaux de 40x40mm. Flexion : vitesse de 50N/s et 3 rouleaux de flexion de diamètre de 10mm, les deux rouleaux inférieurs étant distants de 100 mm.
La résistance à la compression et à la flexion des compositions de liant selon l’invention est évaluée après 7 et 14 jours. Cette évaluation est faite sur une machine de compression/flexion automatique commercialisée par la société E2ME, selon la norme EN 196-1. Compression : vitesse de compression = 2,4 kN/s et plateaux de 40x40mm. Flexion : vitesse de 50N/s et 3 rouleaux de flexion de diamètre de 10mm, les deux rouleaux inférieurs étant distants de 100 mm.
Test de résistance aux acides :
Le test de résistance aux acides de la composition de liant selon l’invention consiste à mettre une petite éprouvette rectangulaire dans une solution à 10% d’acide chlorhydrique concentré à 33% pendant 4 jours. L’éprouvette est pesée avant et après le test et on évalue la perte de matière. Celle-ci est exprimée en % massique de perte par rapport à la masse initiale.
Le test de résistance aux acides de la composition de liant selon l’invention consiste à mettre une petite éprouvette rectangulaire dans une solution à 10% d’acide chlorhydrique concentré à 33% pendant 4 jours. L’éprouvette est pesée avant et après le test et on évalue la perte de matière. Celle-ci est exprimée en % massique de perte par rapport à la masse initiale.
IV. Résultats :
Les compositions selon l’invention ont été préparées et comparées à une composition témoin. Le tableau 3 suivant décrit les compositions préparées.
Le tableau 4 décrit les résultats des tests de performance pour chacune de ces compositions.
Le tableau 4 décrit les résultats des tests de performance pour chacune de ces compositions.
Claims (18)
- Composition de liant pour matériau de construction comprenant au moins :
a) une matrice comprenant au moins un composé à base d’alumino-silicate, tel qu’un métakaolin, et
b) une solution d’activation alcaline,
caractérisée en ce que ladite matrice comprend au moins des triglycérides d’acide gras et au moins un agent émulsionnant. - Composition de liant selon la revendication 1, dans laquelle la solution d’activation alcaline est une solution aqueuse comprenant au moins un silicate de métal alcalin de formule nSiO2, M2O, M étant un métal alcalin choisi parmi le sodium, le potassium ou le lithium et n étant le rapport molaire entre SiO2et M2O.
- Composition de liant selon la revendication 2, dans laquelle le silicate de métal alcalin est le silicate de potassium et le rapport molaire n est compris entre 1 et 3,9.
- Composition de liant selon l’une quelconque des revendications 2 et 3, dans laquelle le silicate de métal alcalin est présent en quantité allant de 5 à 20%, en masse par rapport à la masse totale de la composition.
- Composition de liant selon l’une quelconque des revendications précédentes dans laquelle le métakaolin est un métakaolin flash obtenu par calcination flash d’une argile kaolinique.
- Composition de liant selon l’une quelconque des revendications précédentes dans laquelle le métakaolin représente de 5 à 50 % en masse par rapport à la masse totale de la composition.
- Composition de liant selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la matrice comprend en outre, un laitier de haut fourneau.
- Composition de liant selon la revendication 7 dans laquelle le laitier de haut fourneau représente de 0,1 à 30 % en masse par rapport à la masse totale de la composition.
- Composition de liant pour matériau de construction selon l’une quelconque des revendications précédentes dans laquelle les triglycérides d’acides gras sont des triglycérides d’origine végétale, de préférence présents dans la matrice sous forme d’huile de colza.
- Composition de liant selon l’une quelconque des revendications précédentes dans laquelle les triglycérides d’acides gras représentent de 0,5 à 10 % en masse par rapport à la masse totale de la composition.
- Composition de liant selon l’une quelconque des revendications précédentes dans laquelle l’agent émulsionnant est un tensioactif ou un mélange de tensioactifs comprenant au moins un composé choisi parmi les tensioactifs amphotères, les tensioactifs non-ioniques et leurs mélanges.
- Composition de liant selon la revendication 11 dans laquelle l’émulsionnant comprend au moins un tensioactif choisi parmi : les esters d’acides alkyl monocarboxyliques et de sorbitane, les esters d’acides alkyl monocarboxyliques et de sorbitane éthoxylés et leurs mélanges.
- Composition de liant selon l’une quelconque des revendications précédentes dans laquelle le tensioactif représente de 0,2 à 15 % en masse par rapport à la masse totale de la composition.
- Composition de liant selon l’une quelconque des revendications précédentes, qui comprend, en outre, des additifs tels que des charges et des fibres.
- Procédé de préparation d’une composition de liant selon l’une quelconque des revendications précédentes comprenant les étapes suivantes :
1) préparation de la matrice par mélange du métakaolin et éventuellement du laitier, avec l’huile, les tensioactifs et éventuellement les autres additifs,
2) éventuellement incorporation des charges et des fibres dans la matrice,
3) mélange de la matrice et de la solution d’activation à base de silicate alcalin. - Procédé de préparation d’un matériau comprenant les étapes suivantes :
i) préparation d’une composition de liant selon la revendication 15 ;
ii) mise en forme de la composition de l’étape i)
iii) prise et durcissement de la composition mise en forme à l’étape ii). - Matériau ou objet résultant du procédé selon la revendication 16.
- Utilisation de la composition de liant selon l’une quelconque des revendications 1 à 14, ou d’un matériau ou d’un objet selon la revendication 17, dans la construction, la consolidation, la réparation et la rénovation, dans le domaine du bâtiment et de la voirie.
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