FR3058139A1 - Procede de fabrication d'une mousse minerale et utilisation de cette mousse en tant que materiau isolant - Google Patents
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Abstract
La présente invention a pour objet un procédé de préparation d'une mousse minérale comprenant les étapes suivantes a. Préparer une mousse aqueuse à base d'eau, d'au moins un tensioactif anionique et d'une source de sel de calcium, la somme des concentrations molaires en tensioactif anionique et en sel de calcium étant inférieure à 5.10-2 mol/L ; b. Préparer un coulis de ciment à base d'eau et de ciment Portland ; c. Mettre en contact le coulis de ciment avec la mousse aqueuse pour préparer un coulis de ciment moussé ; et d. Mettre en forme le coulis de ciment moussé obtenu à l'étape c) et laisser la prise s'effectuer. La présente invention a également pour objet l'utilisation d'un précipité formé à partir d'un tensioactif anionique et d'une source de sel de calcium pour stabiliser une mousse aqueuse et l'utilisation d'un mousse aqueuse à base d'eau, d'un tensioactif anionique et d'une source de sel de calcium pour stabiliser une mousse minérale. La présente invention a enfin pour objet une mousse minérale stabilisée susceptible d'être obtenue par le procédé et l'utilisation de cette mousse en tant que matériau de construction ou en tant que matériau isolant ainsi qu'un élément de construction comprenant une mousse minérale selon l'invention.
Description
Titulaire(s) : HOLCIM TECHNOLOGY LTD,CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE (CNRS),UNIVERSITE CLAUDE BERNARD LYON 1, UNIVERSITE DE BORDEAUX 1.
Demande(s) d’extension
Mandataire(s) : REGIMBEAU.
PROCEDE DE FABRICATION D'UNE MOUSSE MINERALE ET UTILISATION DE CETTE MOUSSE EN TANT QUE MATERIAU ISOLANT.
FR 3 058 139 - A1 (5j) La présente invention a pour objet un procédé de préparation d'une mousse minérale comprenant les étapes suivantes
a. Préparer une mousse aqueuse à base d'eau, d'au moins un tensioactif anionique et d'une source de sel de calcium, la somme des concentrations molaires en tensioactif anionique et en sel de calcium étant inférieure à 5.10'2 mol/ L;
b. Préparer un coulis de ciment à base d'eau et de ciment Portland;
c. Mettre en contact le coulis de ciment avec la mousse aqueuse pour préparer un coulis de ciment moussé; et
d. Mettre en forme le coulis de ciment moussé obtenu à l'étape c) et laisser la prise s'effectuer.
La présente invention a également pour objet l'utilisation d'un précipité formé à partir d'un tensioactif anionique et d'une source de sel de calcium pour stabiliser une mousse aqueuse et l'utilisation d'un mousse aqueuse à base d'eau, d'un tensioactif anionique et d'une source de sel de calcium pour stabiliser une mousse minérale.
La présente invention a enfin pour objet une mousse minérale stabilisée susceptible d'être obtenue par le procédé et l'utilisation de cette mousse en tant que matériau de construction ou en tant que matériau isolant ainsi qu'un élément de construction comprenant une mousse minérale selon l'invention.
PROCEDE DE FABRICATION D’UNE MOUSSE MINERALE ET UTILISATION DE CETTE MOUSSE EN TANT QUE MATERIAU ISOLANT
La présente invention se rapporte à un procédé de fabrication d’une mousse minérale à base de ciments, ainsi qu’à l’utilisation de cette mousse en tant que matériau isolant et/ou en tant que matériau de construction.
De manière générale, la mousse minérale est très avantageuse pour de nombreuses applications en raison de ses propriétés d’isolation thermique. La mousse minérale désigne un matériau sous forme d’une mousse. Ce matériau est plus léger que le béton traditionnel à cause des pores ou espaces vides qu’il comprend, on parle aussi de mousse de ciment. Ces pores ou espaces vides sont dus à la présence d’un gaz dans la mousse minérale et peuvent se présenter sous forme de bulles. En effet avec 1 m3 de matière première, il est possible de fabriquer environ 5 m3 de produit fini, soit un matériau composé de 20 % de matière et 80 % de gaz (valable pour un élément de masse volumique de 400 kg/m3). Ainsi, la mousse minérale comprend un réseau de bulles plus ou moins éloignées les unes des autres, c’est-à-dire de poches de gaz contenues dans une enveloppe solide de liant minéral.
La fabrication des mousses minérales est délicate car elle résulte de la solidification d’une mousse liquide en une mousse solide. Cette mousse solide étant d’abord une mousse liquide c’est-à-dire un réseau de bulles d’air ou de gaz ceinte par un coulis de liant hydraulique qui évolue dans le temps en une mousse minérale solide. Aussi la fabrication des mousses minérales implique une étape de fabrication d’une mousse qui devra être stable jusqu’à la prise effective du ciment. La stabilité de la mousse avant cette prise est donc importante, et il convient que le procédé de fabrication puisse contrôler les phénomènes de déstabilisation des mousses pendant la prise, comme par exemple la coalescence, le mûrissement d’Ostwald ou le drainage.
De plus lorsque cette mousse minérale est utilisée comme matériau d’isolation, il est avantageux qu’elle puisse être mise en place sur un support, celui-ci pouvant être aussi bien horizontal, incliné, vertical, ou une (cavitaire). Il devient alors intéressant que la mousse remplisse et s’accroche sur ce support et qu’elle reste stable et solidaire jusqu’à sa solidification. Avant la prise la mousse peut aussi s’écouler sous l’effet de la gravité et il est important qu’une fois sur son support, cette mousse ne coule pas ou ne tombe pas sous l’effet de la gravité.
Aussi le problème que se propose de résoudre l’invention est de trouver un procédé de réalisation d’une mousse minérale stable, ayant une stabilité accrue lorsque la mousse est à l’état liquide et ne s’effondrant pas sous l’effet de la gravité.
L’invention se rapporte aussi à une mousse minérale susceptible d’être obtenue selon le procédé de l’invention.
Selon un autre objet de l’invention, la mousse minérale selon l’invention peut être utilisée comme matériau de construction. Par exemple, la mousse minérale peut être utilisée comme isolant projeté ou non, ou comme élément de remplissage de structures.
La présente invention cherche à fournir de nouvelles mousses minérales qui ont une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- la mousse minérale selon l’invention possède d’excellentes propriétés de stabilité ;
- la mousse minérale selon l’invention possède d’excellentes propriétés thermiques, et notamment une très faible conductivité thermique. Diminuer la conductivité thermique des matériaux de construction est hautement désirable puisqu'elle permet d’obtenir une économie d’énergie de chauffage dans les immeubles d’habitation ou de travail.
D’une manière surprenante les inventeurs ont découvert que des particules colloïdales hybrides, formées par mise en contact d’un tensioactif anionique, avantageusement de type sulfonate ou de type sulfate, et d’une source de sel de calcium, stabilisent des mousses aqueuses par effet Pickering. Ces mousses aqueuses stabilisées permettent de fabriquer des mousses minérales, à base cimentaire, stables, en particulier qui ne s’effondrent pas lors de la prise.
Sans vouloir être limitatifs, les inventeurs pensent que ces particules hybrides stabilisent la mousse minérale le temps de la prise cimentaire. La stabilité de la mousse de sol cimentaire est suffisante pour permettre une prise du ciment avant tout effondrement de la mousse. La bonne compatibilité chimique entre le ciment et ces particules hybrides assure également une bonne stabilité.
L’invention a ainsi pour objet un procédé de préparation d’une mousse minérale comprenant les étapes suivantes :
a. Préparer une mousse aqueuse à base d’eau, d’un tensioactif anionique, avantageusement de type sulfonate ou sulfate, et d’une source de sel de calcium, la somme des concentrations molaires en tensioactif anionique, avantageusement de type sulfonate ou sulfate, et en sel de calcium étant inférieure à 5.10'2 mol/L ;
b. Préparer un coulis de ciment à base d’eau et de liant hydraulique ;
c. Mettre en contact le coulis de ciment avec la mousse aqueuse pour préparer un coulis de ciment moussé ; et
d. Mettre en forme le coulis de ciment moussé obtenu à l’étape c) et laisser la prise s’effectuer.
Avantageusement, lors de l’étape a), la somme des concentrations molaires en tensioactif anionique et en sel de calcium est inférieure à 2,5.10-2 mol/L, avantageusement inférieure à 2.10-2 mol/L. Des concentrations trop élevées en en tensioactif anionique et en sel de calcium viennent favoriser la formation de particules ayant des tailles supérieures à 100 pm qui peuvent déstabiliser la mousse minérale.
Le tensioactif anionique est avantageusement de type sulfonate ou de type sulfate.
Pour préparer la mousse aqueuse, le tensioactif anionique, de type sulfonate ou de type sulfate, est avantageusement introduit dans l’eau à une concentration en SO3- allant de 5.10-4 mol/L à 10-1 mol/L, plus avantageusement allant de 10-3 mol/L à 10-2 mol/L, encore plus avantageusement allant de 5.10-3 mol/L à 10-2 mol/L.
Pour préparer la mousse aqueuse, la source de calcium est avantageusement introduite dans l’eau à une concentration en Ca2+ allant de 5.10'4 mol/L à 5.10'1 mol/L, plus avantageusement allant de 5.10'3 mol/L à 10'2 mol/L, encore plus avantageusement allant de 2,5.10'3 mol/L à 10'2 mol/L.
Le rapport molaire [SO3_]/[Ca2+] varie avantageusement de 1 à 10.
Dans une variante de l’invention, la concentration en SO3' est comprise entre 1.10'4 mol/L et 1.10'3 mol/L et le rapport molaire [SO3_]/[Ca2+] varie avantageusement de 0,03 à 10, plus avantageusement de 1 à 2.
Dans une autre variante de l’invention, la concentration en SO3' est supérieure à
1.10'3 mol/L et le rapport molaire [SO3_]/[Ca2+] varie avantageusement de 1 à 10, plus avantageusement de 1 à 2.
Dans une autre variante de l’invention, la concentration en SO3' est supérieure à 1.10'3 mol/L et le rapport molaire [SO3_]/[Ca2+] varie avantageusement de 1 à 4, plus avantageusement de 1 à 2.
Le tensioactif anionique est plus avantageusement choisi dans le groupe comprenant les alkylethersulfonates, les hydroxyalkylethersulfonates, les alphaolefinesulfonates, les alkylbenzenesulfonates, les alkylestersulfonates, les alkylethersulfates, les hydroxyalkylethersulfates, les alphaolefinesulfates, les alkylbenzenesulfates et les alkylestersulfates. En particulier, le tensioactif anionique est le dodecylbenzene sulfonate de sodium, noté SDBS, ou le dodecyl sulfate de sodium, noté SDS.
La source de sel de calcium est avantageusement du chlorure de calcium, CaCl2.
Lors de l’ajout du tensioactif anionique et de la source de sel de calcium dans de l’eau un précipité se forme. En particulier, lors de l’ajout de SDBS et de CaCh ou de SDS et de CaCh dans de l’eau un précipité de calcium et de sulfonate de dodecylbenzene Ca(DBS)2, ou de calcium et de dodecyl sulfate Ca(DS)2, se forme. La constante de solubilité dans l’eau à 25°C du précipité de Ca(DBS)2 ou de Ca(DS)2 est inférieure à 4.10'11 mol/L. Il est supposé que ces particules colloïdales hybrides viennent ensuite stabiliser la mousse par effet Pickering.
La mousse aqueuse peut être réalisée en introduisant un gaz dans la solution aqueuse décrite précédemment. Ce gaz est de préférence de l'air. L'introduction d'air peut se faire par agitation, par bullage ou par injection sous pression. De préférence, la mousse aqueuse peut être réalisée à l'aide d'un mousseur turbulent (lit de billes de verre par exemple). Ce type de mousseur permet d'introduire de l'air sous pression dans la solution aqueuse décrite précédemment.
De préférence, la mousse aqueuse peut être générée de façon continue.
Le ciment est un liant hydraulique comprenant au moins 50% en poids de CaO et de SiO2. Le ciment peut parfois, outre le CaO et le S1O2, comprendre d’autres composants, en particulier des laitiers, de la fumée de silice, des matériaux pouzzolaniques (naturelles et/ou calcinées), des cendres volantes (siliceuses et/ou calciques) et/ou du calcaire.
Le ciment Portland de l’invention peut être tout ciment Portland, quelle que soit sa composition chimique, et en particulier quelle que soit sa teneur en alcalins. Ainsi, un des autres avantages de l’invention est qu’il n’est pas nécessaire de choisir un type spécifique de liant hydraulique.
Le ciment convenant pour réaliser la mousse minérale selon le procédé de l’invention est de préférence le ciment décrit conformément à la norme européenne NF EN 197-1 d’avril 2012 ou leurs mélanges, de préférence un ciment de type CEM I, CEM II, CEM III, CEM IV ou CEM V.
Dans un mode de réalisation de l’invention, le ciment Portland a une surface spécifique (Blaine) allant de 3000 cm2/g à 10000 cm2/g, plus avantageusement de 3500 cm2/g à 6000 cm2/g.
Le ratio eau/ciment (ratio masse/masse) du coulis de ciment préparé à l’étape b) est avantageusement de 0,25 à 0,5, plus avantageusement de 0,28 à 0,35, en particulier 0,29. Le ratio eau/ciment peut varier, par exemple en fonction de la demande en eau des particules minérales lorsqu’elles sont présentes. Le ratio eau/ciment est défini comme étant le ratio en poids de la quantité d’eau (E) au poids sec de ciment Portland (C).
Le coulis de ciment préparé à l’étape b) peut comprendre un agent réducteur d’eau, tel qu’un plastifiant ou un superplastifiant. Un agent réducteur d’eau permet de réduire d’environ 10 à 15 % en masse la quantité d’eau de gâchage pour un temps d’ouvrabilité donné. A titre d’exemple d’agent réducteur d’eau, on peut citer les lignosulphonates, les acides hydroxycarboxyliques, les carbohydrates, et autres composés organiques spécifiques, comme par exemple le glycerol, l’alcool polyvinylique, l’alumino-methyl siliconate de sodium, l’acide sulfanilique et la caséine (voir Concrète Admixtures Handbook, Properties Science and Technology, V.S. Ramachandran, Noyés Publications, 1984)
Les superplastifiants appartiennent à la nouvelle génération des agents réducteurs d’eau et permettent de réduire d’environ 30 % en masse la quantité d’eau de gâchage pour un temps d’ouvrabilité donné. A titre d’exemple de superplastifiant, on peut citer les superplastifiants du type PCP sans agent anti-mousse. On entend entre autre par le terme « PCP » ou « polycarboxylate polyoxyde » selon la présente invention un copolymère des acides acryliques ou acides méthacryliques, et de leurs esters de poly(oxyde d’éthylène) (POE).
De préférence, le coulis de ciment de l’étape (b) du procédé selon l’invention comprend de 0,05 % à 1 %, plus préférentiellement de 0,05 % à 0,5 % d’un agent réducteur d’eau, d’un plastifiant ou d’un superplastifiant, pourcentage exprimé en poids par rapport au poids sec du ciment.
Lorsque l’agent réducteur d’eau, le plastifiant ou le superplastifiant est utilisé en solution, la quantité est exprimée en matière active dans la solution.
Selon une variante de l’invention, le coulis de ciment ne comprend pas d’agent anti-mousse, ou tout agent ayant la propriété de déstabiliser une émulsion air dans un liquide. Certains superplastifiants commerciaux peuvent contenir des agents anti-mousses et par conséquent ces superplastifiants pourraient ne pas convenir selon l’invention.
Avantageusement, le coulis de ciment utilisé pour produire la mousse minérale selon l’invention comprend 0,05 % à 2,5 % en poids d’un accélérateur, exprimé en poids sec par rapport au poids sec de ciment.
Cet accélérateur peut provenir d'un ou plusieurs sels choisis parmi :
- les sels de calcium, les sels de potassium et les sels de sodium, dans lesquels l'anion peut être un nitrate, nitrite, chlorure, formiate, un thiocyanate, le sulfate, le bromure, le carbonate ou leurs mélanges; et
- les silicates et aluminates alcalins, par exemple le silicate de sodium, silicate de potassium, l'aluminate de sodium, l'aluminate de potassium ou leurs mélanges; les sels d'aluminium, par exemple le sulfate d'aluminium, nitrate d'aluminium, le chlorure d'aluminium, l'hydroxyde d'aluminium ou des mélanges de ceux-ci.
Selon un mode particulier de réalisation, le coulis de ciment ne comprend pas de sels de calcium.
D’autres additifs peuvent aussi être ajoutés au coulis de ciment ou à la mousse aqueuse du procédé selon l’invention. De tels additifs peuvent par exemple être des agents épaississants, des agents viscosifiants, des agents entraîneurs d’air, des retardateurs de prise, des pigments colorés, des billes de verre creuses, des agents filmogènes , des agents dépolluants (par exemple des zéolites, des particules de noir de carbone, ou du dioxyde de titane), des latex, des fibres minérales ou organiques, des additions minérales ou leurs mélanges.
De préférence, les additifs ne comprennent pas d’agent antimousse.
Par agent épaississant', on entend, au sens de la présente invention, tout composé capable de maintenir en équilibre les phases physiques hétérogènes ou de faciliter cet équilibre. Des agents épaissants adaptés sont par exemple les gommes, la cellulose ou ses dérivés, tels que les éthers de cellulose ou la carboxyméthylcellulose, l’amidon ou ses dérivés, la gélatine, l’agar, les carraghénanes ou l’argile bentonitique.
Dans un mode de réalisation de l’invention, la mousse minérale selon l’invention comprend une addition minérale. Cette addition minérale peut être ajoutée au cours du procédé selon l’invention dans le coulis de ciment.
Avantageusement, le coulis de ciment utilisé pour produire la mousse minérale de l’invention peut comprendre 15 % à 50% d’additions minérales, plus avantageusement 15 % à 40%, encore plus avantageusement 20 % à 35%, les pourcentages sont exprimés en poids par rapport au poids de coulis de ciment moussé.
Les additions minérales adaptées sont choisies parmi le carbonate de calcium, la silice, le verre broyé, les billes de verre pleines ou creuses, les granulés de verre, les poudres de verre expansé, les aérogels de silice, les fumées de silice, les laitiers, les sables siliceux sédimentaires broyés, les cendres volantes ou les matériaux pouzzolaniques ou leurs mélanges.
Les additions minérales utilisable dans le procédé selon l’invention peuvent être des laitiers (par exemple tels que définis dans la norme Européenne NF EN 197-1 de février 2001 paragraphe 5.2.2), des matériaux pouzzolaniques (par exemple tels que définis dans la norme Européenne NF EN 197-1 de février 2001 paragraphe 5.2.3), des cendres volantes (par exemple telles que décrites dans la norme Européenne NF EN 197-1 de février 2001 paragraphe 5.2.4), des schistes calcinés (par exemple tels que définis dans la norme Européenne NF EN 197-1 de février 2001 paragraphe 5.2.5), des matériaux contenant du carbonate de calcium, par exemple du calcaire (par exemple tel que défini dans la norme Européenne NF EN 197-1 paragraphe 5.2.6), des fumées de silice (par exemple telles que définies dans la norme Européenne NF EN 197-1 de février 2001 paragraphe 5.2.7), des additions siliceuses (par exemple telles que définies dans la norme « Béton » NF P 18-509 »), du métakaolin ou leurs mélanges.
Une cendre volante est généralement une particule pulvérulente comprise dans les fumées des centrales thermiques alimentées au charbon. Elle est généralement récupérée par précipitation électrostatique ou mécanique. Les cendres volantes utilisées selon l’invention peuvent être de nature siliceuse ou calcique.
Les laitiers sont généralement obtenus par refroidissement rapide du laitier fondu provenant de la fusion du minerai de fer dans un haut fourneau.
Les fumées de silice peuvent être un matériau obtenu par réduction de quartz de grande pureté par du charbon dans des fours à arcs électriques utilisés pour la production de silicium et d’alliages de ferrosilicium. Les fumées de silice sont généralement formées de particules sphériques comprenant au moins 85% en masse de silice amorphe.
Les matériaux pouzzolaniques convenant au mélange de l’étape (i) du procédé selon l’invention peuvent être des substances naturelles siliceuses ou silicoalumineuses, ou une combinaison de celles-ci. Parmi les matériaux pouzzolaniques, on peut citer les pouzzolanes naturelles, qui sont en général des matériaux d’origine volcanique ou des roches sédimentaires, et les pouzzolanes naturelles calcinées, qui sont des matériaux d’origine volcanique, des argiles, des schistes ou des roches sédimentaires, activés thermiquement.
Selon une variante de l’invention, le ciment ne contient pas ou peu de ciments d’aluminates de calcium ou de leurs mélanges. Les ciments d’aluminates de calcium sont des ciments généralement comprenant une phase minéralogique (en notation cimentière) C4A3$, CA, C12A7, C3A ou C11A7.CaF2 ou leurs mélanges, tel que par exemple, les Ciments Fondu®, les ciments sulfoalumineux, les ciments d’aluminates de calcium conformes à la norme européenne NF EN 14647 de décembre 2006. De tels ciments sont caractérisés par une teneur en alumine (AI2O3) supérieure ou égale à 35% en masse. Ainsi pour la réalisation du procédé selon cette variante de l’invention la teneur en alumine du composé minéral sec utilisé pour réaliser la mousse est inférieure à 35% en masse du composé minéral sec. De préférence cette teneur est inférieure ou égale à 30%, avantageusement inférieure ou égale à 20%, plus avantageusement inférieure ou égale à 15%, et encore plus avantageusement inférieure ou égale à 10%, en masse du composé sec.
Selon un premier mode de réalisation, le coulis de ciment peut être préparé en introduisant dans un malaxeur l’eau et les éventuels additifs (tel que le réducteur d’eau). Ensuite, le ciment Portland, et éventuellement tous les autres matériaux pulvérulents, sont ajoutés dans le malaxeur. La pâte ainsi obtenue est ensuite malaxée pour obtenir un coulis de ciment. De préférence, le coulis de ciment est maintenu sous agitation, par exemple avec une pâle défloculeuse, la vitesse de la pâle pouvant varier de 1000 tours / minute à 600 tours / minute en fonction du volume de coulis pendant toute la durée du procédé de fabrication.
Selon un deuxième mode de réalisation, le coulis de ciment peut être préparé en 5 introduisant une partie de l’eau et les éventuels additifs (tel que le réducteur d’eau) dans un malaxeur, puis le ciment, et ensuite les autres composés.
Selon un troisième mode de réalisation, le coulis de ciment peut être préparé en introduisant dans un malaxeur le ciment, et éventuellement tous les autres matériaux sous forme de poudre. Le ciment et les éventuels matériaux pulvérulents, est (sont) malaxé(s) pour obtenir un mélange homogène. Puis l'eau est introduite dans le malaxeur. Le ou les adjuvants tels que par exemple l’agent réducteur d’eau, sont introduits avec l’eau lorsqu'ils sont présents dans la formulation de la mousse minérale. La pâte obtenue est malaxée pour obtenir un coulis de ciment.
Selon un quatrième mode de réalisation, le coulis de ciment peut être généré de façon continue en préparant à l’avance un mélange contenant l’eau et les éventuels additifs (tels que l’agent réducteur d’eau).
La mise en contact du coulis de ciment avec la mousse aqueuse pour obtenir un coulis de ciment moussé peut se faire par tout moyen et par exemple à l'aide d'un mélangeur statique.
Selon un mode de réalisation plus particulier, le coulis de ciment est pompé selon un débit volumique constant fonction de la composition ciblée de coulis de ciment moussé. Puis le coulis de ciment est mis en contact avec la mousse aqueuse déjà mise en circulation dans le circuit du procédé. Le coulis de ciment moussé selon l'invention est alors généré. Ce coulis de ciment moussé est mis en forme et laissé jusqu'à ce que la prise s'effectue.
Avantageusement, le procédé selon l'invention ne nécessite pas d'étape d'autoclave, ni d'étape de cure, ni d'étape de traitement thermique, par exemple à 60-80°C afin d'obtenir une mousse de ciment selon l'invention.
Un objet de l’invention est également un coulis de ciment moussé, qui peut être obtenu à l’étape (c) du procédé selon l’invention.
La présente invention a également pour objet une mousse minérale susceptible d’être obtenue par le procédé selon l’invention.
De préférence, la mousse minérale selon l'invention présente une densité à l’état sec comprise de 20 kg/m3 à 300 kg/m3, plus préférentiellement de 20 kg/m3 à 150 kg/m3, encore plus préférentiellement de 30 kg/m3 à 80 kg/m3. Il est à noter que la densité du coulis de ciment moussé (densité humide) diffère de la densité de la mousse minérale (densité de matériau durci).
Un autre avantage de l’invention est que la mousse minérale selon l’invention présente d’excellentes propriétés thermiques, et en particulier une faible conductivité thermique. La conductivité thermique (encore dénommée lambda (λ)) est une valeur physique caractérisant le comportement d’un matériau lors d’un transfert de chaleur par conduction. La conductivité thermique représente la quantité de chaleur transférée par unité de surface et par unité de temps sous un gradient de température de 1 kelvin par mètre. Dans le système international d'unités, la conductivité thermique est exprimée en watt par mètre-kelvin, (W/(m.K)). Les bétons conventionnels ou typiques ont des conductivités thermiques, mesurées à 23°C et 50% d’humidité relative, allant de 1,3 à 2,1
W/(m.K). La conductivité thermique, mesurée à 23°C et 50% d’humidité relative, de la mousse minérale selon l'invention varie avantageusement de 0,030 à 0,150 W/(m.K), de préférence de 0,030 à 0,060 W/(m.K) et plus préférentiellement de 0,030 à 0,040 W/(m.K), la marge d’erreur étant de ± 0.4 mW/(m.K).
Avantageusement, la mousse minérale selon l'invention a une bonne résistance au feu.
La mousse minérale selon l'invention peut être préfabriquée ou directement préparée sur un chantier en installant un système de moussage sur place. De préférence, la mousse minérale selon l'invention est préfabriquée.
L'invention se rapporte également à un élément de construction comprenant une mousse minérale selon l’invention.
L'invention se rapporte également à l’utilisation de la mousse minérale selon l'invention en tant qu’élément de construction
Par exemple la mousse minérale selon l'invention peut être utilisée pour couler des murs, planchers, toitures pendant un chantier. Il est aussi envisagé de réaliser des éléments préfabriqués en usine de préfabrication à partir de la mousse selon l’invention tels que des blocs, des panneaux.
L'invention se rapporte également à l'utilisation de la mousse minérale selon 10 l'invention comme matériau isolant, en particulier comme isolant thermique ou phonique.
Avantageusement, la mousse minérale selon l'invention permet de remplacer dans certains cas la laine de verre, la laine minérale ou les isolants en polystyrène et le polyuréthane.
Avantageusement, la mousse minérale selon l'invention peut être utilisée en comblement ou remplissage d'un espace vide ou creux d'un bâtiment, d'un mur, d'une cloison, d’un bloc de maçonnerie par exemple un parpaing, d’une brique, d'un sol ou d'un plafond. De tels matériaux ou éléments de constructions composites comprenant la mousse minérale selon l’invention sont également des objets de l’invention per se.
Avantageusement, la mousse minérale selon l'invention peut être utilisée comme revêtement de façade par exemple pour isoler un bâtiment par l'extérieur. Dans ce cas, la mousse minérale selon l'invention pourra être enduite d’un enduit de finition.
L'invention a également pour objet un dispositif comprenant la mousse minérale selon l'invention. La mousse peut être présente dans le dispositif comme matériau isolant. Le dispositif selon l'invention est avantageusement capable de résister ou diminuer les transferts d'air et thermohydriques, c'est-à-dire que cet élément possède une perméabilité contrôlée aux transferts d'air, d'eau sous forme de vapeur ou de liquide.
Le dispositif selon l'invention comprend de préférence au moins une ossature ou un élément structurel. Cette ossature peut être en béton (poteaux/poutres), métal (montant ou rail), en bois, en matériau plastique ou composite ou en matériau de synthèse. La mousse minérale selon l'invention peut également enrober une structure de type par exemple treillis (plastique, métallique).
Le dispositif selon l’invention peut être utilisé pour réaliser ou fabriquer un doublage, un système d'isolation, ou une cloison, par exemple une cloison séparative, une cloison de distribution ou une contre-cloison.
La mousse minérale selon l'invention pourra être coulée en vertical entre deux parois, choisies par exemple parmi des voiles béton, murs de briques, plaques de plâtre, plaque de bois, par exemple les panneaux de bois à lamelles minces orientées, ou panneaux fibrociment, le tout formant un dispositif.
L’invention a également pour objet l’utilisation d’un précipité formé à partir d’un tensioactif anionique, avantageusement de type sulfonate ou sulfate, et d’une source de sel de calcium pour stabiliser une mousse aqueuse. Le tensioactif anionique et la source de sel de calcium sont tels que décrits précédemment.
Les précipités, en particulier les précipités Ca(DBS)2, peuvent avoir une taille de l’ordre de la centaine de nanomètres. La microstructure des précipités peut être lamellaire. Les précipités peuvent former des agrégats de plus de 100 pm lorsque la concentration en calcium est très importante, mais cela n’est pas avantageux.
L’invention a également pour objet l’utilisation d’un mousse aqueuse à base d’eau, d’un tensioactif anionique, avantageusement de type sulfonate ou sulfate, et d’une source de sel de calcium pour stabiliser une mousse minérale. La mousse aqueuse est telle que décrite précédemment.
L'invention sera mieux comprise à la lecture des exemples qui suivent qui ne présentent aucun caractère limitatif.
Exemple 1 : préparation des mousses aqueuses
On mélange 40 ml_ d’une solution de CaCh à une concentration en mol/L donnée dans le tableau suivant, et 40 ml_ d’une solution de dodecylbenzene sulfonate de sodium (SDBS), à une concentration en mol/L donnée dans le tableau suivant.
| Solutions aqueuses | Concentration en CaCI2 | Concentration en SDBS | n(SDBS)/n(CaCI2) |
| SA1 | 5.10’4 | 5.10’4 | 1 |
| SA2 | 1.10’1 | 1.10’1 | 1 |
| SA3 | 2,5.10’4 | 5.10’4 | 2 |
| SA4 | 5.10’2 | 1.10’1 | 2 |
| SA5 | 1,75.10’4 | 5.10’4 | 4 |
| SA6 | 2,5.10’2 | 1.10’1 | 4 |
Tableau 1 : compositions des solutions aqueuses, n(SDBS) étant le nombre de moles de SDBS et n(CaCl2) le nombre de moles de CaCl2
Les précipités obtenus ont une taille médiane D50 mesurées par diffusion de la lumière (DLS) de l’ordre de 500 nm lorsque le rapport molaire n(SDBS)/n(CaCl2) est de 1 et de 2. Lorsque le rapport molaire n(SDBS)/n(CaCl2) est de 4, les précipités ont tendance à s’agréger pour former des agrégats d’environs 50 pm de diamètre. Ces solutions aqueuses sont ensuite moussées par agitation mécanique (batteur de cuisine) (MAi correspond à la mousse aqueuse obtenue par moussage de la solution aqueuse SAi). On obtient des mousses aqueuses stables pendant plusieurs heures :
| Mousses aqueuses | Taux de foisonnement | Fraction d'air | Stable |
| MA1 | 7 | 85,7% | >4h |
| MA2 | 7 | 85,7% | > 12h |
| MA3 | 8 | 87,5% | >4h |
| MA4 | 8 | 87,5% | > 12h |
| MA5 | 8 | 87,5% | >4h |
| MA6 | 10,5 | 90,5% | > 12h |
Tableau 2 : stabilité des mousses aqueuses
Le taux de foisonnement est défini comme étant le volume après moussage/volume du coulis.
Par stable nous entendons qu'il n'y a pas d'évolution notable de la structure alvéolaire de la mousse sur des périodes d'au moins trois heures et de plus de 12 heures. Au contraire, quand la mousse est instable, les bulles disparaissent de façon importante et rapide, ainsi il ne reste quasiment qu'une suspension colloïdale en fin d'expérience (peu de bulles).
Nous avons observé ces mousses aqueuses stabilisées par les précipités Ca(DBS)2 après séchage à l’air libre en microscopie électronique à balayage. On constate que le précipité formé vient consolider les interfaces air/liquide et permet ainsi la stabilisation de la mousse par effet Pickering. La même expérience faite sur du tensioactif seul conduit à la destruction totale de la mousse (solution aqueuse seule, sans bulle).
Exemple 2 : Obtention d’une mousse aqueuse à partir de SDS et CaCl2
On a préparé les mousses aqueuses suivantes :
| Mousse | Concentration en | n(tensioactif) / | Taux de | Fraction |
| aqueuse | tensioactif | n(CaCI2) | foisonnement | d’air |
| MAcomparl | 4,0.10'2mol/L | 2 | 10,0 | 0,90 |
| Tab | eau 3 : formulation des mousses aqueuses avec un mélange |
SDS/CaCI2
Avec un mélange tensioactif anionique SDS/CaCh on observe, de la même manière qu’avec le SDBS, la précipitation de particules (Ca(DS)2). Le procédé décrit précédemment permet donc l’obtention de particules stabilisantes, et d’une mousse aqueuse stable, avec un autre tensioactif anionique, de type sulfate.
Exemple 3 : Obtention de la mousse minérale
Afin de formuler des mousses minérales à base cimentaire à partir de ces mousses aqueuses stabilisées par des précipités Ca(DBS)2, nous avons mélangé les mousses aqueuses suivantes avec un coulis cimentaire.
| Mousses aqueuses | Concentration en SDBS (mol/L) | n(SDBS) / n(CaCI2) | Taux de foisonnement | Fraction d'air | masse volumique de la mousse minérale (kg/m3) | |
| avec coulis | avant mélange avec le coulis | |||||
| MA7 | 7.10’4 | 1.10’3 | 1 | 8,2 | 87,8% | 243,9 |
| MA8 | 7.10’4 | 1.10’3 | 2 | 7,9 | 87,3% | 253,2 |
| MA9 | 4.10’3 | 5.10’3 | 1 | 8,8 | 88,6% | 227,3 |
| MA10 | 4.10’3 | 5.10’3 | 2 | 10,1 | 90,1% | 198,0 |
| MA11 | 7.10’3 | 1.10’2 | 1 | 10,0 | 90,0% | 200,0 |
| MA12 | 7.10’3 | 1.10’2 | 2 | 13,0 | 92,3% | 153,8 |
Tableau 4 : formulation des mousses aqueuses
En premier lieu, nous préparons 200g de coulis à 76,3% massique en ciment à l’aide d’un malaxeur de type Rayneri (les autres constituants sont l’eau uniquement). Ensuite, nous préparons la solution contenant les précipités Ca(DBS)2 en mélangeant une solution de CaCl2 et une solution de SDBS. Puis nous pesons environ 60g de coulis, préparons la mousse aqueuse à partir de la solution SDBS/CaCl2 à l’aide d’un batteur de cuisine SEB Powermix 1 minute à la vitesse 5, et ajoutons 40g de cette mousse au coulis. Finalement, nous mélangeons le coulis cimentaire et la mousse aqueuse avec une spatule jusqu’à obtenir une mousse minérale homogène.
Nous obtenons des mousses minérales à base cimentaire stables à t=20 heures. Par une mousse minérale stable nous entendons une mousse qui ne s'effondre pas et ne présente pas de fracture.
Exemple 4 : Stabilité de la mousse minérale cimentaire formulée à partir de SDBS et CaCl2
La stabilité dimensionnelle des formules de mousses minérales cimentaire est évaluée à partir de la mesure de la hauteur de mousse. Plus particulièrement des cubes (10x10x10 cm3) sont remplis de mousses minérales avant la prise du ciment. La hauteur de mousses restantes après 24 heures est alors observée : une mousse parfaitement stable donne une hauteur de 10 cm alors qu’une mousse instable donne une hauteur de mousse strictement inférieure à 90% de la hauteur initiale.
Des essais ont été conduits pour deux rapports molaires n(SDBS)/n(CaCl2) de 1 et
2. On observe une stabilité dimensionnelle pour une certaine plage de concentration de SDBS comme le montre le tableau suivant :
| [SDBS] (en mol/L) | Hauteur de mousse après 24 h (en cm) |
| 5.10-4 à 10-2 | 10 |
| 2,5.10-2 à 10-1 | 0 |
Tableau 5
Exemple comparatif 1 : mousse minérale non stable
On fait précipiter une solution aqueuse de composition [SDBS]=[CaCl2]=10'1 mol/L, on applique ou non des ultrasons (40% par puises d'1 seconde pour une durée totale d'US de 20min). La mousse aqueuse est préparée comme décrit à l’exemple 2 ainsi que la mousse minérale. La mousse minérale obtenue a une densité apparente de 194 kg/m3 correspondant à un taux de foisonnement de 4,8 et une fraction d'air de 79,2%. La mousse minérale occupe initialement tout le volume du bêcher, 3h après préparation, elle s'est effondrée.
On pense que lorsque les concentrations en SDBS et en CaCI2 sont trop grandes (> 1,9.10-2 mol/L), les particules sont de grandes tailles (>100 pm) et la mousse n'est plus stable, c’est-à-dire que l’on observe un effondrement de la mousse lors de la prise cimentaire.
Exemple comparatif 2 : mousses minérales non stables
Nous avons testé des tensioactifs non anioniques :
- Un tensioactif cationique, le bromure de myristyltriméthylammonium (TTAB) (concentration micellaire critique : 3,5.10-3 mol/L)
- Un tensioactif non ionique, le triton™ X-405 (octylphénol éthoxylate, concentration micellaire critique : 24,4 g/L)
On a préparé les mousses minérales suivantes :
| Mousses | Concentration en tensioactif | E/Ccoulis | E/ Cmousse minérale | |
| Mousse aqueuse | Mousse minérale | |||
| TTAB | ||||
| MAcompar2 | 3,5.10’3 mol/L | 2,6.10'3 mol/L | 0,31 | 0,31 |
| triton IMX-405 | ||||
| MA compar3 | 24,4 g/L | 18,1 g/L | 1,20 | 1,20 |
Tableau 6 : formulation des mousses aqueuses et minérales
Avec le tensioactif cationique, on observe une déstabilisation de la mousse minérale au bout de 2 heures.
Avec le tensioactif non ionique, on observe une déstabilisation de la mousse minérale au bout de 4 heures.
Claims (17)
- REVENDICATIONS1. Procédé de préparation d’une mousse minérale comprenant les étapes suivantes :a. Préparer une mousse aqueuse à base d’eau, d’au moins un5 tensioactif anionique et d’une source de sel de calcium, la somme des concentrations molaires en tensioactif anionique et en sel de calcium étant inférieure à 5.10'2 mol/L ;b. Préparer un coulis de ciment à base d’eau et de ciment Portland ;c. Mettre en contact le coulis de ciment avec la mousse aqueuse pour10 préparer un coulis de ciment moussé ; etd. Mettre en forme le coulis de ciment moussé obtenu à l’étape c) et laisser la prise s’effectuer.
- 2. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que, lors de l’étape a), la somme des concentrations molaires en tensioactif anionique et15 en sel de calcium est inférieure à 2,5.10'2 mol/L, avantageusement inférieure à 2.102 mol/L.
- 3. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le tensioactif anionique est de type sulfonate ou sulfate.
- 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que, pour préparer la20 mousse aqueuse, le tensioactif anionique de type sulfonate ou sulfate est introduit dans l’eau à une concentration en SO3' allant de 5.10-4 mol/L à 10'1 mol/L.
- 5. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, pour préparer la mousse aqueuse, la source de calcium est25 introduite dans l’eau à une concentration en Ca2+ allant de 5.1 θ'4 mol/L à 5.10' 1 mol/L.
- 6. Procédé selon l’une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que le rapport molaire [SC>3']/[Ca2+] varie de 1 à 10.
- 7. Procédé selon l’une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que le tensioactif anionique est choisi dans le groupe comprenant les alkylethersulfonates, les hydroxyalkylethersulfonates, les alphaolefinesulfonates, les alkylbenzenesulfonates, les alkylestersulfonates, alkylethersulfates, les hydroxyalkylethersulfates, les alphaolefinesulfates, les alkylbenzenesulfates et les alkylestersulfates.
- 8. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le tensioactif anionique est un dodecylbenzene sulfonate ou un docedylsulfate de sodium.
- 9. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la source de sel de calcium est du chlorure de calcium.
- 10. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le coulis de ciment a un rapport E/C allant de 0,28 à 0,35.
- 11. Utilisation d’un précipité formé à partir d’un tensioactif anionique, avantageusement de type sulfonate ou sulfate, et d’une source de sel de calcium pour stabiliser une mousse aqueuse.
- 12. Utilisation d’un mousse aqueuse à base d’eau, d’un tensioactif anionique, avantageusement de type sulfonate ou sulfate, et d’une source de sel de calcium pour stabiliser une mousse minérale.
- 13. Mousse minérale stabilisée susceptible d’être obtenue par le procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 10.
- 14. Mousse minérale selon la revendication précédente, ayant une densité allant de 20 à 300 kg/m3.
- 15. Mousse minérale selon l’une quelconque des revendications 13 à 14, ayant une conductivité thermique allant de 0,030 à 0,150 W/(m.K).
- 16. Utilisation d’une mousse minérale selon l’une quelconque des revendications 13 à 15 en tant que matériau de construction ou en tant que matériau isolant.
- 17. Elément de construction comprenant une mousse minérale selon l’une quelconque des revendications 13 à 15.
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|---|---|---|---|---|
| WO1984000921A1 (fr) * | 1982-08-27 | 1984-03-15 | Donald W Thomson | Isolation de mousse, son procede de fabrication et le procede d'isolation de cavites et de constructions |
| US4644014A (en) * | 1982-09-03 | 1987-02-17 | Thomson Donald W | Foamed insulation and process for producing the same |
| US4731389A (en) * | 1982-09-03 | 1988-03-15 | Air Krete, Inc. | Foam insulation and process for producing the same |
-
2016
- 2016-11-03 FR FR1660621A patent/FR3058139A1/fr not_active Withdrawn
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