WO2020260816A1 - Composition de liant pour materiau de construction - Google Patents

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WO2020260816A1
WO2020260816A1 PCT/FR2020/051085 FR2020051085W WO2020260816A1 WO 2020260816 A1 WO2020260816 A1 WO 2020260816A1 FR 2020051085 W FR2020051085 W FR 2020051085W WO 2020260816 A1 WO2020260816 A1 WO 2020260816A1
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WO
WIPO (PCT)
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binder composition
composition according
matrix
metakaolin
silicate
Prior art date
Application number
PCT/FR2020/051085
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English (en)
Inventor
Martial Letay
Lorna BEAUXIS-LAGRAVE
Original Assignee
Chimie Recherche Environnement Evolution
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Publication date
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B14/00—Use of inorganic materials as fillers, e.g. pigments, for mortars, concrete or artificial stone; Treatment of inorganic materials specially adapted to enhance their filling properties in mortars, concrete or artificial stone
    • C04B14/02—Granular materials, e.g. microballoons
    • C04B14/04—Silica-rich materials; Silicates
    • C04B14/10—Clay
    • C04B14/106—Kaolin
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B28/00—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements
    • C04B28/006—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements containing mineral polymers, e.g. geopolymers of the Davidovits type
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P40/00—Technologies relating to the processing of minerals
    • Y02P40/10—Production of cement, e.g. improving or optimising the production methods; Cement grinding
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02W—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
    • Y02W30/00—Technologies for solid waste management
    • Y02W30/50—Reuse, recycling or recovery technologies
    • Y02W30/91—Use of waste materials as fillers for mortars or concrete

Definitions

  • the present invention relates to the field of construction, roads and building.
  • the invention relates to a binder composition comprising a particular alkaline activation matrix.
  • the present invention also relates to a process for preparing a binder composition.
  • the invention also relates to construction materials and objects resulting from the setting of this binder composition.
  • the present invention relates to the use of a particular alkaline-activated binder composition in the maintenance of buildings and roads.
  • Geopolymeric cements are formed from a mineral matrix composed of silica and alumina exhibiting reaction sites on which a so-called activation solution, generally alkaline, is reacted so as to allow crosslinking of the matrix.
  • the geopolymer thus obtained has a three-dimensional structure containing Si-O-Al bonds.
  • the geopolymeric cements of the prior art are generally activated by alkaline solutions of silicate of formula (nSiCh, M2O), M being an alkali metal and n being the molar ratio between S1O2 and M2O.
  • the mechanical properties in particular the compressive strength, and the durability of the cement.
  • the mechanical properties are essentially a function of the molecular structure of the geopolymer. These good mechanical properties are particularly necessary when it comes to using geopolymers in road applications or in construction.
  • WO 2016/156722 describes a composition for a building material of geopolymer type comprising a matrix based on alumino-silicate, such as a metakaolin, and an alkaline activation solution.
  • the activation solution used contains a source of sodium or potassium silicate and an alkaline base, such as NaOH and / or KOH.
  • the matrix is mixed with the activation solution extemporaneously.
  • the composition thus obtained is in the form of a thick liquid, which is then mixed with one or more neutral compounds such as aggregates or fibers, of which it constitutes the binder.
  • This binder makes it possible, after setting reaction, to form with the aggregates a coherent assembly having a short setting time and low dimensional shrinkage.
  • Applications FR2958932 and WO2011 / 128526 describe a composite material, resistant to water, based on plant fibers and alkali silicate in aqueous solution.
  • the crosslinking and gelation of silicates in solution is obtained by acid treatment, in particular by using triglycerides of fatty acids.
  • the product formed is a silicate gel, which is a different material from geopolymers.
  • Document JP 2019 006661 describes a curable composition comprising the reaction product of a first kit comprising a particular metakaolin powder, and of a second kit comprising an aqueous solution of alkali metal silicate.
  • the composition from the two kits can include esters of carbonic acid and esters of acetic acid, such as triacetin. This document does not disclose compositions comprising fatty acid triglycerides.
  • the problem which the invention proposes to solve is to provide new binder compositions endowed with improved mechanical properties.
  • Another object of the invention is to provide binder compositions with reduced impact on the environment and on the user.
  • Another aim of the invention is to provide binder compositions which are resistant to water and compatible in admixture with any type of filler such as aggregates or fibers.
  • the Applicant has surprisingly discovered a new binder composition comprising a particular alkaline activation matrix making it possible to obtain a material endowed with improved mechanical properties. More specifically, the Applicant has demonstrated that this new binder composition makes it possible to obtain a high compressive strength of the final material, compared to the compositions of the prior art.
  • the new binder composition also makes it possible to obtain materials endowed with properties comparable to those of the materials of the prior art, but by a process which does not include a heating step. This results in economic and ecological gain.
  • the invention relates to a binder composition for a building material comprising at least:
  • a matrix comprising at least one compound based on alumino-silicate, such as a metakaolin, and
  • said matrix comprises at least fatty acid triglycerides and at least one emulsifying agent.
  • the invention also relates to a binder composition for a building material comprising at least:
  • a matrix comprising at least one compound based on alumino-silicate, such as a metakaolin, and
  • the alkaline activation solution is an aqueous solution comprising at least one alkali metal silicate of formula (nSiC, M2O), M being an alkali metal chosen from sodium, potassium or lithium and n being the molar ratio between S1O2 and M2O.
  • the alkali metal silicate is potassium silicate and the molar ratio n is between 1 and 3.9.
  • the alkali metal silicate is present in an amount ranging from 5 to 20%, by mass relative to the total mass of the composition.
  • the metakaolin is a flash metakaolin obtained by flash calcination of a kaolin clay.
  • the metakaolin represents from 5 to 50% by mass relative to the total mass of the composition.
  • the die further comprises a blast furnace slag.
  • the blast furnace slag represents from 0.1 to 30% by mass relative to the total mass of the composition.
  • the fatty acid triglycerides are triglycerides of plant origin, preferably present in the matrix in the form of rapeseed oil.
  • the fatty acid triglycerides represent from 0.5 to 10% by mass relative to the total mass of the composition.
  • the fatty acid triglycerides represent from 0.5 to 8%, preferably from 0.5 to 6%, more preferably from 1 to 5% by mass relative to the total mass of the composition.
  • the emulsifying agent is a surfactant or a mixture of surfactants comprising at least one compound chosen from amphoteric surfactants, nonionic surfactants and mixtures thereof.
  • the surfactant is chosen from: esters of alkyl monocarboxylic acids and of sorbitan, esters of ethoxylated alkyl monocarboxylic acids and of sorbitan, and mixtures thereof. According to a preferred embodiment, the surfactant represents from 0.2 to 15% by mass relative to the total mass of the composition.
  • the composition further comprises additives such as fillers, metal oxides and / or fibers.
  • the composition further comprises from 0.1 to 70% of one or more iron oxides, by mass relative to the total mass of the composition.
  • the invention also relates to a process for preparing a binder composition, as defined above and in detail below, comprising the following steps:
  • the invention also relates to a process for preparing a material comprising the following steps:
  • the invention also relates to a material or object resulting from the process as defined above and in detail below.
  • the invention also relates to the use of the binder composition, or of a material or of an object as defined above and in detail below, in the construction, consolidation, repair and renovation. , in the field of building and roads.
  • the expression "between X and Y" includes limits, unless explicitly stated otherwise. This expression therefore means that the target interval includes the values X, Y and all values from X to Y.
  • the percentages are expressed in mass of each component, relative to the mass of the overall composition. The percentages correspond to the content of commercial raw material.
  • Binder composition according to the invention is a composition according to the invention
  • An object of the present invention is a binder composition for a building material comprising at least:
  • a matrix comprising at least one compound based on alumino-silicate, such as a metakaolin, and
  • the matrix comprising at least fatty acid triglycerides and at least one emulsifying agent.
  • the binder composition can also comprise one or more additives, such as, for example, fillers, fibers, metal oxides, plasticizers, thinning agents, setting retarders.
  • additives such as, for example, fillers, fibers, metal oxides, plasticizers, thinning agents, setting retarders.
  • composition of the invention is intended for an extemporaneous preparation of a building and / or repair material, by mixing the matrix with the alkaline activating solution, and optionally other additives.
  • the matrix comprises at least one aluminum-silicate compound, at least triglycerides and at least one emulsifying agent.
  • the aluminosilicate compound is metakaolin or a mixture of metakaolin and other materials.
  • the matrix can comprise, mixed with metakaolin, a blast furnace slag.
  • metakaolin a blast furnace slag.
  • Metakaolin a blast furnace slag.
  • Metakaolin is a powder with a large specific surface area obtained by calcination-grinding or grinding-calcination of a clay composed mainly of kaolinite.
  • Metakaolin consists mainly of amorphous particles of alumina silicate with pozzolanic properties. It is essentially composed of reactive S1O2 and AI2O3. Metakaolin comes in powder form or in the form of a suspension (slurry). There are several methods of obtaining metakaolin resulting in products with different properties.
  • the matrix of the binder composition according to the invention comprises a flash metakaolin.
  • flash metakaolin also called flashed metakaolin
  • This flash calcination method requires much less energy (it uses about 40% of the energy consumed in the traditional method) and a low CO2 emission process. It also brings significant technical advantages to the final product.
  • the preparation of the clay before heat treatment is minimal, so its environmental impact is lower.
  • the composition of metakaolin flash may be different.
  • it can have a variable content of iron oxide, Fe 2 O 3 , which can range from 0 to 5%, by mass relative to the total mass of metakaolin.
  • a metakaolin obtained by flash calcination is used in the matrix, containing:
  • the metakaolin represents from 5 to 50% by mass relative to the total mass of the binder composition, and preferably from 10 to 40%, even better from 15 to 30%.
  • the matrix of the binder composition according to the invention comprises a mixture of flash metakaolin and one or more blast furnace slags.
  • Blast furnace slags are glassy materials. They are by-products of the production of smelting resulting from the reduction of iron ores (Hematite Fe 2 C> 3 or Magnetite FesCL) by coke. They are essentially made up of silicate, aluminate and lime and metal oxides.
  • a class A blast furnace slag is used with a D50 of between 1 and 15 ⁇ m.
  • the D50 is generally measured by sieving.
  • the D50 also denoted by Dv50, corresponds to the 50th percentile of the volume distribution of particle size, that is to say that 50% of the particles have a size less than D50 and 50% have a size greater than D50.
  • composition of the slag is as follows:
  • the blast furnace slag is introduced into the matrix in an amount preferably representing from 0.1 to 15%, by mass relative to the total mass of the binder composition, and advantageously from 3 to 12%.
  • the contribution of the blast furnace slag is to increase the reactivity of the mixture and to increase the mechanical strength of the final material. Too much slag causes the mixture to set too quickly. Depending on the other components of the mixture, the expected properties of the material, and the constraints of its preparation, those skilled in the art adjust the possible amount of slag in the binder composition.
  • the matrix can also comprise one or more mineral materials commonly used in the construction field.
  • the matrix may comprise one or more mineral materials in powder form, in particular materials with a particle size of less than or equal to 200 mhi.
  • these materials mention may be made, for example, of fly ash, waste from the manufacture of chamotte, waste from the manufacture of metakaolin, wollastonite, terracotta powder, in particular the terracotta powder from the manufacture of bricks, mineral powders with pozzolanic activity, recycled glass powder, cullet, class C fly ash, slaked lime, residues and by-products from the manufacture of cast iron and steel.
  • composition according to the invention can also comprise other powdered materials such as kaolin, raw clay powder, talc, feldspars, montmorillonite, gypsum, plaster, titanium dioxide, carbon dioxide. pyrogenic titanium, basalt, bauxite, fluorosilicates. These materials are known to those skilled in the art and can be added to modify certain basic properties of the binder.
  • Triglycerides are esters of fatty acids and glycerol.
  • the fatty acids are generally carboxylic acids carried by C8-C30 alkyl or alkenyl chains. They are present in vegetable oils of which they represent nearly 99% of the composition.
  • triglycerides present in vegetable oils are used.
  • the triglycerides are introduced in the form of a vegetable oil or a mixture of vegetable oils.
  • the binder composition comprises triglycerides in the form of rapeseed oil.
  • the triglycerides represent from 0.5 to 10%, preferably from 0.5 to 8%, more preferably from 0.5 to 6%, even more advantageously from 1 to 5%, by mass relative to the mass total binder composition.
  • the emulsifying agent used in the composition of the invention is a surfactant or a mixture of surfactants. It can be of the nonionic, anionic, cationic or amphoteric type or be composed of a mixture of surfactants of the same nature or of a different nature.
  • the emulsifying agent comprises at least one surfactant chosen from nonionic and amphoteric surfactants.
  • nonionic surfactants which can be used in the invention, there may be mentioned by way of example:
  • esters of monocarboxylic acids and of sorbitan in particular esters of sorbitan and of C 6 -C 24 alkyl monocarboxylic acids, in particular esters of sorbitan and of C 12 -C 18 alkyl monocarboxylic acids ;
  • esters of ethoxylated alkyl monocarboxylic acids and of sorbitan in particular esters of ethoxylated sorbitan and of C 6 -C 24 alkyl monocarboxylic acids, in particular esters of ethoxylated sorbitan and of C12-C18 alkyl monocarboxylic acids
  • esters of alkyl monocarboxylic acids and of isosorbides in particular esters of isosorbides and of C 6 -C 24 alkyl monocarboxylic acids, in particular esters of isosorbides and of C 12 -C alkyl monocarboxylic acids 18 ,
  • esters of alkyl monocarboxylic acids and polyols in particular esters of C 3 -C 24 polyols and of C 3 -C 30 alkyl monocarboxylic acids, in particular esters of C 4 -C 20 polyols and of 'C 12 -C 24 alkyl monocarboxylic acids,
  • the surfactant is chosen from nonionics, in particular sorbitan esters, in particular partial sorbitan esters, preferably mono-, di- and tri-esters of sorbitan, and of carboxylic acids in C 12 -C 18 , and mixtures thereof.
  • the surfactant comprises a mixture of esters of monocarboxylic acids and of sorbitan and of esters of ethoxylated monocarboxylic acids and of sorbitan.
  • the surfactant consists, for at least 80% by mass, relative to the total mass of the surfactant, of a mixture of esters of monocarboxylic acids and of sorbitan and of esters of monocarboxylic acids and of ethoxylated sorbitan.
  • the surfactant consists of a mixture of esters of monocarboxylic acids and of sorbitan and of esters of ethoxylated monocarboxylic acids and of sorbitan.
  • the mixture of surfactants is chosen from mixtures of esters of C 12 -C 18 monocarboxylic acids and of sorbitan and of ethoxylated esters of C 12 -C 18 monocarboxylic acids and of sorbitan.
  • the surfactants represent from 0.2 to 15%, by mass relative to the total mass of the binder composition, preferably from 0.5 to 10%.
  • the matrix can also comprise one or more additives such as for example small organic molecules, additives improving wettability, plasticizing and superplasticizing compounds, water reducing agents, viscosity modifiers such as cellulose fibers, diutan gums. or xanthan and mixtures thereof, anti-foaming agents, thinning agents as well as adhesion promoters.
  • additives such as for example small organic molecules, additives improving wettability, plasticizing and superplasticizing compounds, water reducing agents, viscosity modifiers such as cellulose fibers, diutan gums. or xanthan and mixtures thereof, anti-foaming agents, thinning agents as well as adhesion promoters.
  • the matrix comprises at least one compound selected from monoethylene glycol and its derivatives, such as ethers of alcohol and monoethylene glycol, esters of acid and of monoethylene glycol.
  • the matrix comprises 0 to 20% by mass of monoethylene glycol, relative to the total mass of the binder composition.
  • Monoethylene glycol facilitates wetting of the matrix.
  • the matrix further comprises at least one acrylic polymer in emulsion, also known under the name of acrylic latex.
  • the matrix comprises from 0 to 20% by mass of at least one acrylic polymer emulsion, relative to the total mass of the binder composition, the concentration of the emulsion being 50% by mass of dry matter relative to the total mass of the emulsion.
  • acrylic emulsion improves the consistency and the stability of the binder.
  • - superplasticizers such as for example polycarboxylates, in particular polyacrylates;
  • water reducers which are adjuvants that reduce the amount of mixing water
  • water reducing agents include in particular lignosulfonates, hydroxycarboxylic acids, carbohydrates, glycerol, polyvinyl alcohol, sodium alumino-methylsiliconate, sulfanylic acid, casein;
  • - setting retarders such as, for example, potassium pyrophosphate, sodium monofluorophosphate
  • - adhesion promoters such as, for example, titanates, silanes and their derivatives.
  • the binder composition according to the invention comprises at least one alkaline activating solution.
  • alkaline activating solution is meant the solution for activating the polymerization reaction of a metakaolin or a mixture of metakaolin and a blast furnace slag.
  • the alkaline activating solution comprises a source of alkali silicate of the formula (nSiCk, M2O), M being an alkali metal and n being the molar ratio between SiCk and M2O.
  • the pH of the alkaline activation solution is greater than or equal to 10, better still greater than or equal to 12, advantageously it is greater than or equal to 13.
  • the alkaline silicate solution advantageously has an M2O: S1O2 molar ratio in the range from 0.5 to 6, preferably from 1 to 5.
  • the alkaline activation solution according to the invention is an aqueous solution of alkali silicate in which the silicate represents from 10 to 75% by mass, relative to the total mass of the solution, advantageously from 15 to 60%.
  • the alkaline activating solution used in the composition according to the invention is a solution of sodium, potassium or lithium silicate.
  • the alkaline activation solution is an aqueous solution of sodium silicate having an SiCk: Na2Ü molar ratio ranging from 1.7 to 3.9 and a percentage by mass of sodium silicate ranging from 40 to 50 % relative to the total mass of the solution.
  • the alkaline activation solution is an aqueous solution of potassium silicate having an S1O2: K2O molar ratio ranging from 1 to 3.9 and a percentage by mass of potassium silicate ranging from 40 to 55%.
  • This silicate provides the final material with better strength and water impermeability compared to sodium silicate. It has good resistance to heat and acids as well as good storage stability. Compared to sodium silicate, potassium silicate makes it possible to limit the appearance of efflorescence in the final material. It is more widely available and therefore more economical than lithium silicate.
  • the alkaline activation solution is an aqueous solution of lithium silicate having an SiC: LLO molar ratio ranging from 2.5 to 5 and a percentage by mass of lithium silicate ranging from 20 to 30%. .
  • the alkaline activating solution is a solution of potassium silicate.
  • the alkaline activation solution is a potassium silicate solution with an S1O2: K2O molar ratio ranging from 1 to 2.
  • the alkali metal silicate is present in the composition according to the invention in an amount ranging from 5 to 20% and preferably from 5 to 15%, by mass relative to the total mass of the composition.
  • the amount of alkali metal silicate is expressed as the active ingredient introduced into the composition, the water supplied by the alkali metal silicate solution being accounted for separately. Too much silicate does not provide any additional benefit to the properties of the material, a silicate defect does not allow enough to react with the matrix for the material to solidify, which leads to lower mechanical resistance.
  • the binder composition according to the invention advantageously comprises one or more fillers and / or fibers.
  • filler is meant, within the meaning of the invention, an inert mineral and / or vegetable compound which can be used alone or as a mixture, with a particle size suitable for the use of the composition.
  • the filler can be in the form of powder or aggregates.
  • the filler is chosen from phosphates, carbonates, sulphates, slate, clay, limestone, aluminum oxide, granite, sandstone, mica, crystalline forms of silicas and quartz of all types, volcanic rocks, gravel, sands, plant fibers (wood, leaves, stems, etc.), and valued deconstruction materials (concrete ground, brick, cement, etc.), materials expanded minerals such as, for example, expanded clays, in particular in the form of balls, expanded glass, hollow glass.
  • the filler is a sand with a particle size of between 200 and 250 mhi.
  • the sands depending on their origin, can be used in wet form and preferably have a moisture content of less than 40% by mass.
  • reinforcing fibers can be used in the binder composition according to the invention. These fibers can be organic, mineral or metallic fibers (steel fibers) of natural or synthetic origin.
  • the fibers are of mineral nature, advantageously based on silica or on metals, such as, for example, silica fibers and tungsten fibers.
  • the fibers provide an abundance and cohesion within the material, (like the reinforcement of a reinforced concrete), increase the resistance to cracking, and because of the cohesion of the system, they prevent a clear break under impact.
  • the binder composition according to the invention contains glass fibers.
  • the glass fiber is cut into strands 1 to 20 mm in length, even better 2 to 10 mm in length.
  • the fillers represent from 5 to 70%, preferably from 20 to 60% by mass relative to the total mass of the binder composition.
  • the binder composition according to the invention can advantageously comprise one or more metal oxides, in particular iron oxides of natural or synthetic origin. .
  • the binder composition according to the invention comprises ferrous oxides (FeO), magnetic oxides or magnetite (Fe 3 0 4 or Fe0.Fe 2 0 3 ), ferric oxides or hematite (Fe 2 C > 3 ) in all its forms, limonite and / or their mixtures.
  • the composition according to the invention comprises hematite or magnetite and / or a mixture thereof.
  • the binder composition according to the invention can also comprise other iron oxides known to those skilled in the art, such as FeO. OH, Fe2ONa, FeOCl.
  • iron oxides used in the composition are available in most minerals from the soil such as, for example, iron ores, clay, micaceous iron oxide, almandine, allophane, carbonate, chamosite. This list, given by way of illustration, is neither exhaustive nor limiting.
  • the iron oxides represent from 0.1% to 20%, preferably from 0.1% to 15%, more preferably from 1 to 15% by mass relative to the total mass. of the binder composition.
  • This quantity iron oxide represents added iron oxides, and does not include those present in the components of the matrix.
  • the Applicant has discovered, surprisingly, that the addition of iron oxide makes it possible to increase the mechanical performance of the binder composition, in particular the compressive strength and the flexural strength.
  • the iron oxides represent from 20% to 70%, preferably from 20% to 60%, more preferably from 20 to 50% by mass relative to the total mass of the binder composition.
  • This amount of iron oxide represents added iron oxides, and does not include those present in the components of the matrix. In this case, the iron oxides substitute in significant parts for certain components of the matrix, such as fillers.
  • the present invention therefore also relates to a binder composition for a construction material comprising at least:
  • a matrix comprising at least one compound based on alumino-silicate, such as a metakaolin, and
  • the matrix comprising at least fatty acid triglycerides, at least one emulsifying agent and at least one iron oxide, preferably Fe 2 C> 3 hematite and / or FesCL magnetite.
  • the binder composition according to the present invention contains water present in the raw materials used, in particular the aqueous solution of alkali silicate and optionally the surfactants.
  • Complementary water can be added to the binder composition in order to adjust the flowability of the mixture, which is more or less compact depending on the amount of water provided by the silicate, optionally by the emulsifiers and additives, of the mixture.
  • nature and type of filler used but also the quantity of metakaolin, blast furnace slag and fibers, the nature of the powders, in particular their oil uptake.
  • the term "quantity of water” means the overall quantity of water resulting from the sum of the quantity of water included in the raw materials and the additional water added to the mixture.
  • the water represents from 5 to 25% by mass relative to the total mass of the binder composition according to the invention.
  • the present invention also relates to a process for preparing a binder composition comprising:
  • the binder composition according to the invention is obtained by mixing components a) and b) according to techniques well known to those skilled in the art.
  • the preparation process defined above comprises the following steps:
  • metal oxides can be added directly to the matrix in step 1 or step 2, or after mixing the matrix with the alkaline activating solution in step 3.
  • the mixing of the components is carried out extemporaneously shortly before placing the composition on the place of application.
  • the first stage of the process can be carried out in two sub-stages, that is to say a premixing of the metakaolin and optionally of the blast furnace slag (s) initially, then the incorporation of the acid triglycerides. fat, one or more surfactants, and optionally other additives in the premix in a second step.
  • the order of addition of the components constituting the binder composition according to the invention that is to say, for example, the constituents of the matrix, the alkaline silicate solution, the additives, in particular the fillers and the fibers, can vary.
  • the matrix is prepared by mixing the metakaolin, the fatty acid triglycerides, the surfactant and optionally the blast furnace slag, until homogeneous. as well as other additives.
  • the fillers, optionally the metal oxides and the reinforcing fibers are then added.
  • the activation solution based on alkali metal silicate, and where appropriate water in an amount allowing the flowability to be adjusted, is then introduced.
  • the alkali silicate activating solution can be introduced before or after the other components.
  • the activation solution based on alkali metal silicate is introduced last.
  • the flowability of the binder of the invention depends on all of the constituents and can be adjusted by introducing more or less of certain components, in a manner known to those skilled in the art.
  • the objective is to obtain a composition which can be poured from a mixer to the application zone and which flows under its own weight. Such a composition is generally qualified as a self-smoothing composition.
  • the method of making a building material includes making the binder and applying it to a support.
  • the support can for example be a mold, a formwork, a floor, a wall, a wall, a riprap.
  • a silicone, polystyrene or steel mold for example, one can use a silicone, polystyrene or steel mold, a wooden formwork.
  • the binder of the invention can be applied either directly on the construction site or in a factory where it can be cast in the form of bricks, plates or pieces of any other shape.
  • the workability of the binder composition is advantageously from 5 minutes to 36 hours. It is adjusted by means of the various additives mentioned above, the proportions of the components, the amount of water and the amount of binder composition produced.
  • the material can be covered with a tarpaulin, it is also possible to apply a curing product, in particular based on silicate, on the fresh material if the latter contains a lot of water, in order to avoid three-dimensional shrinkage as well as the risks of embrittlement and cracking of the material.
  • the placing of the binder composition is followed by a mold release step when the support is a mold or a formwork.
  • the support can be covered in whole or in part by reinforcing elements well known to those skilled in the art such as a steel or glass fiber mesh.
  • the binder composition according to the invention can be applied by any means known to those skilled in the art, in particular by casting, molding, spraying, injection, tamping.
  • the binder composition according to the invention can be applied at temperatures between 5 and 40 ° C, without requiring heat treatment. The catch occurs in a wide range of ambient temperatures and therefore allows use in various climates. The material exhibits satisfactory mechanical strength after a very short time.
  • the invention relates to the binder composition in the form of two separate parts a) and b) before they are mixed.
  • a composition can be in the form of a ready-to-use kit, each of the two parts of the composition being packaged in a package which prevents their mixing.
  • the binder composition is packaged without the fillers. These are preferably chosen from the materials present at the site of the work site and added before mixing.
  • the binder composition according to the invention comprises, or better consists essentially of, by mass relative to the total mass of the composition: a) from 5 to 50% of metakaolin, and optionally of slag and other pulverulent materials ;
  • the binder composition according to the invention comprises, or better consists essentially of, by mass relative to the total mass of the composition:
  • the binder composition according to the invention comprises, or better consists essentially of, by mass relative to the total mass of the composition:
  • g from 0.1 to 20% of at least one iron oxide, in particular hematite or magnetite and / or mixtures thereof.
  • the binder composition according to the invention comprises, or better consists essentially of, by mass relative to the total mass of the composition:
  • the metakaolin + slag / alkali metal silicate mass ratio ranges from 5: 1 to 1: 2, preferably from 4: 1 to 1: 2.
  • the percentages are expressed as the mass of active material relative to the total mass of the composition. Account should be taken, where appropriate, of the dilution of the active ingredient when in diluted form in water.
  • the present invention also relates to a building material made from the binder composition described above. More particularly, the invention relates to a building material obtained after setting and hardening of the mixture of the constituents of the composition.
  • the binder composition optionally mixed with fillers, and / or fibers, gives after curing a building material which has high mechanical resistance properties, superior to those of materials of the same nature and which do not include triglycerides and surfactants.
  • the binder compositions according to the invention have the advantage of being able to be applied in areas known to be difficult for construction, in particular wet areas, for example following floods, irregular and / or heterogeneous soils, for example following landslides. They can be used for new construction or for restoration.
  • the compositions of the invention make it possible to obtain a material of high mechanical strength in a very short time.
  • the present invention also relates to a shaped object which can be used in the field of construction, comprising a material according to the invention, resulting from the setting of the binder composition.
  • the object according to the invention can be manufactured in the form of blocks, impressions, printed tiles, and any other parts which can be transformed by any technique known to those skilled in the art, in particular they can be machined, treated and / or polished.
  • the binder composition according to the invention can be shaped to produce, after curing, a shaped object which can be used in the field of construction.
  • the invention also relates to such a shaped object.
  • the shaped objects that can be used in the construction field are for example, and in a non-exhaustive way, a work of art, a floor, a screed, a foundation, a wall, a partition, a ceiling, a beam, a plan work, a pillar, a bridge pile, a concrete block, a pipeline, a post, a staircase, a panel, a cornice, a mold, a road element, a piece of street furniture, a road, a dike, a landing runway.
  • the present invention also relates to the use of the composition according to the invention in the form of a two-component system with, on the one hand, the constituents of the matrix, and on the other hand the alkaline activation solution, for construction, consolidation and renovation, in particular in the field of building and roads.
  • the binder compositions according to the invention can be used in the repair and / or consolidation of partially flooded sites as well as in places where natural disasters have occurred, with very short lead times and / or return to use. . They can in particular be used in the manufacture of storage platforms for first-aid materials, airstrips, for example after a climatic disaster.
  • the subject of the invention is the reuse of the compositions according to the invention in the field of magnetism and / or electromagnetism, in particular in the production of magnetic and ferromagnetic materials such as permanent magnets or memories (materials for information storage).
  • the invention relates to the use for the production of magnetic and ferromagnetic materials of a composition comprising at least:
  • a matrix comprising at least one compound based on alumino-silicate, such as a metakaolin, and
  • the matrix comprising at least fatty acid triglycerides, at least one emulsifying agent and at least one iron oxide, preferably hematite Fe 2 O 3 , magnetite Fe304 and / or mixtures thereof.
  • Metakaolin the metakaolin used is red metakaolin obtained by flash calcination, sold under the name Argicem® or Geoflash® by the company Argeco Développement.
  • Aqueous alkali silicate solution a potassium silicate solution sold by the company Woellner under the name GEOSIL 14515 with a K2O: S1O2 molar ratio equal to 1.5 was used.
  • the alkali silicate is in aqueous solution, its concentration is expressed in% by mass relative to the total mass of the solution.
  • Blast furnace slag two types of blast furnace slag designated "slag 1" and “slag 2" were used. These are respectively the products marketed under the names “ECCkcem” and “EC0 2 cem +” by the company Orcem.
  • the slags represent a ratio (CaO + MgO / SiCE) 3 1.2, a D50 of between 4 and 12 mhi and a specific surface area according to the Blaine test of 4450 +/- 250 cm 2 / g.
  • the mass composition of the blast furnace slag used is shown below:
  • Triacetin the triacetin used is that marketed by the company Sigma Aldrich (CAS No: 102-76-1).
  • the first surfactant (surfactant 1) used is an ethoxylated sorbitan trioleate belonging to the family of sorbitan esters marketed by the company CRODA under the name Tween 85®.
  • the second surfactant (surfactant 2) used is an unethoxylated sorbitan trioleate also belonging to the family of sorbitan esters marketed by the company CRODA under the name Span 85®.
  • Iron oxide the iron oxide used is marketed by the company CMMP (Comptoirs Minerals Raw Materials). It contains 92% Fe 2 0 3 and 2% S1O2. It has an actual density of 5g / cm 3 , an oil absorption of 15ml / 100g, and an D50 of 26.9 lpm.
  • Fibers the fiberglass used is a fiberglass cut into strands 4.5 mm in length.
  • binder compositions according to the invention were prepared according to the protocol described below:
  • the first three steps constitute the preparation of the matrix, the mixing of the components of the matrix could be carried out in a different order without impacting the properties of the material.
  • additional water is introduced to improve the flowability of the mixture, this is counted in addition to the other materials and results in a total greater than 100% as shown by the data in Table 4.
  • the flowability is noted + , ++, or +++ corresponding respectively to "satisfactory", "good", “very good”.
  • Test pieces were prepared in the various molds described above by pouring the composition into the mold and curing at room temperature.
  • the SHORE D hardness of the binder compositions according to the invention was measured on cylindrical test pieces according to the technique cited above.
  • the analysis of the friability of the binder composition according to the invention is carried out after the specimen has hardened. It consists of checking whether the material easily disintegrates into a powder by applying pressure from the hand. We note - if the test tube is friable, + if it is not.
  • the test of resistance to acids of the binder composition according to the invention consists in placing a small rectangular test piece in a 10% solution of hydrochloric acid concentrated at 33% for 4 days. The test piece is weighed before and after the test and the loss of material is evaluated. This is expressed as a% mass loss relative to the initial mass.
  • Binder compositions were prepared and compared to a control composition. Table 1 below describes these compositions. Compositions I to 9 and 11 to 12 are according to the invention. Compositions 13-16 are comparative. Composition 10 is a control composition where the matrix does not include fatty acid triglycerides or emulsifying agent.
  • Table 2 describes the results of the performance tests for each of these compositions.
  • compositions of the invention lead, after curing, to materials which exhibit a high Shore hardness and are more resistant to compression and bending.
  • composition 6 according to the invention comprising rapeseed oil has a Shore D hardness of 75.6, a compressive strength after 14 days of 32.7 MPa and a flexural strength after 14 days of 6.45 MPa.
  • the comparative composition comprising an equivalent amount of triacetin exhibits a Shore D hardness of 68, a 14 day compressive strength of 20.05 MPa and a 14 day flexural strength of 5.66 MPa.
  • compositions according to the invention lead to materials which exhibit superior mechanical properties compared to binder compositions comprising triacetin as described by the prior art.

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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

COMPOSITION DE LIANT POUR MATERIAU DE CONSTRUCTION
Domaine technique
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.
État 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 (nSiCh, M2O), M étant un métal alcalin et n étant le rapport molaire entre S1O2 et 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.
WO 2016/156722 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 FR2958932 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 document JP 2019 006661 décrit une composition durcissable comprenant le produit de réaction d’un premier kit comprenant une poudre de métakaolin particulier, et d'un second kit comprenant une solution aqueuse de silicate de métal alcalin. La composition issue des deux kits peut comprendre des esters d’acide carbonique et des esters d’acide acétique, comme la triacétine. Ce document ne divulgue pas des compositions comprenant des triglycérides d’acides gras.
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.
Résumé de l’invention
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.
L’invention concerne également 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, et 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, la solution d’activation alcaline est une solution aqueuse comprenant au moins un silicate de métal alcalin de formule (nSiC , M2O), M étant un métal alcalin choisi parmi le sodium, le potassium ou le lithium et n étant le rapport molaire entre S1O2 et 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.
Avantageusement, les triglycérides d’acides gras représentent de 0,5 à 8%, de préférence de 0,5 à 6%, de préférence encore de 1 à 5% 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 est 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, des oxydes métalliques et/ou des fibres.
Selon un mode de réalisation préféré, la composition comprend, en outre, de 0,1 à 70 % d’un ou plusieurs oxydes de fer, en masse par rapport à la masse totale de la composition.
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 les triglycérides d’acide gras, les tensioactifs et éventuellement les autres additifs,
2) éventuellement, incorporation des charges, des oxydes métalliques et/ou 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).
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.
Avantageusement, la composition de liant peut comprendre, en outre, un ou plusieurs additifs, tels que par exemple des charges, des fibres, des oxydes métalliques, des plastifiants, des agents fluidifiants, 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.
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 S1O2 et de AI2O3 réactifs. 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. Notamment elle peut présenter une teneur variable en oxyde de fer, Fe203, qui peut aller de 0 à 5%, en masse rapportée à la masse totale du métakaolin.
De préférence, on utilise dans la matrice un métakaolin obtenu par calcination flash, contenant :
- Un ratio S1O2+AI2O3 supérieur à 90%, en masse par rapport à la masse totale du métakaolin ;
- Une teneur en Fe203 allant de 1 à 5% et de préférence de 1,5 à 3% en masse par rapport à la masse totale du métakaolin ;
- Un ratio molaire Si/ Al allant de 1 à 5%, et de préférence de 1,5 à 3% ;
- Un ratio molaire Si/Ca allant de 70 à 90%, de préférence de 75 à 85% ;
- Un ratio molaire Si/Fe allant de 10 à 20%, de préférence de 12 à 18%. 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 Fe2C>3 ou Magnétite FesCL) 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 pm. La D50 est généralement mesurée par tamisage. La D50, également notée 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% ;
- S1O2 entre 33 et 40% ;
- AI2O3 entre 8 et 14% ;
- Fe2C>3 entre 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 entraîne 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 mhi. 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.
La composition selon l’invention peut également comprendre d’autres matériaux en poudre tels que le kaolin, l’argile crue en poudre, le talc, les feldspaths, la montmorillonite, le gypse, le plâtre, le dioxyde de titane, le dioxyde de titane pyrogéné, le basalte, la bauxite, les fluorosilicates. Ces matériaux sont connus de l’homme du métier et peuvent être ajoutés pour modifier certaines propriétés de base du liant.
• 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 la composition de 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 0,5 à 8%, de préférence encore de 0,5 à 6%, encore plus avantageusement 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. 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-C24 et d’acides alkyl monocarboxyliques en C3-C30, en particulier les esters de polyols en C4-C20 et 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-C18 et de sorbitane et d’esters d’acides monocarboxyliques en C12-C18 et 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 et superplastifiants, des réducteurs d’eau, des modificateurs de viscosité tels que les fibres de celluloses, les gommes diutan ou xanthan et leurs mélanges, des agents anti-mousses, des agents fluidifiants ainsi que des promoteurs d’adhérence. 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 connus 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 promoteurs d’adhérence : comme par exemple les titanates, les silanes et leurs dérivés.
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 solution d’activation alcaline comprend une source de silicate alcalin de formule (nSiCk, M2O), M étant un métal alcalin et n étant le rapport molaire entre SiCk et 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 : S1O2 compris 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 SiCk : Na2Ü 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 S1O2 : 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 SiC : LLO 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 S1O2 : 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.
Les charges
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 inerte minéral et/ou végétal utilisable seul ou en mélange, avec une granulométrie adaptée à l’utilisation de la composition. La charge peut être sous forme de poudre ou de granulats.
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 (broyais 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. Cette liste, donnée à titre d’illustration, n'est ni exhaustive ni limitative.
On peut utiliser un sable de mer de granulométrie allant jusqu’à 5 mm. Avantageusement, la charge est un sable avec une granulométrie comprise entre 200 et 250 mhi. 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, minérales ou métalliques (fibres d’acier) 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 à 70 %, de préférence de 20 à 60 % en masse par rapport à la masse totale de la composition de liant.
Les oxydes métalliques
Outre les oxydes métalliques naturellement présents dans les composants de la matrice (métakaolin, laitier de hauts fourneaux), la composition de liant selon l’invention peut avantageusement comprendre un ou plusieurs oxydes métalliques, en particulier des oxydes de fer d’origine naturelle ou synthétique.
Avantageusement, selon cette variante, la composition de liant selon l’invention comprend des oxydes ferreux (FeO), des oxydes magnétiques ou magnétite (Fe304 ou Fe0.Fe203), des oxydes ferriques ou hématite (Fe2C>3) sous toutes ses formes, de la limonite et/ou leurs mélanges. De préférence, la composition selon l’invention comprend de l’hématite ou de la magnétite et/ou leur mélange. La composition de liant selon l’invention peut également comprendre d’autres oxydes de fer connus de l’homme du métier tels que FeO. OH, Fe2ÛNa, FeOCl.
Les oxydes de fer employés dans la composition sont disponibles dans la plupart des minéraux provenant du sol comme par exemple dans les minerais de fer, l’argile, l’oxyde de fer micacé, l’almandin, l’allophane, le carbonate, la chamosite. Cette liste, donnée à titre d’illustration, n’est ni exhaustive ni limitative.
Avantageusement, selon un premier mode de réalisation, les oxydes de fer représentent de 0,1% à 20%, de préférence de 0,1% à 15%, de préférence encore de 1 à 15% en masse par rapport à la masse totale de la composition de liant. Cette quantité d’oxyde de fer représente les oxydes de fer ajoutés, et n’inclut pas ceux présents dans les composants de la matrice. La Demanderesse a découvert, de manière surprenante, que l’ajout d’oxyde de fer permet d’augmenter les performances mécaniques de la composition de liant, notamment la résistance à la compression et la résistance à la flexion.
Selon un deuxième mode de réalisation, les oxydes de fer représentent de 20% à 70%, de préférence de 20% à 60%, de préférence encore de 20 à 50% en masse par rapport à la masse totale de la composition de liant. Cette quantité d’oxyde de fer représente les oxydes de fer ajoutés, et n’inclut pas ceux présents dans les composants de la matrice. Dans ce cas, les oxydes de fer se substituent en parts significatives à certains composants de la matrice, tels que les charges.
La présente invention concerne donc également 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, au moins un agent émulsionnant et d’au moins un oxyde de fer, de préférence de l’hématite Fe2C>3 et/ou de la magnétite FesCL.
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.
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 maîtriser 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
telles 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 les triglycérides d’acides gras, 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.
Il est à noter que les oxydes métalliques peuvent être ajoutés directement dans la matrice à l’étape 1 ou à l’étape 2, ou après mélange de la matrice avec la solution d’activation alcaline à l’étape 3.
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 des triglycérides d’acides gras, 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, les triglycérides d’acides gras, le tensioactif et éventuellement le laitier de haut fourneau, ainsi que les autres additifs. On ajoute ensuite les charges, éventuellement les oxydes métalliques 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.
Avantageusement, la composition de liant selon l’invention comprend, ou mieux consiste essentiellement en, en masse par rapport à la masse totale de la composition : a) de 5 à 50 % de métakaolin, et éventuellement de laitier et d’autres matériaux pulvérulents ;
b) de 5 à 20 % d’au moins un silicate alcalin ;
c) de 0,5 à 10 % d’au moins une huile ;
d) de 0,2 à 15 % d’au moins un tensioactif ;
e) de 5 à 70% d’au moins une charge ;
f) de 5 à 25% d’eau.
Selon un mode de réalisation avantageux, la composition de liant selon l’invention comprend, ou mieux consiste essentiellement en, en masse par rapport à la masse totale de la composition :
a) de 10 à 40 % de métakaolin ;
b) de 5 à 15 % de silicate alcalin ;
c) de 1 à 5 % d’au moins une huile ;
d) de 0,5 à 10 % d’au moins un tensioactif ;
e) de 20 à 60 % d’au moins une charge ;
f) de 5 à 25% d’eau ;
g) de 0,1 à 15 % de laitier et éventuellement d’autres matériaux pulvérulents.
Selon un mode de réalisation, la composition de liant selon l’invention comprend, ou mieux consiste essentiellement en, en masse par rapport à la masse totale de la composition :
a) de 5 à 50 % de métakaolin, et éventuellement de laitier et d’autres matériaux pulvérulents ; b) de 5 à 20 % d’au moins un silicate alcalin ;
c) de 0,5 à 10 % d’au moins une huile ;
d) de 0,2 à 15 % d’au moins un tensioactif ;
e) de 5 à 70% d’au moins une charge ;
f) de 5 à 25% d’eau ;
g) de 0,1 à 20% d’au moins un oxyde de fer, en particulier de l’hématite ou de la magnétite et/ou leurs mélanges.
Selon un autre mode de réalisation, la composition de liant selon l’invention comprend, ou mieux consiste essentiellement en, en masse par rapport à la masse totale de la composition :
a) de 5 à 50 % de métakaolin, et éventuellement de laitier et d’autres matériaux pulvérulents ;
b) de 5 à 20 % d’au moins un silicate alcalin ;
c) de 0,5 à 10 % d’au moins une huile ;
d) de 0,2 à 15 % d’au moins un tensioactif ;
e) de 0 à 50% d’au moins une charge ;
f) de 5 à 25% d’eau ;
g) de 20 à 70% d’au moins un oxyde de fer, en particulier de l’hématite, de la magnétite et/ou leurs mélanges.
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 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. Après prise et durcissement, l’objet selon l’invention peut être fabriqué sous forme de blocs, d’empreintes, de dalles imprimées, et toutes autres pièces qui peuvent être transformées par toute technique connue de l’homme du métier, notamment elles peuvent être usinées, traitées et/ou polies.
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 la composition selon l’invention 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. Selon un dernier aspect, l’invention a pour objet rutilisation des compositions selon l’invention dans le domaine du magnétisme et/ou de G électromagnétisme, notamment dans la production de matériaux magnétiques et ferromagnétiques tels que les aimants permanents ou les mémoires (matériaux pour le stockage de l’information).
En particulier, l’invention concerne l’utilisation pour la production de matériaux magnétiques et ferromagnétiques d’une composition 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, au moins un agent émulsionnant et d’au moins un oxyde de fer, de préférence de l’hématite Fe203 , de la magnétite Fe304 et/ou leurs mélanges.
F’ ensemble des caractéristiques et préférences présentées pour la composition selon l’invention et ses constituants s’appliquent également à l’utilisation ci-dessus.
F'invention est illustrée par les exemples, donnés à titre non limitatif, ci-après.
Exemples :
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. Fe Métakaolin présente une D50 d’environ 30 pm, 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 : S1O2 égal 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.
Figure imgf000023_0002
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 « ECCkcem » et « EC02cem+ » par la société Orcem. Les laitiers représentent un ratio (CaO+MgO/SiCE) ³ 1,2, une D50 comprise entre 4 et 12 mhi 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 ci- dessous :
Figure imgf000023_0001
Huile : l’huile utilisée est une huile de colza. Triacétine : la triacétine utilisée est celle commercialisée par la société Sigma Aldrich (N CAS : 102-76-1).
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 ®.
Oxyde de fer : l’oxyde de fer utilisé est commercialisé par la société CMMP (Comptoirs Minéraux matières Premières). Il contient 92% de Fe203 et 2% de S1O2. Il a une densité réelle de 5 g/cm3, une absorption d’huile de 15 ml/100g, et une D50 de 26,9 lpm.
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 mhi, 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.
II. Préparation de la composition de liant :
Les compositions de liant selon l’invention ont été préparées selon le protocole décrit ci-après :
- lère étape : pré-mélange des poudres métakaolin/ laitier(s) de haut fourneau,
- 2eme étape : introduction du mélange huile/tensioactifs dans le pré-mélange métakaolin/ laitier(s) de haut fourneau,
- 3ème étape : incorporation des charges et éventuellement de l’oxyde de fer, - 4eme étape : ajout de la solution d’activation alcaline,
- 5eme étape : 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.
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.
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.
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 40x40 mm. Flexion : vitesse de 50 N/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.
IV. Résultats :
Des compositions de liant ont été préparées et comparées à une composition témoin. Le tableau 1 suivant décrit ces compositions. Les compositions I à 9 et l l à l2 sont selon l’invention. Les compositions 13-16 sont comparatives. La composition 10 est une composition témoin où la matrice ne comprend ni de triglycérides d’acides gras ni d’agent émulsionnant.
Le tableau 2 décrit les résultats des tests de performance pour chacune de ces compositions.
Les résultats montrent que les compositions de l’invention conduisent après durcissement à des matériaux qui présentent une dureté Shore élevée et sont plus résistants à la compression et la flexion. En particulier, la composition 6 selon l’invention comprenant de l’huile de colza présente une dureté Shore D de 75,6, une résistance à la compression après 14 jours de 32,7 MPa et une résistance à la flexion après 14 jours de 6,45 MPa. La composition comparative 15 comprenant une quantité équivalente de triacétine présente une dureté Shore D de 68, une résistance à la compression après 14 jours de 20,05 MPa et une résistance à la flexion après 14 jours de 5,66 MPa.
Ainsi, les compositions selon l’invention conduisent à des matériaux qui présentent des propriétés mécaniques supérieures par rapport à des compositions de liant comprenant de la triacétine telles que décrites par l’art antérieur.
Les résultats montrent également qu’en incorporant de l’oxyde de fer dans la composition, les performances mécaniques sont améliorées.
Tableau 1 : formulation des compositions de liant
Figure imgf000027_0001
Tableau 1 (suite) : formulation des compositions de liant
Figure imgf000028_0001
Tableau 2 : Résultats de l’évaluation des propriétés mécaniques et chimiques des compositions de liant
Figure imgf000029_0001
5
Tableau 2 (suite) : Résultats de l’évaluation des propriétés mécaniques et chimiques des compositions de liant
Figure imgf000030_0001

Claims

REVENDICATIONS
1. 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 et les triglycérides d’acides gras représentent de 0,5% à 10 % en masse par rapport à la masse totale de la composition.
2. 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 (nSiCk, M2O), M étant un métal alcalin choisi parmi le sodium, le potassium ou le lithium et n étant le rapport molaire entre SiCk et M2O.
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. 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.
7. Composition de liant selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la matrice comprend en outre, un laitier de haut fourneau.
8. 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.
9. 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.
10. Composition de liant selon l’une quelconque des revendications précédentes dans laquelle les triglycérides d’acides gras représentent de 0,5 à 8%, de préférence de 0,5 à 6% et de préférence encore de 1 à 5 % en masse par rapport à la masse totale de la composition.
11. 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.
12. Composition de liant selon la revendication 11 dans laquelle l’agent 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.
13. 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.
14. Composition de liant selon l’une quelconque des revendications précédentes, qui comprend, en outre, des additifs tels que des charges, des oxydes métalliques et/ou des fibres.
15. Composition de liant selon l’une quelconque des revendications précédentes, qui comprend, en outre, de 0,1 à 70 % d’un ou plusieurs oxydes de fer, en masse par rapport à la masse totale de la composition.
16. 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 les triglycérides d’acides gras, les tensioactifs et éventuellement les autres additifs,
2) éventuellement incorporation des charges, des oxydes métalliques et/ou des fibres dans la matrice,
3) mélange de la matrice et de la solution d’activation à base de silicate alcalin.
17. Procédé de préparation d’un matériau comprenant les étapes suivantes :
i) préparation d’une composition de liant selon la revendication 16 ;
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).
18. Matériau ou objet résultant du procédé selon la revendication 17.
19. Utilisation de la composition de liant selon l’une quelconque des revendications
1 à 15, ou d’un matériau ou d’un objet selon la revendication 18, dans la construction, la consolidation, la réparation et la rénovation, dans le domaine du bâtiment et de la voirie.
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