Brevet FR2249051A1 — publié le 19750523

La présente invention concerne un procédé pour la fabrication d'un élément de construction constitué d'un liant hydraulique et d'additifs et possédant une résistance élevée à l'égard du feu. La résistance au feu des éléments de construction, que ceux-ci soient en béton, en bois ou en tout autre matériau conventionnel, est un critère déterminant pour obtenir la permission de la part de la police du feu, d'utiliser ces éléments dans les constructions en élévation. L'aptitude à résister au feu ou la durée de cette résistance sont définies par ce que l'on appelle les "classe8" de résistance au feu, chaque classe étant spécifiée entre autres par une certaine durée pendant laquelle l'élément délimitant un espace doit empêcher le passage d'une flamme, par exemple une source de feu accidentelle.Les éléments de construction qui résistent au passage d'une flamme ou d'un feu pendant 60 mn sont désignés comme "ralentisseurs" à I'égard du feu, ceux dont l'action de barrage au passage du feu dure jusqu'à 120 mn comme "résistants" au feu et ceux dont cette action dépasse 180 mn, comme "très résistants11 au feu. En principe, tous les éléments de construction constitués par un liant hydraulique et par des matériaux complémentaires inorganiques, tels que sable, gravier ou granules d'argile expansée, en particulier lorsqu'ils sont dimensionnés en vue de jouer un r8le statique dans la construction, appartiennent à la classe des éléments "très résistants11 au feu. Si des éléments de cette composition ne servent qu'à; proteger contre le passage du feu d'une pièce à une autre, ils doivent alors etre différemment dimensionnés en épaisseur pour répondre à l'une ou à l'autre des classes de résistance au feu car, comme cela sera repris plus loin, les liants hydrauliques ont un comportement particulier sous l'action d'une source de feu accidentelle. Suivant la tendance des méthodes de construction les plus rdcentes, on utilise de plus en plus des éléments de façades et des parois de séparation préfabriqués en béton. Ces éléments de façades ont un très faible pouvoir isolant ; de ce fait, il faut avoir recours à des mesures complémentaires pour réaliser cette isolation thermique De plus, ces éléments de façade et ces parois de séparation sont relativement lourds, ce dont il faut tenir compte dans les calculs statiques de la construction. On a cherché depuis à éliminer ces inconvénients en mélangeant au béton des additifs particuliers.Un matériau complémentaire ajouté, qui est aujourd'hui largement utirfsé dans la fabrication d'éléments pour façades, parois de séparation et toitures, est celui représenté par des granules de résines synthétiques expansés, qui abaisse considérablement le poids spécifique de ces éléments, par exemple jusqu'à 400 kg/m , et leur confère en même temps un meilleur pouvoir isolant pour la chaleur. Mais ce développement, du fait de l'addition de produits organiques, présente de graves inconvénients quant à l'amplitude à résister au feu.Pour améliorer cette situation, on a cherché à recouvrir au moins l'une des surfaces de l'6lzment de construction avec un revetement résistant au feu; par exemple en ciment ou en un mélange ciment-amiante, ceci pour que le matériau puisse atteindre les valeurs (classes) de résistance au feu exigées pour leur emploi dans les constructions en élévation. Ce revetements toutefois, non seulement entraine des difficultés considérables quant à son exécution, mais n'apporte aucune amélioration décisive quant à l'aptitude de résister au feu, car les forces d'adhérence de cette construction sandwich sont rapidement annulées par le comportement du liant hydraulique sous l'action du feu. La durée insuffisante de résistance au feu de ces éléments de construction légers, formés d'un mélange de matériaux organiques et de liants hydrauliques, ne réside pas seulement dans l'inflammabilité de ses composants organiques, mais également dans l'instabilité relative de l'enveloppe de liant hydraulique durci qui entoure les composants organiques ; ceci vaut aussi pour le cas où les composants ajoutés sont des fibres d'amiante, des granules sphériques d'argile expansée et autres semblables. Au cours d'essais pratiques au feu, on a constaté que cette enveloppe se désagrège relativement vite sous l'action du feu et que celui-ci se fraye, après un court laps de temps, un passage au travers de l'élément de construction.Ce désagrègement est du au fait que le liant hydraulique commence à perdre son eau de composition, et par là sa force de cohésion entre composants solides, déjà à partir de températures relativement basses de l'ordre de 150 0c. Ce désagrègement est aussi responsable du fait que l'on ne peut pas obtenir une liaison de nature céramique entre les composants solides du liant, à 900-12000C, tout en maintenant sa structure. Le but visé par l'invention est un procédé de fabrication d'éléments de construction, aptes à résister à l'action du feu, basé sur l'utilisation d'un additif particulièrement approprié à cet effet, gracie auquel et avec lequel il est possible d'annuler dans une large mesure la conséquence de cette rupture des forces de liaison. Ce but est atteint, suivant l'invention, par le fait que l'on ajoute au liant hydraulique un additif inorganique qui devient liquide lorsque l'élément de construction est sous l'effet de la chaleur et forme, avec les parties solides du liant hydraulique, une structure résistante. Dans ce procédé, la partie essentielle de l'invention réside dans le fait que l'on ajoute un composant supplementaire pendant l'opération de mélange en soi connue, compodant dont le rle est, en quelque sorte, celui de substituer 11 eau de constitution expulsée par la chaleur. Au moment où l'eau est expulsée du liant, ou même plus tard, ce composant doit passer de l'état solide à l'état liquide, de préférence en franchissant toutes les phases intermédiaires de viscosité5 -éventuellement jusqu'à donner lieu même à une réaction de frittage, afin d'assumer ainsi le rôle de l'eau expulsée.La désagrégation du liant hydraulique est, de ce faits largement contrecarrée, et la cohésion de la structure de protection enveloppant, par exemple, des matériaux complémentaires d'allégement reste assurée méme en cas d'incendie. Avec le maintien de la cohésion de la structure, la durée de la résistance au feu augmentez car ce n'est qu'après un temps beaucoup plus long que celui-ci peut se frayer un passage à travers l'élément de construction. Cette façon de procéder; suivant l'invention, n'est pas limitée aux éléments de construction contenant des matériaux complémentaires d'allbgement (granules expansés, etc.)-, mais peut Entre appliquée avec succès à des éléments de construction composes d'un liant hydraulique avec ou sans addition d'autres composés.Si ces éléments de construction sont utilisés comme simples revêtements de protection contre le feu, on peut alors réduire leur épaisseur, nécessaire pour répondre aux prescriptions de résistance au feu, lorsqu'ils sont fabriqués suivant l'invention. Aussi pour les emplois comme éléments' de toiture, composés d'un liant hydraulique et de fibres d'amiante ou de produits analogues, on peut envisager en suivant l'invention soit des éléments plus minces soit, à égalité d'épaisseurs, une amélioration considérable de 1 'aptitude à résister au feu et aux radiations thermiques desdits éléments. Suivant ltinvention, on peut atteindre le but recherché, en ajoutant un additif inorganique qui reste à l'état liquide jusqu'au moment où se produit une liaison du type céramique entre les constituants solides du liant hydraulique, afin de réagir avec lesdits constituants solides- (par exemple du ciment). Cette réaction pourrait aboutir à une imprégnation, à un collage ou même à un frittage. Ceci assure une cohésion de la structure du liant jusqu'au moment où se développent les forces de liaison céramique.De ce fait, les éléments destinés à des revatements de protection contre le feu, à des toitures, à des conduits de fumées soumis à de sévères conditions thermiques, etc,, qui ne contiennent généralement pas des matériaux complSmertsaires d'allègement, conserveront pratiquement intacte- leur surface exposée à l'action du feu. Un perfectionnement ultérieur de l'invention prévoit comme addit le mélange d'une fritte céramique. Les frittes céramiques se ramollissent, ou deviennent liquides, à des températures notablement plus élevées que celles auxquelles l'eau est séparée du liant hydraulique. Ce départ de l'eau commence déjà à l50-200c, alors que le ramollissement d'une fritte commence, par exemple, aux environs de 500"C. I1 semblerait donc, au premier abord, que ce deomaine de température de 300du environ, oé l'eau n'est en quelque sorte pas remplacée, devrait avoir une influence négative s-ur l'augmentation de la durée de résistance au feu.Mais, en fait, ce domaine de température n'a pas d'importance lorsque, en cas d'incendie, un élément de construction est investi brutalement par la chaleur du feu. Suivant l'intensité de l'action thermique à laquelle il faut s'attendre, il peut etre indiqué, selon un développement de l'invention, d'utiliser une fritte qui se ramollit à une certaine température plus ou moins élevée et qui devient liquide par la suite. Une fritte qui a été utilisée avec succès, dans le cadre de l'invention, et qui se ramollit déjà autour de 510 C, se compose de 0,16-0,6, de préférence 0,18-0,42 mole, de Ai203 ; 1,4-12,0, de prfêrence 2,0-9,5 moles, de SiO2, et 0,4-3,5, de préférence 0,6-3,0 moles, de B203 pour 1 mole de Na20.Si le "remplacement" efficace de l'eau du liant hydraulique doit se faire à 610 C environ, il est alors avantageux d'utiliser une fritte composée d'un mélange de 0,1-0,25, de préférence 0,15-0,2 mole, de A1203 ; 1,0-2,5, de préférence 1,5-2,0 moles, de SiO2 S 0,3-1,5, de préférence 0,35-1,0 mole, de B205 pour 1 mole d'oxyde alcalfn; mole constituée par 0,3-0,6, de préférence 0,35-0,45 moles, de Na20 ; 0,04-0,08, de préférence 0,045-0,06 mole, de H2O et 0,4-0,7, de préférence 0,5-0,6 mole, de CaO. Selon une variante de l'invention, la fritte peut etre mélangée au liant hydraulique dans un rapport 1:0,5-10, de préférence 1:5 (sans eau). Ce rapport de mélange dépend essentiellement de la résistance statique que l'élément de construction doit avoir pour son usage courant et en cas d'incendie, de la nature et de la composition des matériaux complémentaires d'allégement éventuels et de la durée désirée de résistance au feu. Le rapport 1:5 est valable pour la plupart des exigences auxquelles doit répondre un élement de construction, lorsque le liant hydraulique est du ciment.Si, au lieu de liants hydrauliques, comme par exemple le pl2tre, on utilise un liant à base de magnésite ou d'autres liants inorganiques semblables, ce rapport peut varier dans les limites données pour fournir des résultats comparables, Suivant 1 'invention, on peut éventuellement remplacer la fritte par de la poudre de verre etlou par des scories finement broyées ; toutefois, le produit d'addition préféré dans tous les cas reste la fritte, A ces frittes susmentionnées5 on peut ajouter avec profit aussi des scories finement broyées qui fondent légèrement au-dessous de la température où se produit la liaison de type céramique entre les composants solides, et ceci en vue de modifier la viscosité de la fritte fondue qui tendrait à diminuer aux températures élevées.Le mélange constituant la fritte (fritte proprement dite et/ou poudre de verre ou de scorie) devrait être de 1 partie de fritte proprement dite et de 0,5 à 2 parties de poudre de scorie et/ou de verre, pour obtenir- de bons résultats quant à la durée de résistance au feu. I1 est particulièrement avantageux, pur le formage, pour la résistance mécanique (pression, pliage, flexion) et pour la duree de la résistance au feu dans le domaine de température correspondant à la qualification résistant au feu", requise pour toutes les constructions en élévation, que la composition de la masse liante des éléments de construction se compose de 1 à 7 parties, de préférence 5 parties, -de ciment ; de 3 X 6 parties, de préférence 2 parties, d'eau ; de 1 à 7 parties, de préférence 1 partie, de fritte et/ou d'autres additifs à bas point de ramollissement. Pour la fabrication d'éléments de construction spécifiquement plus légers, possédant de bonnes qualités thermD-isolantes, des particules en résines synthétiques expansées ont-eté utilisées avec succès dans le cadre de Il invention, en tant que materiauKcomplEmentaires dans le liant hydraulique. I1 est indiqué dans ce but d'enrober les particules de résines synthétiques d'un adhésif, qui peut etre en couche extrêmement fine, avant le mélange. Un matériau particulièrement indique comme adhésif est une résine de type époxy. MAis, en fait, on peut fabriquer un élément de construction même sans adhésif, Il existe par contre le danger quril ne se forme pas de structure alvéolaire en liant hydraulique, enrobant de façon homogène les particules de résines synthétiques ayant de préférence une forme sphéroTde. Il peut se former localement des cavités vides qui peuvent meme s'accumuler dans certaines parties de la structure, ce qui, non seulement affaiblit les caractéristiques mécaniques de l'élément de construction, mais influence aussi de façon négative son comportement en cas d'incendie. Au lieu d'ajouter le matériau organique susmentionné, on peut aussi ajouter un matériau inorganique, par exemple un matériau fibreux, incombustible (fibres d'amiante), en particulier dans le cas de panneaux minces, c'est;à-dire ayant, par exemple, une épaisseur comprise entre 2 et 10 mm. Ces plaques ou panneaux peuvent 8tre utilisés comme éléments de toiture ou de revêtement de protection contre le feu, par exemple pour des élements de construction en acier. En outre, entrent en considération comme matériaux complémentaires dans le cadre de l'inveùtion également les granules d'argile expansée, le sable ou le gravier. Un avantage particulier du procédé suivant l'invention, pour la fabrication d'éléments de construction aptes à résister au feu, est que l'on peut utiliser pour le formage desdits éléments les procédés et les dispositifs usuels, mis en oeuvre dans la technique du bétonnage. Ainsi, les éléments de construction peuvent, par exemple, être mis en forme dans dn coffrage où ils peuvent 8tre compactés, par exemple, au moyen d'un vibrage, Pour renforcer ces éléments de construction, on peut les armer, par exemple, avant d'introduire le liant hydraulique, avec les matériaux d'addition et l'additif selon l'invention ; cette armature est de préférence sous forme de barres ou de treillis en fer. Les éléments de construction ainsi armés peuvent ensuite être recouverts, sur l'une ou sur les deux faces, d'un crépi ou d'un revetement de nature métallique, par exemple. Pendant l'opération de mise en forme dans un coffrage ou dans un moule, l'élément de construction peut hêtre pourvu simultanément, sur ou sur les deux faces, d'une couche de revêtement métallique ou non métallique. Dans le cas d'une couche métallique, peuvent entrer en ligne de compte des bandes de fer, d'aluminium ou, dans le cas où l'on désire obtenir un effet particulièrement décoratif, de cuivre. Comme couches non métalliques, on peut utiliser avec succès des panneaux en copeaux de bois, en résine synthétique et également en céramique. Crache à ces revêtements, on peut obtenir des renforcements mécaniques analogues à ceux obtenus avec les armatures. En particulier, Si l'on applique des tôles de revêtement en metal sur les éléments de construction suivant l'invention, on ameliore sensiblement les caractéristiques mécaniques, tout en n'augmentant que de tres peu l'épaisseur totale. Dans ce cas, il est indiqué de placer une des tôles de couverture directement dans le moule ou dans le coffrage, puis d'étendre sur ladite tôle un matériau adhésif, à base de polyuréthanne, qui est autodurcissant sous l'action de l'humidité.L'autre t81e de couverture, enduite avec le même adhésif, est ensuite placée sur le contenu du moule ou du coffrage, après que ceux-ci ont été remplis, puis on opère un compactage de volume (avantlaprès) selon un rapport 1:1,1-3, de préférence 1:1,5, pour obtenir une structure dense et une bonne adhésion des tôles de couverture avec le matériau constituant le noyau, composé du liant hydraulique, de additif suivant l'invention et des divers matériaux complémentaires ajoutés. EXEMPLE Pour la fabrication d'un élément de construction suivant l'invention, pouvant être utilisé dans la construction en élévation, on a enrobé 100 1 de granules expansés de polystyrène, ayant de préférence un poids en vrac de 9 à 18 gil et une granulométrie de I à 5 mm, avec 100 g d'un adhésif sous la forme d'une résine époxy liquide. On a ensuite gacher 17 kg de ciment avec 7 1 d'eau, puis ajouté à ce mélange 3 > 5 kg d'additif inorganique composé de 0,42 mole de A1203, 9,6 moles de SiO2 et 2,93 moles de B203 par mole de Na20. Le liant hydraulique et son additif ont été ensuite soigneusement mélangés avec les granules de polystyrene enrobés, puis introduits dans un moule sur le fond duquel se trouvait une tale d'aluminium de 1,5 mm d'épaisseur préalablement enduite d'une couche d'adhésif à base de polyuréthanne, autodumcissant par l'action de l'humidité.Après le remplissage du moule, et nivellement de son contenu, on place sur celui-ci une autre tale d'aluminium, de meme épaisseur que celle placée sur le fond et enduite du même adhésif, on procede ensuite à une compression pour obtenir un rapport de compactage de 1 à 1,5 (avant et apres la compression). Le moule a été chauffé pour accélérer la prise du liant hydraulique.L'élément de construction ainsi obtenu est un panneau de 70 mm d'dpaisseur. Son poids spécifique est de 330 kg/m, son coefficient de conductivité thermique est environ 0,8 keal/m2.h. Cs Sa "portance" est de l'ordre de 330 kg/m pour une distance d'appui de 2 m et sa charge admissible, pour une flèche f = L/300 (L = distance des lignes d'appui), est de 45 kg/m pour une distance L de 4 m. L'élément de construction a été soumis à un contrôle d'essai sur son aptitude à résister au feu. Sur la face directement exposée à l'action d'une flamme, la tale d1aiuminium s'est bombée après 10 mn. Apres 16 mn, elle commença de fondre et, après 18 mn, les gaz, qui s'étaient dégagés du matériau constituant le noyau du panneau, s'enflammèrent et brillèrent sous forme de flamme modérée. Avec la durée de la combustion, l'aluminium se liquéfia sur une surface de plus en plus grande. Après 24 mn, le matériau formant le noyau du panneau était mis à nu sur la plus grande partie de la surface exposée à la flamme. Les restes de la tole en aluminium pendaient au bord du panneau testé.A ce moment, l'alimentation de la flamme due aux gaz dégagés baissa très sensiblement ; après 26 mn, il n'y avait plus qu'une flamme faible. Au bout de 30 mn, on ne constatait plus que des flammes courtes et sporadiques sortant des angles du panneau. Après 45 mn, se détacha, par endroits, une mince couche superficielle (1 à 2 mm) de matériau effrité du noyau. Dans la suite de l'essai, on ne v-it plus que de petites flammes sporadiques dans les angles du panneau-dprouvette, on ne constata, à l'oeil nu, plus aucun changement concernant le matériau du noyau. Sur la face dite "froide de l'élément de construction, c'est-à-dire sur la face opposée à celle directement exposée à l'action de la flamme d'essai, se dégagèrent, après 9 mn, quelques bouffées de fumée épaisse sur les bords du panneau, qui cessèrent par la suite.Après 90 mn d'exposition au feu, on mesura sur cette surface "froide" des températures comprises entre 80 et 88 C. La valeur moyenne était donc de 840C et se trouvait ainsi 620C au-dessus de la température du début de l'essai et 80 C au-dessous de la valeur moyenne considérée encore admissible pour le réchauffement d'une paroi "froide". Ces valeurs mesurees favorables, qui caractérisent un élément de construction suivant l'invention, permettent de classer celui-ci sous la désignation de "résistant au feu". Au cours d'un essai d'extinction de 30 s, le jet d'eau utilisé à cet effet n'emporta le matériau du noyau que sur une profondeur maximale de 3 cm ; par endroit, il n'y eut même aucun enlèvement de matériau. La couche superficielle etait colorée en brun-gris sur une profondeur de 1,5 cm environ et en noir, au-dela. Le matériau du noyau était reste absolument intact sur une épaisseur d'environ 2 cm. Bien entendu, diverses modifications peuvent titre apportées par I'horrme de l'art aux dispositifs ou procédés qui viennent d'autre décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs, sans sortir du cadre de l'invention, RE VE NDI CA T tONS 1. Procédé pour la fabrication d'un élément de construction ayant une grande aptitude à résister au feu, constitué d'un liant hydraulique et de matériaux complémentaires, caractérisé en ce que l'on mélange au liant hydraulique un additif inorganique qui, sous l'effet de la chaleur agissant sur ledit élément, devient-liquide et forme une structure résistante avec les composants solides du liant hydraulique. 2. Procédé selon. la revendication 1, caractérisé en ce que l'on mélange un additif inorganique qui reste à l'état liquide jusqu'au moment où se produit une liaison de type céramique entre les composants solides du liant hydraulique. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que lton mélange camme additif une fritte céramique. 4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la fritte est constituée par un mélange de 0,16 à 0,6, de préférence 0 > 18 à à 0,42 mole équivalent, de A1203 ; 1,4 à 12,0, de préférence 2,0 à 9,5 moles équivalents, de Si02 et 0,4 à 3,5, de préférence 0,6 à 3,0 moles équivalents, de B203 pour 1 mole équivalent de Na20. 5. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la fritte est constituée par un mélange de 0,1 à 0,25, de préférence 0,15 à 0,2 mole équivalent, de A1203, de I,O à 2,5, de préférence 1,5 à 2,0 moles equivalents, de Si02 e t 0,3 à 1,5, de préférence 0,35 à 1,0 mole équivalent, de B203 pour 1 mole équivalent d'un mélange d'oxydes alcalins et alcaline terreux, ce dernier mélange étant composé de 0,3 à 0,6, de préférence 0,35 à 0,45 mole équivalent, de Na20 ; de 0,04 à 0,08 > de préférence 0,045 à 0,06 mole équivalent, de K2O et de 0,4 à 0,7, de préférence 0,5 à 0,6 mole équivalent de CaO. 6. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la fritte est mélangée au liant hydraulique dans un rapport pondéral de 1:0,5 à 10,- de préférence de 1:5. 7. Procédé selon la revendication I ou 2, caractérisé en ce que l'on ajoute comme additif inorganique au liant hydraulique de la poudre de verre et/ou des scories finement broyées. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que l'on mélange ensemble. 1 à 7 parties, de préférence 5 parties, de ciment ; b 5 parties, de préférence 2 parties, d'eau et 1 à 7 parties, de préférence 1 partie, d'additif. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédenteg, caractérisé en ce que l'on ajoute au mélange de liant hydraulique et d'additif, comme matériaux complémentaires d'allègement > des particules de matière synthétique expansée. 10. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que les particules de matière synthétique sont enrobées d'un matériau pour l'adhésion, avant d'être mélangées au liant hydraulique. 11. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le matériau pour l'adhésion est une résine dpoxy. 12. Procéde selon l'une~quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'on ajoute, comme matériaux complémentaires dans le mélange, des matériaux fibreux incombustibles, tels que des fibres d'amiante. 13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1à 8, caractérisé en ce que le matériau complémentaire ajouté est constitué par des granules d'argile expansée. 14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que le mise en forme de l'élément de construction a lieu au moyen d'un coffrage. 15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que l'on procède à un compactage par vibrage. 16. Procédé selon les revendications 14 et 15, caractérisé en ce que l'élément de construction est pourvu d'une armature en fer. 17. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que, pendant la mise en forme de l'élément de construction, on applique sur celui-ci des couches de revêtement métalliques ou non métalliques. 18. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 å 17, caracté- riséen ce que l'on accélère la prise du liant hydraulique par un chauffage.