Brevet FR2281338A1 — publié le 19760305

La présente invention concerne la réalisation de bétons fibreux réfractaires tels que ceux qui sont utilisés dans le cadre de la fabrication d'éléments ou rev8tements pare-feu. On sait que la protection contre les incendies, qui nécessite d'autant plus de précautions que l'importance des baAtiments augmente, peut etre faite de nombreuses manières, parmi lesquelles l'une des plus simples consiste à projeter sur les murs porteurs et les poutres métalliques des enduits isolants incombustibles qui leur permettent de résister à haute température en attendant l1in- tervention des services incendie. Les bétons fibreux à base d'amiante sont, pour cet emploi, déjà connus et utilisés à grande échelle. Ils ont deux inconvénients. Leur limite d'emploi ne dépasse pas 800 C, température jugée actuellement limite dans de nombreux cas. L'amiante est, d'autre part, considérée comme un produit réputé cancérigène ; son emploi est donc de plus en plus prohibé. Certes, on connatt des bétons fibreux à fortes proportions de fibres céramiques, titrant 40 à 60 % d'alumine, bétons utilisables Jusqu'à I2000C, mais ces bétons sont d'un prix de revient élevé car 1'élaboration de ces fibres de céramique est elle-mme onéreuse comparativement aux prix actuels de l'amiante. On a bien entendu essayé aussi de faire des bétons fibreux à base de fibres minérales telles que la laine de roche, mais audelà de 600-7000C, ces bétons deviennent pulvérulents et présentent un retrait important, par suite d'une recristallisation de la laine de roche. La qualité de ces bétons est donc nettement inférieure à celle d'un béton à base d'amiante. La présente invention, due aux travaux de NM. KIEHL Jean Pierre et REMI Jean-Pierre > résulte de l'observation que l'ajout, dans un béton de laine de roche et de ciment portland, d'une faible proportion de fibres céramiques et d'une certaine fraction de ciment alumineux, permet de porter la limite d'emploi du béton fibreux ainsi obtenu à plus de 800ex, certaines compositions pouvant même betre utilisées jusqu'à I2000C. L'invention a ainsi pour objet une composition pour béton fibreux réfractaire qui contient une proportion non négligeable de chacun des quatre constituants suivants 1) - fibres minérales, essentiellement constituées de silico aluminates alcalino-terreux, telles que la laine de roche, 2) - fibres céramiques, essentiellement constituées de silica tes d'aluminium, 3) - ciment portland, 4) - ciment alumineux. La proportion des fibres céramiques dans la composition peut être relativement faible, eu égard au prix élevé de ces fibres. Elle est avantageusement comprise entre 5 % et 50 ss du poids de la composition totale. De préférence, elle est au minimum de 5 % et au maximum de 35 ffi en poids, car au-delà de cette valeur, les fibres céramiques ajoutées en supplément n'améliorent guère la résistance aux températures élevées des bétons obtenus alors que leur prix de revient croît rapidement. Les fibres utilisées sont avantageusement des fibres de 40 à 60 ffi en poids d'alumine, contenant moins de 2 ffi en poids d'oxydes alcalins et alcalino-terreux, du type des fibres connues sous la dénomination commerciale "Kerlane". Les fibres minérales peuvent être utilisées en proportions nettement plus importantes que les fibres céramiques. Ces proportions sont avantageusement comprises entre 20 et 87 % en poids, et de préférence entre 35 et 85 % en poids par rapport à la composition totale. I1 peut s'agir notamment de laines de roche, du type de celle connue sous la dénomination commerciale "Banrock", qui contiennent en général plus de 30 ffi en poids d'oxydes alcalinoterreux, notamment de chaux. La proportion globale des deux types de ciments dans la masse totale de la composition est avantageusement de IO à 30 %, et de préférence voisine de I5 % en poids. De préférence, la proportion de ciment alumineux par rapport au ciment portland est au minimum de I/4 et au maximum de I/2. Ainsi, la majeure partie du liant hydraulique peut eAtre constituée de ciment portland ordinaire. Celui-ci peut toutefois être remplacé par tout type de ciment artificiel. On peut notamment, dans une composition destinée à la constitution de bétons de couleur claire, utiliser du ciment blanc, en association avec du ciment "super-alumineux" formé d'aluminate de calcium pur à 75 % d'alumine et 25 % de chaux, alors que dans le cas général, on emploie un ciment alumineux obtenu par fusion d'un mélange de bauxite et de calcaire du type du ciment fondu oommercialisé par la Société Lafarge. De plus, on restera également dans le domaine de inven- et/ou de la laine de roche tion en remplaçant une partie du ou des elements\par une matière mi- nérale pulvérulente/telle que, entre autres, l'argile, l'alumine, le kiéselguhr, la perlite expansée, la vermiculite expansée. Cependant, les compositions préférées permettant d'atteindre les températures d'emploi les plus élevées se situent approximati- vement aux proportions suivantes Laine de roche..................... roche 75 % Fibres céramiques.* IO % Ciment portland IO % Ciment alumineux fondu 5 % La composition pour bétons fibreux réfractaires selon l'invention peut entre mise en oeuvre selon toute technique classique, impliquant d'une manière générale, un malaxage des constituants avec addition d'eau. Le mélange obtenu peut ensuite Qtre mis en forme par tout procédé classique et il durcit par prise hydraulique. Un mode de mise en oeuvre préféré consiste, selon l'invention, à mélanger d'abord à sec les fibres minérales et les fibres céramiques. Lorsque le mélange homogène des fibres est obtenu, on introduit dans le malaxeur le ciment portland, puis le ciment alumineux, et le malaxage est avantageusement poursuivi pendant une durée variant de I à 15 nn en présence d'un minimum d'eau, de manière à obtenir des grumeaux homogènes de I à 8 mm de diamètre. Dans ces grumeaux, les fibres se trouvent enrobées d'une fine pellicule formée par les ciments. Les bétons ainsi obtenus peuvent notamment Entre mouillés pour être projetés à la truelle ou avec tout appareil adéquat pour la projection de bétons humides. Les appareils servant à la projection des enduits dits "d la tyrolienne" conviennent tout parti culièrement. Lorsque les bétons fibreux sont destinés à entre projetés dans une machine à mouillage au bec de projection, on peut introduire dans la composition 0,5 % de carbonate de soude pour accélé- rer la prise à la pose. Pour améliorer leur dureté superficielle ou dans la masse, on peut également introduire soit dans les bé- tons eux-mEmes, soit dans l'eau de projection quelques O,I % de colles organiques ou minérales, telles que le produit constitué de ligno-sulfates alcalins connu sous la dénomination nAvébène", la carboxgmdthyl-cellulose, le silicate de sodium, l'oxychlorure d'aluminium.Ces ajouts sont utilisés en proportion généralement inférieure à I ffi au total, de manière à ne pas affecter la réfractarité du béton fibreux finalement obtenu après durcissement. Le béton mis en forme par projection présente généralement une densité apparente inférieure à 0,5, et de préférence inférieure à 0,3. Toutefois, pour certaines applications, on peut également compacter le béton à plus de 0,5 de densité apparente. L'invention permet d'obtenir des bétons fibreux, essentiellement constitués de fibres minérales telles que la laine de roche, de fibres céramiques et d'un liant à base de ciment portland et de ciment alumineux, qui après durcissement, présentent de bonnes qualités réfractaires, supérieures à celles des bétons classiques à base de laine de roche, pour un prix de revient inférieur à celui des bétons classiques à base de fibres céramiques. I1 semble que les bonnes qualités réfractaires des bétons selon l'invention soient dues à la formation de pseudo-wollastonite et de gehlénite, composés cristallisés dont on observe la présence dans les bétons ayant été chauffés à au moins 8000C. I1 semble plus précisément que lorsque l'on élève la température, les fibres céramiques servent d'élément inerte, maintenant la structure du béton en place, aux températures où les fibres minérales se ramollissent, en formant dans les bétons classiques une phase vitreuse non réfractaire, et que pour les compositions de bétons selon l'invention, ces fibres minérales réagissent alors avec le ciment alumineux et le ciment portland en cristallisant sans retrait en pseudo-wollastonite (CaO, Silo2) et en gehlénite (2Ca0, A1203, Silo2), composés à point de fusion supérieur à I5000C, donc réfractaires. En général, le post-retrait des bétons durcis obtenus selon l'invention est à 8000C inférieur à 2 %, après chauffage d'un échantillon conformément à la norme ASTM C 210-68 , mais les bétons obtenus à partir d'une composition où les constituants sont dans les proportions préférées indiquées ci-dessus n'atteignent les 2 % de post-retrait qu'à I000 C, ou meme qu'à I2000C, et ils peuvent donc être utilisés jusqu'à ces températures. Les bétons fibreux objet de cette invention s-ont essentiellement destinés à être projetés pour la protection anti-feu des bâtiments, mais ils peuvent également autre utilisés comme bétons réfractaires isolants de premier rang ou de deuxième rang, derrière une maçonnerie, dans tous types de fours, de récupérateurs thermi ques ou d'installations de traitement thermique. De même, bien que la projection soit particulièrement adaptée à la réalisation des revetements pare-feu, les bétons peuvent également, par exemple, servir, par moulage en forme, à la confection de coquilles, de panneaux plans, ou de pièces de toute autre forme, ou encore de blocs dans lesquels, après prise et séchage, on peut tailler des dalles ou des pièces de forme utilisables par l'industrie réfractaire. Les exemples ci-après, nullement limitatifs, illustrent la mise en oeuvre de l'invention dans des cas particuliers. Dans ces exemples, on utilise comme matières premières pour la constitution de bétons fibreux réfractaires a) Laine de roche connue sous la dénomination cammerciale "Banrock" Analyse : % poids SiO2 42,3 A1203 I2,7 Fe203 0,8 TiO2 0,5 CaO 39,2 MgO 4,2 Na2O + K20 0,3 Température limite d'emploi : 7000C Dimensions des fibres Longueur moyenne : IO à 20 mm Diamètre moyen : 5 microns b) Fibres céramiques à 45 % d'alumine connues sous la déno mination commerciale "Kerlane" Analyse : ffi poids SiO2 5I/53 Al O 45/46 Fe2O3 o,8 TiO2 I,O CaO 0,2 MgO 0,2 Na20 O,I K20 O,I Température limite d'emploi : I2600C Dimensions des fibres Longueur moyenne : IO à 20 mm Diamètre moyen : 2,5 microns c) Ciment portland qualité HTS de la Société Lafarge d) Ciment alumineux qualité ciment Fondu de la Société Lafarge. Les compositions utilisées sont réunies dans le tableau ciaprès pour 5 exemples, l'exemple I concernant à titre de comparaison une composition sans fibres céramiques. Compositions - % poids Exemple 1 2 3 4 5 Fibres Banrock 85 80 75 70 75 Fibres Kerlane 0 5 I0 I5 I0 Ciment HTS IO IO IO IO I2 Ciment Fondu 5 5 5 5 3 La mise en oeuvre de ces différentes compositions est effectuée selon le schéma suivant - malaxage dans un malaxeur Eirich à rateaux pendant I5 mn ; - obtention de grumeaux de I à 5 mm ; - projection à l'air comprimé avec mouillage au bec de panneaux de 60 mm d'épaisseur. Après prise de 48 heures et séchage à IIO C, les résultats suivants ont été obtenus Exemple I 2 3 4 5 Densité apparente 0,39 0,40 0,35 0,36 0,32 Résistance mécanique kg/cm2x à I0 % écrasement 0,5 0,4 0,4 0,5 0,2 à 20 % écrasement I,2 I,I I,0 I,0 0,6 à 30 % écrasement I,5 1,5 1,4 I,5 I,O Post-retrait ASTM C 210-68 après 24 h de chauffage à 800C 4,8 I,O 0,5 0,5 2,2 I000 C 6,6 2,6 I,O 0,6 5,4 II00 C 4,0 I,2 I,3 120000 I,5 1,8 x selon l'application de la norme ASTM C 93-67 Naturellement, l'invention ntest pas limitée à ces exemples, non plus qu'aux différents modes de mise en oeuvre qui ont été décrits plus particulièrement. Elle en englobe, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1) Composition pour bétons fibreux réfractaires, caractérisée en ce qu'elle contient une proportion non négligeable de chacun des quatre constituants suivants - fibres minérales essentiellement constituées de silico-aluminates alcalinoterreux, telles que la laine de roche, - fibres céramiques essentiellement constituées de silicates d'aluminium, - ciment portland, - ciment alumineux 2) Composition selon la revendication 1, caractérisée en ce qutelle contient une proportion de fibres céramiques comprise entre 5 % et 50 % en poids, et de préférence incluse entre 5 % et 35 % en poids 3) Composition selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la proportion globale des deux ciments dans la composition est comprise entre 10 et 30 % en poids, et de préférence de l'ordre de 15 % en poids. 4) Composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le rapport du poids de ciment alumineux au poids de ciment portland est compris entre 1/4 et 1/2. 5) Composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que lesdits quatre constituants sont présents dans la composition dans lès proportions approximatives suivantes, en poids Fibres minérales ... 75 % Fibres céramiques 10 ffi Ciment portland ,... 10 % Ciment alumineux .... 5 % 6) Composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les ciments et/ou les fibres minérales sont partiellement remplacés par une charge minérale inerte. 7) Procédé de mise en oeuvre d'une composition pour bétons fibreux réfractaires, selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il consiste à malaxer ladite composition en présence d'eau, de préférence après malaxage à sec des fibres minérales et céramiques. 8) Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le malaxage de la composition complète est effectué de manière à obtenir des grumeaux de 1 à 8 mm de diamètre 9) Procédé selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce qu'il consiste en outre à mettre en forme le mélange obtenu et à le faire durcir par prise hydraulique. 10) Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que la mise en forme est réalisée par projection. 11) Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que l'on ajoute à ladite composition une colle minérale ou organique, en une proportion de préférence inférieure à 1 fui en poids. 12) Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 11, caractérisé en ce que 1 on ajoute à ladite composition du carbonate de soude, en une proportion de préférence de l'ordre de 0,5 ffi en poids. 13) Béton fibreux réfractaire tel qu'obtenu par le procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 12; 14) Béton fibreux réfractaire caractérisé en ce qu'il est essentiellement constitué de fibres minérales telles que la laine de roche, de fibres céramiques et d'un liant à base de ciment portland et de ciment alumineux. 15) Béton selon la revendication 14, caractérisé en ce que ses constituants et leurs proportions correspondent à ceux d'une composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 16) Béton selon la revendication 15, caractérisé en ce que lesdits constituants sont partiellement sous forme de pseudo-wollastonite et de gehlénite 17) Application d'un béton selon l'une quelconque des revendications 13 à 16 à la réalisation d'éléments ou revêtements pare-feu.