Brevet FR2396632A1 — publié le 19790202

La présente invention a trait â un procédé perfectionné de préparation de corps moulés à base de plâtre et d'eau. On entend par plâtre généralement un mélange de formes plus ou moins hydratées de sulfate de calcium obtenues par calcination de gypse, et contenant une proportion prédominante de semihydrate CaS04, 0,5 H20. Toutefois de tels mélanges peuvent être constitués de toutes proportions allant de 100 % de semihydrate à 100 /ó d'anhydrite réactivable. Dans tous les cas la quantité d'eau de cristallisation est inférieure à 0,5 molécule d'H20 par molécule de sulfate de calcium CaS04. La prise de tels mélanges se fait par la fixation de l'eau complémentaire et l'obtention du dihydrate Ca S04 2H20. Diverses tentatives ont été faites dans le passé, pour réaliser la mise en présence du plâtre avec la quantité d'eau nécessaire à sa prise, en évitant les quantités excédentaires nécessaires au gâchage, excédents qui exigent une opération de séchage, sans fournir cependant des propriétés mécaniques très intéressantes. On connaît notamment le procédé du brevet français 1 511 233 qui traite sous pression importante un mélange pulvérulent à base de plâtre, les corps obtenus par tassement sont suffisamment cohérents pour être manipulés, puis soumis à l'action de la vapeur d'eau qui réalisera la prise du plâtre en gypse. On connaît aussi le procédé du brevet français 2 098 706 qui réalise le gâchage de plâtre naturel ou synthétique avec une quantité d'eau moindre que la quantité habituelle, 21 à 45 w' au lieu de 80 r, gâchage suivi de l'application de pressions 60 kg/cm2 ; ainsi on produit des corps dont la résistance à la compression est notablement améliorée par rapport au produit courant par gâchage. (220 kg au lieu de 48), mais la mise en oeuvre de tels mélanges est difficile. On connaît encore le procédé du brevet français 2 224 263 qui traite particulièrement les produits humides et chauds provenant de la fabrication d'hémihydrate alpha. De tels produits mis en forme sous pression avant leur refroidissement, mettant à profit les propriétés connues de l'hémihydrate alpha permettent de préparer des corps moulés très résistants, notamment en compression. A I'opposé des brevets précédents, la quantité d'eau utilisée ici est inférieure à la stoechiométrie, elle est complètée par une pulvérisation. La demanderesse a décrit dans les demandes 77/03561 et 77/10 080, des procédés de compactage de plâtre dans lesquels liteau nécessaire à la prise était fournie par du gypse apportant son humidité libre du matériau, humidité complètée au besoin. Un contrôle strict des proportions respec tives, des granulométries des matériaux et de la quantité d'eau excédentaire permettait, dans les conditions de mise en oeuvre, l'obtention de matériaux ayant des propriétés mécaniques très intéressantes sans aucun séchage Dans une variante le gypse pouvait etre remplacé par tout matériau susceptible de fournir l'eau nécessaire. Poursuivant ses recherches sur la mise en oeuvre et sur la prise de mélanges riches en plâtre, et sur le mode de mise en contact du plâtre sec et de l'eau, la demanderesse a abouti à la préparation de corps moulés présentant des propriétés mécaniques inattendues rendant aptes les corps moulés à desapplications variées, notamment comme matériaux porteurs. Le procédé de l'invention se rapporte à la préparation de corps moulés par compactage sous pression de mélanges essentiellement constitués de plâtre et d'eau, étant entendu que par plâtre on désigne un mélange de différents hydrates de sulfate de calcium ayant globalement moins d'une demi molécule d'eau de cristallisation par molécule de sulfate de calcium. On définit l'eau nécessaire à la prise complète d'un tel plâtre en établissant pour chaque plâtre le rapport en poids de la quantité d'eau nécessaire à la prise à la quantité de plâtre, on appellera ce rapport Rs ou rapport stoechiométrique Par exemple pour un plâtre constitué de 100 % d'hémihydrate Ca SO4, 0,5 H2O + 3/2 H2O # Ca SO4, 2H2 O 145 27 172 le rapport stoechiom8trique Rs est 27/145 = 0,186 Pour 100 % d'anhydrite III, Rs sera 36/t36 = 0,265 A chaque plâtre correspond donc un Rs qui tient compte de la composition en différents hydrates et en matières inertes. Selon l'invention, l'intervalle où on fixera le rapport eau/plâtre (e/P) sera Rs # e # (0,15 + Rs) P 0,88 On exprime ainsi que l'on doit travailler avec un excès d'eau par rapport à la stoechiométrie du plâtre considéré Et que cet excès d'eau d'eau, en o en poids par rapport au poids total compacté, doit être compris entre O et 12 % O 4 e - R5 4 0,12 P+e e = poids d'eau d'humidification P = poids de plâtre R = rapport stoechiométrique eau-plâtre pour le plâtre considéré. s Selon l'invention on met en oeuvre un plâtre sensiblement sec dans lequel la surface Blaine est comprise entre 500 et 15 000 cm2/g et la granulométrie entre 10 et 1 000 microns, le rapport stoechiométrique est compris entre 0,186 et 0,265, et on choisit la quantité d'eau en excès sur le rapport stoeehiométrique, telle que l'excès est compris entre O et 12 % ; on mélange intimement le plâtre et la quantité d'eau choisie, on place le mélange obtenu dans un moule, on applique une pression telle que la prise du plâtre est réalisée dans un temps très court, et on obtient une pièce moulée présentant des propriétés de résistances mécaniques élevées et qui n'a pas besoin de séchage. On choisit avantageusement un plâtre dont la surface Blaine est entre 600 à 12 000 cm2/g, et on choisit de préférence une surface Blaine entre 2 000 et 5 000 cm2/g. Les plâtres mis en oeuvre dans le procédé de l t invention proviennent de la calcination de gypses de toutes origines, par exemple de gypse naturel ou encore de gypse synthétique provenant notamment - de la fabrication industrielle des acides par attaque d'un sel de calcium par l'acide sulfurique, parmi ces fabrications on peut citer celles de l'acide phosphorique par attaque du phosphate de calcium par l'acide sulfurique, de l'acide fluorhydrique par attaque de la fluorine par l'acide sulfurique, de lucide borique et des acides organiques comme l'acide citrique, tartrique. - de la fabrication du carbonate de sodium ou de la rayonne, - de la préparation des phénols et de l'acide humique par action de l'acide sulfurique sur l'oxalate de calcium résiduaire, - de la neutralisation des effluents industriels acides par notam ment la chaux ou le carbonate de calcium Ces effluents acides peuvent avoir des origines diverses comme par exemple la fabrication industrielle de l'oxyde de titane par la voie sulfurique, les procédés de décapage dans la fabrication de l'acier, les procédés de raffinage, des sulfates de cuivre ou de zinc. La granulométrie des plâtres mis en oeuvre, comme on l'a dit, est généralement comprise entre 10 et 1 000 microns, et on choisit avec avantage dans cet intervalle une répartition granulométrique telle que la plus grande partie des particules ait une dimension comprise entre 20 et 600 microns. On choisit de préférence une répartition granulomé- trique telle que la plus grande partie des particules ait une dimension comprise entre 20 et 100 microns, une telle répartition granulométrique considérée comme resserrée est présentée notamment par les plâtres provenant de la calcination de phospho gypse. Il peut être mis en oeuvre selon l'invention divers plâtres à base de sulfate de calcium semi hydrate alpha ou à base de sulfate de calcium semi hydrate~béta. Ces plâtres peuvent contenir des nronortinns u'antiydrlte Il et - - -- -- d'anhydrite III, ainsi que des faibles quantités de matériaux inertes ou de gypse non calciné. On utilise avec avantage dans le procédé de l'invention des plâtres contenant une quantité prédominante de semihydrate béta. Le procédé de l'invention d'une manière surprenante, permet ainsi de fabriquer des corps moulés qui présentent des propriétés de résistance mécanique du meme ordre que celles des corps préparés jusqu'ici seulement à l'aide d'hémihydrate alpha. C'est ainsi que l'on obtient grâce à la mise en oeuvre de semihydrate béta dans le procédé de l'invention, des résistances en compression de plusieurs centaines de kg par cm2. Dans la mise en oeuvre du procédé de l'invention on prépare le mélange de plâtre pratiquement sec et d'eau, à l'aide de tout mélangeur par addition ménagée de toute la quantité d'eau voulue ; on opère de préférence par pulvérisation. On opère à température ambiante, par exemple entre 0 et 500 C, ou entre 20 et 500 C, car le mélange s1 échauffe légèrement à l'agitation et à l'humidification. Bien que la quantité d'eau définie ci-dessus représente les conditions les plus favorables selon l'invention, on peut encore choisir une quantité d'eau légèrement en dessous de la stoechiométrie et jusqu'à 15 % au dessus de la stoéchiométrie, et obtenir des matériaux utilisables. Selon l'invention, on préfère une quantité d'eau choisie entre 2 et 8 % au dessus de la stoechiométrie. Le mélange humide reste poudreux et dès que le mélange est réalisé on place la poudre humide dans le moule. On applique généralement une pression comprise entre 30 et 700 kg/cm2, et, le plus souvent, entre 30 et 250 kg/cm2. La limite inférieure de pression nécessaire au compactage est liée à la densité du matériau choisi, au minimum de l'ordre de 1,4, tandis que la limite supérieure est de l'ordre de 2,3. On utilise une vitesse de descente du piston qui peut aller selon les dimensions des pièces et les densités apparentes des poudres humidifiée, entre 0,1 et 50 cm par seconde. Le temps d'application de la pression nécessaire est très court, et les corps obtenus sont immédiatement manipulables. Cette rapidité constitue un avantage du procédé de l'invention. Un autre avantage est que les produits obtenus n'ont pas besoin de séchage. Le procédé permet l'addition d'adjuvants notamment les produits hydrofugeants tels que fleur de soufre, silicones enpouere ou en émulsion dans l'eau, les produits renforçants tels que la chaux, le sulfate d'alumine, les charges, etc. Selon une variante avantageuse du procédé de l'invention, on peut introduire des charges inertes telles que gravier ou kaolin, on choisit alors une quantité d'eau de tordre de 15 ó en excès sur la stoechiométrie. Les matériaux obtenus par le procédé de l'invention présentent des performances mécaniques élevées. On obtient notamment des résistances en compression allant de 70 kg/cm2 à plus de 600 kg/cm2 et des résistances en flexion allant de 30 à plus de 120 kg/cm2 selon la densité finale obtenue par compactage. Les matériaux obtenus sont utilisables dans de très nombreux domaines. Ils sont notamment susceptibles de remplacer soit des éléments en plâtre soit des éléments en béton ou en brique. Le remplacement d'éléments connus en plâtre par les matériaux de l'invention apporte les avantages suivants - une mise en oeuvre et des performances moins liées à la provenance et aux caractéristiques du plâtre, - l'économie de l'énergie de séchage : l'excès d'eau de travail, inférieur à 12 %, selon l'invention, permet d'obtenir systémati quement moins de 5 5 d'humidité après abandon 24 H. aux conditions ambiantes, sans aucune opération de séchage, - une tenue à lteau très améliorée, d'autant plus que la densité finale est élevée. Ces matériaux peuvent, de plus, remplir des fonctions porteuses, qui n'étaient pas remplies jusqu'ici par des éléments en plâtre. Dans le remplacement d'éléments en béton ou en terre cuite les maté présentent riaux de l'invention/des performances équivalentes ou meilleures, comme la résistance en flexion, et des avantages supplémentaires comme le fini, qui permet le montage rapide sans lit de mortier et sans enduction sur les faces, l'isolation, et d'autres avantages. Il est particulièrement avantageux de choisir un plâtre provenant de la calcination de gypse co-produit de la fabrication d'acide phosphorique par l'un des procédés décrits dans les brevets français 1 125 849, 1 181 150, I 327 693 ; ce sous produit étant éventueloment purifié selon le procédé de l'un des brevets français 1 601 411 et 75 12 923 et calciné selon le procédé de l'un des brevets français I 601 411, 75 16119 ou 2 257 326. Les exemples suivants sont donnés à titre d'illustration et non de limitation du procédé de l'invention. EXEMPLES Dans tous les essais 1 à 8 on a réalisé le mélange dans un agitateur planétaire. On place le plâtre dans le mélangeur et pendant l'agitation on rajoute lentement l'eau à température ambiante, par pulvérisation ; on poursuit l'agitation une minute après la fin de l'addition d'eau, et sans perte de temps on place un poids choisi du mélange, convenant à la dimension du moule, ici 12 cm X 4 cm X 16 cm. On compacte jusqu'au volume final 4 cm X 4 cm X 16 cm = 256 cm3, on mesure la pression nécessaire. Le piston descend ici à une vitesse de 1 cm/sec. On ne laisse aucun temps d'application de la pression et on démoule immédiaiment. On abandonne l'éprouvette à l'ambiante pendant 48 H. et on mesure ensuite selon les méthodes normalisées ses performances (résistance en flexion, résistance en compression, exprimée en kg/cm2, et que l'on appelle respectivement "flexion't et "compression'') ainsi que sa densité. On a porté dans le tableau I les conditions opératoires et les résultats obtenus. EXEMPLE I On met en oeuvre un plâtre préparé par calcination en lit fluide par chauffage indirect, réalisé selon le procédé de la demande français 75/16119 à partir d'un gypse co-produit d'une fabrication d'acide phosphorique à partir d'un minerai de Togo et d'acide sulfurique. Ce plâtre a une surface- Blaine de 2 250 cm2/g la plus grande partie des particules a une dimension entre 20 et 100 microns et 5 % seulement des particules ont une dimension supérieure à 125 microns. I1 contient 80% de semihydrate béta, 181o d'anhydrite III et 1 Só de gypse, ainsi que 1 % de matière non réhydratable comme silice etc. La stoechiométrie est de 19,65 g. d'eau pour 100 g. de ce plâtre. On mélange 390 g. de plâtre et 68,8 g. d'eau, la stoechiométrie aurait été de 76,6 g. dleau donc le défaut d'eau est ici de 1,7 % par rapport au poids total compacté. On applique 128 kg de pression et on obtient un matériau de densité 1,72 dont les résistances sont respectivement : en flexion 39 kg/cm2, en compression 309 kg/cm2. EXEMPLES 2, 3 et 4 on met en oeuvre le même plâtre que dans l'exemple 1. EXEMPLE 5 On met en oeuvre un plâtre de préfabrication d'origine naturelle dont la surface Blaine est 1 850 cm2/g. et dont 60 % des particules à une dimension supérieure à 125 microns. Il contient : 70 t%Q de semihydrate forme béta, anhydrite III : 12 %, anhydrite II : 8 % inertes : 10 %. La stoechiométrie est de 18,31 g. d'eau pour 100 g. de ce plâtre. On mélange 516 g. de plâtre et 84 g. d'eau ; la stoechiométrie aurait exigé 94,48 g. d'eau donc le défaut d'eau est ici de 1,75 % pour le poids total compacté. On applique 620 kg. de pression et on obtient un matériau de densité 2,25, flexion 35 kg/cm2, compression 470 kg/cm2. Les matériaux des essais 1 et 5 ont été obtenus avec un défaut d'eau e/p s, ils n'ont qu'unie résistance en flexion moyenne, malgré leur densité finale importante. Ils présentent cependant d'excellentes résistances en compression. TABLEAU I 1 : 2 : 3 : 4 : 5 : 6 : 7 8 Poids de plâtre(g): 390 : 370 : 37Q : 320 : 516 : 446 : 419 : 420 Poids d'eau (g) : 68,8: 96,7 : 123 : 69,5: 84 : 94 : 121 : 73 Stoechiométrie . . . . . (eau en g.) : 76,6: 72,7 : 72,7 : 62,9:94,5 : 81,8 ; 76,7 : 76,9 Excès ou défaut : d'eau (% du total) - 1,7: + 5,1:+ 10,2: +1,7:-1,75:+ 2,27: + 8,2 0,8 Pression (kg/cma) : 128 : 96 : 80 : 60 : 620 : 145 : 112 : 25 Densité finale :1,72 : 1,68 : 1,66: 1,43: 2,25: 2,0 : 1,91 : 1,5 Flexion (kg/cm2) : 39 : 104 : 64 : 55 : 35 : 69 : 83 : 31 Compression : : : : : (kg/cm2) : 309 : 358 : 290 : 160 : 470 : 390 : 320 : 70 Les matériaux des exemples 2, 3 et 4 obtenus à partir d'un plâtre synthétique possédant les caractéristiques préférées selon l'invention, surface Blaine et répartition granulométrique, possèdent d'excellentes propriétés mécaniques à la fois en flexion et en compression, pour des densités relativement faibles et des pressions de compactage très modérées. Les matériaux des exemples 6, 7 et 8 sont obtenus à partir du même plâtre naturel que dans l'exemple 5 précédent. Ils n'exigent que des pressions de compactage faibles. Les matériaux des essais 6 et 7 ont des propriétés très interessantes de flexion et compression, ils nécessitent toutefois une consommation plus importante de matière que les matériaux de performances équivalentes obtenus à partir de gypse synthétique. EXEMPLES 9, 10, 11 A titre de comparaison, on réalise la même mise en oeuvre que dans les essais précédents mais en travaillant entre 60 et 700 C au lieu de la température ambiante. Le plâtre mis en oeuvre est le meme que dans l'exemple 1. I1 est constitué en grande partie de semihydrate béta. On obtient, malgré la température, la prise de ce plâtre sous compactage et la production de pièces moulées. Après démoulage on place les éprouvettes plusieurs heures en atmosphères humide saturée, en vue de complèter leur prise ; puis les éprouvettes sont abandonnées 48 heures à l'ambiante et on opère alors les mesures de flexion, compression et densité. TABLEAU II 9 : 10 : 11 TEMPERATURE C : 70 : 60 : 63 Poids de plâtre(g): 303 :305,4:347,6:327,6 : 327 :cassée392,4:306,4:cassée Poids d'eau (g) :67,5 : 68 : 77,4: 49,6 : 49,6 : :51,1: 39,9: Stoechiométrie t (eau en g.) Excès ou défaut : : : : d'eau (% du total): + 3 : + 3 : + 3 : - 3 : - 3 : : - 5 : - 5 Pression (kg/cm2) : 60 : 60 : tri : 80 : 80 : 80 : 126 : 60 : 96 Perte de poids en : : : : atmosphère humide%: 2,7 : 3 : 3 : 1,9 : : : 1,9 : 1,9 Pertes de poids : : : : : : : : : en 48 H. % à : 4,9 : 5,1 : 5,1 : 4,5 : 4,5 : : 4,3 l'ambiante : : : : : : : : Densité finale : 1,38:1,38 : 1,58: 1,41 : 1,41 : : 1,66:1,29 Flexion (kg/cm2 : 27 : 29 : 25 : i6 : 13 : : 16 : 10 Compression : : : : : : : : (kg/cm : 100 : 140 : 150 : 120 :cassée: : 170 : 66 La comparaison des essais 9 avec ceux des exemples précédents réalisés à température ambiante, montre que les résultats dans les propriétés mécaniques sont inférieure. On observe, de plus, une perte de poids notable en atmosphère humide, qui ne compense pas le défaut d'eau. Dans les essais 10 et 11 une proportion importante d'éprouvettes sont fendues ou cassées, ce qui confirme la faible résistance en flexion les éprouvettes ont un aspect poudreux au démoulage ; celles des essais 11 restent poudreuses après le séjour en atmosphère humide et le séchage de 48 H. à température ambiante. REVENDICATIONS 1 - Procédé de préparation de corps moulés par compactage sous pression de mélanges essentiellement constitués de plâtre et doleau, plâtre désignant un mélange de différents hydrates de sulfate de calcium ayant globalement moins d'une demi molécule d'eau de cristallisation par molécule de sulfate de calcium caractérisé en ce que l'on met en oeuvre un plâtre sensiblement sec présentant une surface Blaine comprise entre 500 et 15 000 cm2/g. et une granulométrie comprise entre 10 et 1 000 microns, et on choisit la quantité d'eau nécessaire à la prise ultérieure du plâtre en excès sur la stoechiométrie de O à 12 % du poids total du mélange, on mélange intimement le plâtre et l'eau, on place le mélange obtenu dans un moule, on applique une pression telle que la prise du plâtre soit réalisée dans un temps très court et on obtient un corps moulé sans séchage et qui présente des propriétés de résistance mécanique élevées. 2 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'on choisit un plâtre dans la surface Blaine et comprise entre 600 et 12 0OOcm2/g. 3 - Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on choisit un plâtre dont la surface Blaine est comprise entre 2 000 et 5 000cm2/g 4 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que llon choisit un plâtre obtenu par calcination de gypse naturel. 5 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on choisit un plâtre obtenu par calcination de gypse synthétique. 6 - Procédé selon la revendication i, caractérisé en ce que l'on choisit un plâtre dont la répartition granulométrique est telle que la plus grande partie des particules ont une dimension comprise entre 20 et 6oo microns. 7 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on choisit un plâtre dont la répartition granulométrique est telle que la plus grande partie des particules ont une dimension comprise entre 20 et 100 microns. 8 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on choisit un plâtre constitué en grande partie de semihydrate béta. 9 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on réalise le mélange de plâtre et d'eau à température ambiante entre 0 et 50 C. 10- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on choisit un excès d'eau sur la stoechiométrie entre 2 et 8 %. 11- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on applique une pression comprise entre 30 et 700 kg/cm2 12 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on applique une-pression comprise entre 50 et 250 kg/cm. 13- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on applique une vitesse de compactage entre 0,1 à 50 cm/sec. 14- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on mélange intimement le plâtre, une charge inerte et une quantité d'eau en excès sur la stoWechiométrie pouvant atteindre 15 Mo du poids total du mélange. 15- Procédé selon la revendication l, caractérisé en ce que l'on ajoute au mélange plâtre et eau l'un au moins des adjuvants choisis dans le groupe constitué par les agents hydrofugeants, les agents renfor ayant8 , les agents neutralisants, les charges. 16- Corps moulés obtenus selon le procédé de l'une quelconque des reven dications précédentes et présentant à la fois des résistances en flexion et-des résistances en compression élevées. 17- Application des matériaux obtenus selon le procédé de l'une quelconque des revendications 1 à 15 précédentes à la fabrication de carreaux, blocs, plaques, composites juxtaposés, cloisons, facades, gaines, planchers, et matériaux porteurs tels que cloisons et poutres porteuses.