Brevet FR2490626A1 — publié le 19820326

La présente invention concerne l'utilisation des sols ferrugineux,latéritiques,ferrallitiques ou associés rencontrés principalement dans les régions méditerranéennes, tropicales et équatoriales, et les régions géologiquement équivalentes du globe terrestre,pour fabriquer des briques ou autres objets utilisables dans le batiment. On utilise la réaction de consolidation chimique par conctjtution d'un liant du type Géopolymère obtenu par réaction entre les différents constituants de ces sols ,avec au moins une base alcaline concentrée NaOH/KOH, puis une cuisson modérée ,à une température au maximum égale à 5000C Ces sols qui sont généralement désignés sous le terme très vague de " latérite " sont riches en sesquioxydes de Fer et d'Aluminium tels que goethite,hématite,gibbsite et boemite. La matrice argileuse est en général à base de alumino-silicates hydratés du type Si02/A1203=2( type kaolinitique) ou SiO2/A1203= 4(type montmorionntique) ou plus .Dans les régions du globe où l'on rencontre ces sols,il est en général assez difficile de fabriquer des briques parles procédés de cuisson traditionnels, à haute température vers 9000C-11000C. Le procédé le plus simple consiste simplement à prendre ces sols et à les sècher à l'air.C'est la technique du pisée,et de la brique sèchée au soleil,fortement utilisée dans la majorité des pays d'Afrique .Un procédé plus élaboré consite à mélanger ces sols avec du ciment artificiel du type Portland, et de réaliser des blocs ou briques par liaison hydraulique.Les résultats commencent à etre satisfaisants pour des quantités de ciment au moins égales à 4QO-450 kgs par m3,généralement 500 kgs par m3.0n a proposé de faire réagir les sols "latérites " avec de la chaux Ca(OH)2,soit en utilisant la technique de la réaction silico-calcaire en autoclave ,par exemple en extapolant le procédé décrit dans le brevet français nO 1.501.753 et son certificat d'addition nO 2.092.936 , soit selon la technique de étuve humide à 970C telle que décrite par T.Ringsholt et T.C.Hansen dans la revue " Ceramic Bulletin " Vol.57,No.5 (1978) ,page 510:: Lateritic Soil as a Raw Material for Building Blocks .Dans les brevets français cités ,on utilise un matériau contenant moins de 50% en poids de matrice argileuse, et on ajoute 30% en poids de chaux , c'est à dire environ 60% en poids par rapport à la matrice argileuse.Dans le procédé en étuve à 970C ,pour un sol latérite contenant environ 30% en poids d'argile kaolinite ,on ajoute 17% en poids de chaux, soit également environ 60% en poids par rapport à la matrice ar gileuse.Les produits réalisés en autoclave sont des silicoaluminates du type CSH,alors que la cuisson en étuve humide à 970C aboutirait à la formation d'un aluminate tricalcique hydraté du type C3AH6.Les résultats obtenus varient pour la résistance à la compression de 25 Mpa pour le C3AH6 à 90 Mpa pour le CSH. Au lieu d'utiliser la chaux Ca(OH)2, on peut faire réagir les argiles avec la soude caustique NaOH concentrée.Ainsi le brevet allemand nO 600 327 du 28 Mai 1932 décrit un procédé de fabrication d'objet à partir d'une argile ayant réagit avec de la soude caustique NaOH,avec cuisson entre 1500C et 5000C .La constitution chimique de cette argile était: perte au feu 8,25/SiO2 51,55/Fe203 8,55/A1203 20,60/ MgO 2,75 /Na20 5,20/ K20 5,20/S03 1,35 ,c'est à dire une argile du type SiO2/A1203égale ou supérieure à 4 .Les études effectuées par la demanderesse montrent que lorsque le rapport molaire SiO2/A1 03 est supérieur à 2 , le produit de la réaction avec la soude caustique NaOH est d'une part un silico-aluminate du type des Géopolymères Poly(sialate) dé nommé Hydroxysodalite ( Na20, A1203,2Si02,8H20 ) , avec d'au- tre part en plus formation importante de silicate de sodium. Or ce silicate de sodium migre vers la surface ,mobilise une grande partie de la soude NaOH disponible pour la réaction de formation du Poly(sialate) ,si bien que les produits élaborés selon ce système ne sont pas stables à l'eau ,dans leur intégralité. Comme il est décrit dans la publication " Préparation de sodalite et de noseane à basse température à partir de minéraux phylliteux" Bulletin Groupe Français des Argiles tome XXII,pages 5-16 (1970), par H.Besson,S.Caillère,S.Hénin, R.Prost,les matériaux argileux qui réagissent bien avec la soude NaOH avec formation du Poly(sialate) Hydroxydodalite sont: la kaolinite,l'halloysite , les argiles à Si02/Al203=2 le type montmorionnite, pyrophyllite, muscovite ,les argiles SiO2/A1203=4 ou supérieur à 4 produisant un silicate de sodium qui doit etre éliminé.Les meilleurs résultats techniques sembleraient etre obtenus avec la kaolinite ,comme on peut le voir dans le brevet soviétique n.O 19 3335 du Bulletin des Inventions n06,1967 et rapporté dans la publication :" Des Mat-ériaux non cuits ,à base de kaolin, pour les surfaces apparentes des bâtiments " dans Stroitel'nye materialy n010, 1970,page 22 par L.G.Berg,B.A.Demidenko et coll..Avec un rapport molaire Na20/Al O égal à 0,6 soit environ 19% par rapport au poids de la matrice kaolinique on obtient après cuisson à 1500C pendant 4 heures un matériau ayant une résistance à la compression de 100 Mpa Cette façon de travailler n'est cependant valable que pour de faibles épaisseurs ; en effet l'expérience montre que la cuisson à cette température ,pour des objets d'épaisseur supérieure à 10 mm, entraine une migration de la soude NaOH de l'intérieur~vers l'extérieur de l'objet.Ces objets possèdent une peau extrèmement dure mais un intérieur constitué d'argile qui n'a pas réagi et qui se détruit à l'eau. Le procédé selon l'invention permet de remédier à ces défauts rencontrés dans l'utilisation de la réaction des sols avec la soude NaOH.Pour les sols dont la matrice argileuse est de la kaolinite ,SiO,/A1203 =2 ,le procédé évite la migration de la soude NaOH. Lorsque-la matrice argileuse a un rapport Si O /Al supérieur O 2 2 3 supérieur à 2 ,le procédé évite la formation nuisible de silicate de sodium soluble. Pour des matrices argileuses dont le rapport SiO2/A1203 est inférieur à 2 (latérite riche en alumine libre) , le procédé selon l'invention permet l'utilisation optimale de ces matériaux On procède tout d'abord en sèchant les sols pour élimner le maximum d'eau et faciliter le broyage.Le réactif alcalin est ajouté à l'état de poudre ,généralement accompagné d'un additif minéral permettant de corriger la nature argileuse du sol, et le mélange sol+réactif alcalin est broyé en poudre, par exemple dans un broyeur à marteaux.Ce mélange en poudre peut etre stocké pendant une longue période si nécessaire.Il est ensuite humidifié dans un malaxeur ,afin d'obtenir une pâte semi-plastique , les quantités d'eau dépendant exclusivement de la nature de chaque sol.Ce mélange semi-plastique est ensuite laissé à maturer pendant au moins 24 heures, de préférence au moins 48 heures à une température inférieure à 450C ,dans un endroit clos.Après maturation,l'objet est confectionné à la presse ,par exemple pour en faire une brique.Cette brique crue est alors placée dans une étuve non ventilée ,de préférence humidifiée ,à une température comprise entre 700C et 950C, de préférence 850C,pendant au moins 1heure, de préférence 2 heures.Cette zone de température correspond à une transformation ou dégradation des alumino-silicates en des gels silico-aluminates de sodium qui sont les précurseurs de la polycondensation des géopolymères Poly(sialate) du type Hydroxysodalite.La soude NaOH est ainsi fixée et ne migre plus.Les produits obtenus après cet étuvage ont déjà des caractéristiques mécaniques acceptables pour en faire des briques.Lorsque la matrice argileuse est du type SiO2/Al O = 2 , les produits étuvés à 850C sont stables à l'eau et peuvent etre employés tels quels dans le batiment. Les silico-aluminates de sodium étant fixés on peut alors faire subir aux produits des traitement thermiques postérieurs,à des températures plus élevées.Il a été cependant remarqué,que l'optimum des caractéristiques était obtenu pour des températures de cuisson comprises entre 3700C et 5000C,pendant au moins 1 heure,de préférence pendant 2 à 3 heures selon l'épaisseur du produit. Les sols ferrugineux (terra rosa),ferralitiques, latérites des régions dites méditerranéennes ou équivalentes, tropicales et équatoriales répondent au moins à l'une des trois catégories de matrice argileuse, caractérisées par le rapport molaires SiO,/A1 0 inférieur, égal ou supérieur à 2 .On a groupé dans21e Tableau différents sols et les matrices argileuses , selon la classification de Ph.Duchauffour, Traité de Pédologie,Edition Masson et Cie,Paris 1970. SOLS MATRICE ARGILEUSE SiO2/Al 203 sols méditerranéens Kaolinite égal 2 (Terra Rosa ) montmorionite supérieur à2 Ferrugineux tropicaux Kaolinite égal 2 Ferralitiques Kaolinite et inférieur à2 Gibbsite Latérites Gibbsite/Boemite inférieur à2 et Kaolinite D'autres sols contiennent en plus des pyrophylites, chlorites, vermiculites,muscovites correpondant à SiO2/A1203 supérieur à 2 . Pour les sols dont la matrice argileuse est du type SiO /Al2O=2, le réactif alcalin pourra etre uniquement de la soude NaO.La quantité de soude NaOH est telle que le rapport molaire Na20/Al2O3 est compris entre 0,2 et 0,8 ce qui cor respond à 5% et 20% en poids de la partie matrice argileuse présente dans ces sols.Ainsi ,par exemple, pour un sol ferrugineux contenant 25% de kaolinite la quantité de soude NaOH ajoutée sera comprise entre 1,2% et 5% du poids du sol sec.Le Tableau suivant donne les résistances à la compression obtenues pour un sol de ce type:: Sol Ferrugineux NaOH Résistance à la compression de composition après étuvage apres 20me cuisson 85 C ~~~~~ 850C 4200C Kaolinite 25 g 3% 18 MPa 35 MPa Fe2 O 40% 5 25 MPa 60 MPa iluartz 4546 Les quantités de soude NaOH ajoutées sont relativement petites ,aussi pour faciliter la manutention,il est préférable de diluer ce réactif avec une charge minérale.Avec une charge comme le kaoln,ou un matériau de rapport SiO2/A1203=2 on augmente la quantité de liant fabriqué par la réaction en Poly(sialate) ,augmentant ainsi les caractéristiques du matériau.Un mélange 50% NaOH et 50% d'un kaolin ou d'une argile sèche fortement kaolinique ,constitue un excellent réactif alcalin ,très manipulable. Pour les sols dont la matrice argileuse est du type SiO2/Al O inférieur à 2,on évite de former l'allnnate de sodium qui piege la soude NaOH.Il suffit pour cela u aJouter une quantité de silice réactive provenant soit de silice hydratée ,soit de matériaux libérant de la silice libre dans le milieur réactionnel ,de telle façon que le rapport SiO2/ A1203 soit aussi voisin que possible de 2.Çe peut etre des minéraux siliceux réactifs comme le kieselguhr ou terre de diatomée,les verres volcaniques,le silex et l'opale,les silicates hydratés naturels,qui seront ajoutés en poudre à la soude NaOH pour constituer le réactif alcalin.On peut également employér des alumino-silicates dont le rapport SiO2/A1203 est supérieur à 2 ,et qui dans le milieu réactionnel alcalin odusert un silicate alcalin soluble ,comme par exemple la montmorionite,la pyrophylite ,la chlorite,la vermiculite,les miccas,les allophanes, qui seront mélangés avec la soude NaOH pour former le réactif alcalin .En général la quantité de soude NaOH sera telle que le rapport molaire Na20/A1203 sera compris entre 0,2 et 0,8 ,et la quantité de matériaux siliceux ou formant de la silice libre telle que dans le milieu réactionnel le rapport molaire SiO2/Al2O3soit aussi voisin que possible de 2 Pour les sols dont la matrice argileuse est du type SiO2/Al2O3supérieur à 2 , on évitera la formation de silicate alcalin soluble , en ajoutant une quantité d'alumine réactive de façon à rétablir le rapport SiO2/A1203 aussi voisin que possible de 2 .Le réactif alcalin pourra etre constitué de matériaux contenant soit de la gibbsite, de la bayérite, de la boemite ,ou de sols naturels comme la bauxite, la latértte, ou un sol ferralitique riche en gibbsite ou boemite.Les quan tités de soude NaOH seront telles que le rapport molaire Na 0/Al203 sera compris entre 0,2 et 0,8 ,et la quantité en alGmine llbre dans le milité réactionnel telle que le rapport molaire SiO2/Al203 soit aussi voisin que possible de 2. On utilise de préférence de la soude NaOH dans le réactif alcalin; mais les résultats obtenus sont équivalents avec de la potasse KOH . La potasse KOH présente l'avantage de ne pas donner lieu à la formation d'efflorescence blanche ,comme c'est le cas avec la soude NaOH, mais a l'inconvénient de son prix élevé. Dans le réactif alcalin la quantité de potaste KOH sera telle que le rapport molaire K20/A1203 -soit compris entre 0,2 et 0,8 .On peut également utiliser un mélange de soude NaOH et de potasse KOH, dans ce cas le rapport molaire Na20,K20/A12o3 sera compris entre 0,2 et 0,8. Il se peut également que les sols se trouvent dans une région géographique propice à l'utilisation de sels comme le carbonate de sodium Na2CO3 et le carbonate de potassium K2C03. Certains sols contiennent naturellement ces sels , et dans d'autres régions ils peuvent etre extraits et exploités.Dans ce cas ,au lieu d'utiliser un réactif alcalin composé de soude NaOH et/ou de potasse KOH , on peut utiliser la réaction de ces sels avec la chaux Ca(OH)2, qui fournit la base alcalim NaOH et/ou KOH .Lorsque les sols contiennent une quantité appréciable de ces sels carbonates de sodium et /ou de potassium, il sera avantageux d'utiliser un réactif contenant à la fois la soude NaOH et ou la potasse KOH, avec de la chaux Ca(OH)2, en quantité suffisante pour pouvoir fournirarec les els du sol l'équivalent de NaOH ou de KOH ,de manière que le rapport Na 0,K20/A1203 soit compris entre 0,2 et 0,8 .Lorsque les conditions économiques le permettront,le mélange alcalin pourra être constitué uniquement d'un mélange de-chaux Ca(OH)2 et de carbonates alcalins naturels comme les produits connus sous le nom de Natron ou de Kali. La soude NaOH et ou la potasse KOH est produite alors ,au moment de l'humidification du mélange entre les sols et le réactif selon la réaction: Ca(OH)2 + Na2CO3 = 2 NaOH +CaC03 Ca(OH)2 + K2C03 = 2 KOH +CaC03 Bien entendu,diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de métier au procédé et aux compositions qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exeple,sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1.) Procédé de fabrication d'objets destinés au bâtiment,à l'aide de sols ferrugineux,latéritiques,ferrallitiques,médi- terranéens,tropicaux, équatoriaux,caractérisé en ce que apon mélange les sols préalablement sèchés ,avec un réactif alcalin contenant de la soude NaOH et ou de la potasse KOH de telle sorte que le rapport molaire Na2O,K20/Al203 soit compris entre 0,2 et 0,8. b)-on broye en poudre le mélange ainsi formé. c)-on humidifie dans un malaxeur ce dit mélange jusqu'à l'obtention d'une pâte semi-plastique. d)-on laisse maturer pendant au moins 24 heures cette pâte semi-plastique ,à une température inférieure à 450C. e)-on fabrique par pressage l'objet. f)-on durcit cet objet ,dans une étuve non ventilée ,à une température comprise entre 70-95 C pendant au moins 1 heure. 2.) Procédé selon 1) caractérisé en ce que l'objet subit un traitement thermique postérieur à une température comprise entre 3700C et 5000C pendant au moins 1 heure. 3.) Procédé selon 1) ou 2) caractérisé en ce que lorsque la matrice argileuse des sols est constituée d'un alumino-silicate de type SiO2/A1203=2,le réactif alcalin est un mélange de soude NaOH et/ou de potasse KOH avec une argile kaolinique. 4.) Procédé selon 1) ou 2) caractérisé en ce que lorsque la matrice argileuse est constituée d'un alumino-silicate de type Si02/Al203inférieur à 2, on ajuste le rapport SiO2/A1203à une valeur voisine de 2 à l'aide d'un réactif alcalin contenant des matériaux siliceux ou des alumino-silicates du type SiO2/Al 203 supérieur à 2 pouvant fournir de la silice libre dans le milieur réactionnel comme:le kieselguhr,les allophanes, les silices colloidales, les verres volcaniques,les silex et opales, les silicates hydratés, les silices réactives, les montmorionites, pyrophylites,chlorites,vermiculites,musco9ies, miccas. 5.) Procédé selon 1) ou 2)caractérisé en ce que lorsque la matrice argileuse des sols est constitué d'un alumino-silicate dont le rapport SiO2/A1203est supérieur à 2, on ajuste le rapport SiO /Al203 2 à une valeur voisine de 2 à l'aide d'un réactif alcalin contenant des matériaux alumineux pouvant fournir de l'alumine libre comme la gibbsite, la boehmiteJa bauxite, la latérite,la bayérite,un sol ferralitique. 6.) Procédé selon l'une quielconque des revendicatiorsl,2, 3,4,5 caractérisé en ce que réactif alcalin contient de la chaux Ca(OH)2 qui réagira avec les carbonates de sodium etbu de potassium en produisant de la soude NaOH et/ ou de la potas se KOH. 7.) Produits sous toutes formes et en toutes dimensions obtenus selon l'une quelconque des revendicatnns 1,2,3,4,5,ou 6