Brevet FR2528822A1 — publié le 19831223

La présente invention concerne l'utilisation des sols ferrugineux, låteritiques, ferrallitiques, ou associés rencontrés principalement dans les regions méditerraneennes, tropicales et équatoriales, et les régions géologiquement équivalentes du globe terrestre, pour fabri quer des briques ou autres objets utilisables dans le bâtiment. On utilise la réaction de consolidation chimique par constitution d'un liant du type Géopolyrnêre obtenu par réaction entre les différents constituants de ces sols avec au moins un réactif alcalin produisant MaO ou K20 libre, puis un durcissement à la température ambiante, en général inferieure à 450C. 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 SiO2/A1203=2 (type kaolinitique) ou SiO2/A1203=4 (type montmorionnitique) ou plus. Dans les régions du globe où l'on rencontre ces sols, il est en général assez difficile de fabriquer des briques par les procédés de cuisson traditionnels, à haute température vers 9000C-11000C. Le procede le plus simple consiste simplement à prendre ces sols et à les secher a- l'air. C'est le technique du pisée, et de la brique seche au soleil, fortement utilisée dans la majorité des pays d'Afrique. Un procéde plus élaboré consiste 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 être satisfaisants pour des quantités de ciment au moins égales à 400-450 kg s par m3, généralement 500kgs par m3.On a propose de faire réagir les sols "latérites" avec de la chaux Ca(OH2), soit en utilisant la technique de la réaction silico-calcaire en autoclave, par exemple en extrapolant le procede decrit dans le brevet français n"1.501.753 et son certificat d'addition nO 2.092.936 , soit selon la technique de l'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 150: 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 en poids 30% de chaux, c'est à dire environ 60% en poids par rapport à la matrice argileuse. Dans le procédé en étuve à 97"C, pour un sol latérite contenant environ 30% en poids d'argile kaolinitique, on ajoute 17% en poids de chaux, soit également environ 60% en poids par rapport à la matrice argileuse. Les produits réalisés en autoclave sont des silico-aluminates du type CSH, alors que la cuisson en étuve humide à 970C aboutirait à le 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 de la soude caustique qui produit Na20 libre. Ainsi le brevet allemand n" 600.327 du 28 Mai 1932, décrit un procédé de fabrication d'objets à partir d'une argile ayant réagi avec de la soude caustique NaOH, avec cuisson entre 1500C et 500"C. La constitution chimique de cette argile était: perte au feu 8,25 / SiO2 : 51,55 / Fe203 : 8,55 / A1203 :20,60 / MgO : 2,75 / Na2O : 5,20 / K20 : 5,20 / S03 :1,35, c'est à dire une argile du type SiO2/A1203 égale ou supérieure à 4.Les études effectuées par la demanderesse montrent que lorsque le rapport molaire SiO2/Al203 est supérieure 'à 2, le produit de la réaction avec la soude caustique est d'une part un silico-aluminate du type des géopolymères Poly(sialate) dénommé hydroxysodalite (Na20, A1203, 2Si02, 8H20), avec d'autre part formation importante de silicate de sodium. Or ce silicate de sodium migre vers la surface, mobilise une grande partie de Na2O libre 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 neosane à basse température à partir de mineraux phylliteux" Bulletin Groupe Français des Argiles, tome XXII, pages 5-16 (1970), par H. BESSON, S. CAILLERE, S. HENIN, R.PROST, les matériaux argileux qui réagissent bien avec la soude avec formation de Poly(sialate) hydroxysodalite sont: la kaolinite, l'halloysite, les argiles à SiO2/ A1203=2 de type montmorionnite, pyrophyllite, muscovite, les argiles SiO2/Al203=4 ou supérieur à 4 produisant un silicate de sodium qui doit être éliminé. Les meilleurs sembleraient être obtenus avec la kaolinite, comme on peut le voir dans le brevet soviétique n" 19.3335 du Bulletin des Inventions n" 6.1967 et rapporté dans la publication: "Des Matériaux non cuits à base de kaolin, pour les surfaces apparentes des bâtiments" dans Stroitel'nye materialy ne10, 1970, page 22 par L.G. BERG, B.A. DEMIDENKO et coîl. .Avec un rapport molaire Na2O/A1203 égal & 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 Na20 libre de l'intérieur vers l'extérieur de l'objet. Ces objets possèdent un peau, extrèmement dure mais un interieur constitué d'argile qui n'a pas réagi et qui se détruit à l'eau. Le procede selon l'invention est un developpement inattendu du procédé de fabrication d'objets destinés aux bâtiment, demande de brevet français n080.203.86. I1 permet d'obtenir le durcissement des sols et argiles à la température ordinaire ou au plus à une températuré égale à 45"C. Dans les procédés traditionnels de fabrication de briques cuites, la phase la plus délicate de la fabrication est le sechage. En general, ce sechage est effectué à l'air libre, avec une atmosphère bien ventilée pour permettre à l'humidité présente dans le mélange argileux de s'évaporer sans occasionner de fissure.Cette phase de séchage est en général conduite dans un premier temps à temperature en général inférieure à 45"C. Ensuite les briques sont séchées à, plus haute température et mises en cuisson. Dans le procédé décrit par la demande de brevet français n 80.203.86 et qui est particulièrement adapté aux matières premieres Provenant des, sols ferrugineux, latéritique, tropicaux, équatoriaux... , le durcissement est effectué à l'aide d'un réactif alcalin. On'procéde tout d'abord en séchant les sols pour éliminer 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 être stocké pendant une longue période si nécessaire. Il est ensuite humidifie dans un malaxeur, afin d'obtenir une pâte semi-plastique, les quantités d'eau dépendant exclusivement de la nature de chàque sol. Ce mélange semi-plastique est ensuite laisser 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 plaçee dans une étuve non ventilée, de préférence humidifiée, à une température comprise entre 70" et 95"C, de préference 85"C, pendant au moins une heure, 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.Na20 libre est ainsi fixé 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 Si/02/A1203= 2, les produits étuvés à 85"C, sont stables à l'eau et peuvent être employés tels quels dans le bâtiment. Les silico-aluminates de sodium étant fixés, on peut alors faire subir aux produits des traitements thermiques postérieures, à des températures plus élevées. I1 a été cependant remarqué, que l'optimum des caractéristiques était obtenu pour des températures de cuisson comprises entre 370"C et 5000C, pendant au moins une heure, de préférence pendant 2 à 3 heures selon l'épaisseur du produit. Au lieu de mettre la brique crue, comme décrit précédemment directement dans une étuve non ventilée chauffee à 85"C, celle-ci fut laissée par inadvertance dans cette étuve non ventilée, pendant 3 jours à une température de 25"C. Le matériau avait durci et il fut plongé dans l'eau. Contre toute attente, la brique ne se déforma pas. Ce fait est d'autant surprenant que couramment les mélanges semi-plastiques en poudre non-pressés qui ont séjournés (maturés) environ 3 à 4 jours dans un sac plastique, à température ambiante de l'ordre de 25"C, ces mélanges semi-plastique peuvent être comprimés pour en faire une brique, mais cette brique n'est pas stable à l'eau juste après pressage.Il semble donc que la phase de maturation à température ambiante ait une action totalement différente sur la cinétique de géopolymérisation'des matériaux argileux, selon que les argiles aient été comprimées ou pas.Une explication de ce phénomène pourrait être le changement de concentration en alcali, de l'eau intermicèllaire dans l'argile, c'est à dire d'un phénomène identique ou voisin de celui rencontré pendant l'étuvage. Dans la phase non-comprimee, le réactif alcalin vient migrer et occuper certains groupements fonctionnels A1/OH3 libre situé sur la surface extérieure du crystallite argileux avec une quantité importante d'eau intermicellaire.La compression fait se rapprocher les crystallites, chassent une partie de l'eau íntermicellaire qui se trouve libre et vient se loger dans les macropores. On assiste alors à la possibilité de réaction de géopo lyxerisation selon le schéma suivant:: Argile (OH)3 Na+ OH" ~~~~~~~~~~~~ Argile (OH) 4 K OH (Na+) (K+) Argile (OH) 4 + q(OH) Argile - Argile-O-Argile + H20 (Na*) (Na+) (Na+) (Na+ (K+) (K+) (K+) (K+) Les exemples qui suivent permettent de mieux comprendre l'inven tion et illustrent les différentes possibilités de fabrication. Le matériau argileux utilisé dans ces exemples appartient à la catégorie des argiles latéritiques kaollniques. Il est connu sous le nom de "Flint d'OlliAre", situé dans le sud de la France, en Provence près des gisements de bauxite.Ce matériau contient entre 20 et 40% en poids de kaolinite, pour 5 à 15% de goethite, 5 à 15% de gibbsite et 20 a 40% de quartz et autre matériaux rocheux. IL correspond à la classification des argiles de type "latérite". Exemple I: On réalise le mélange suivant: 'A lkg de Flint d'filière contenant 5% d'humidité, on ajoute 10% en poids de réactif Geopoly KA et 7% en poids d'eau.Le réactif Geopoly KA comnercialise par la société CORDI SA/France,contient 30% en poids de K20 libre, actif à basse température, c'est à dire que le mélange ainsi réalise contient 2,9 % de K20 libre actif. On verse la melange dans un sac en plastique, étanche et on laisse mûrir pendant 24 heures, à température ambiante 25"C. Ce mélange est alors testé de la manière suivante: on façonne de petits anneaux à l'aide d'un moule, connu dans la profession céramique, pour fabriquer les anneaux de fusion des céramiques cuites à haute température.Ces anneaux pèsent 10 grammes, et peuvent donner d'excellentes indications sur les propriétés physiques et mécaniques. On réalise 1 anneau de 10 grammes avec le mélange mûri pendant 24 heures et on le trempe dans l'eau immédiatement. L'anneau se délite instantanément. On réalise plusieurs anneaux de 10 grammes, avec ce même mélange, mûri pendant 24 heures, et on les conserve dans une pochette étanche en plastique à température ambiante. Toutes les 24 heures on placera un anneau dans de l'eau pour noter le moment ou il ne se délitera plus.Parallèlement, le mélange toujours conservé dans son sac étanche, sera lui aussi testé, par la confection d'un anneau. Avec le réactif Geopoly KA de cet exemple I, l'anneau devient stable à l'eau au bout de 48 heures,alors que le mélange resté dans le sac, se délite,meme après un mois de stockage. Exemple I1: Selon la technique décrite dans l'exemple I, on réalise un nouveau mélange comprenant 6% en poids de réactif Geopoly NA de la Société CORDI SA/France. Le réactif Geopoly NA contient 33XO de Na2O actif libre, soit 2% en poids de Na20 actif libre,dans le mélange. Apres une maturation de 24 heures on répète l'opération de confection d'anneaux telle que décrite dans l'exemple I. L'anneau devient stable à l'eau également au bout de 48 heures, alors que le melange resté dans le sac,se délite,même après un mois de stockage. On mesure alors la progression dans le temps des résistances mécaniques des échantillons réalisés selon les exemples I et II,les anneaux restant dans un sachet plastique étanche:on mesure la résistance à la compression. Résistance à la compression Geopoly KA Geopoly NA au bout de 3 jours 4,1 MPa 4,8 MPa au bout de 15 jours 7,9 MPa 8,5 MPa au bout de 45 jours 7,7 MPa 8,4 MPa Les anneaux obtenus avec les mélanges des exemples I et II, sont placés à différentes températures, pour déterminer la cinétique du durcissement et de polycondensation du Poly(sialate) stable à l'eau. A 40"C, les anneaux contenant soit Geopoly NA, soit le Geopoly KA, sont stables à l'eau au bout de 24 heures,alors qu'à 50"C,la réaction devient très rapide, puisque cette stabilité est déjà aquise au bout de 2h 30 mn. Le seuil critique semble donc être situé autour de 45"C. L'invention permet donc de fabriquer, à la température ambiante, inférieure à 450C, des objets, briques ou matériaux similaires, stables à l'eau, à partir de sols ou matériaux argileux appartenant aux catégories des sols ferrugineux, latéritiques, ferralitiques, ou associés. On utilise la réaction de géopolymérisation de la matière argileuse de préference, kaolinitique, avec des réactifs alcalins caustiques. a quantité de réactif alcalin nécessaire à l'obtention d'une brique stable à l'eau dépend de la nature minéralogique des sols et matériaux argileux, l'expérience montre que l'on obtient de bons résultats, pour des mélanges contenant entre 0,5% et 5 % en poids, de préférence entre 1,0% et 3,5 % en poids de Na20, ou entre 0,7% et 7% en poids de préférence entre 1,5% et 4,5% en poids de K20. Le sac plastique étanche dans lequel étaient plaçés les anneaux dans les exemples 1 et 2, correspond en réalité à une enceinte non ventilee, dans laquelle il n'y a pas de séchage. Cette enceinte pourra avoir toutes les dimensions, étant entendu, qu'un contrôle de l'humudité ambiante, devra être nécessaire, pour assurer le déroulement de la géopotymérisation alcaline. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de métier au procédé et aux compositions qui viennent d'être décrites uniquement à titre d'exemple, 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, méditerranéens, tropicaux, équatoriaux, par géopolymérisation alcaline, caractérisé en ce que l'on fabrique par pressage l'objet puis on le place immédiatement dans une enceinte non ventilée, à la température ambiante, inférieure, à 45 C. 2) Procédé selon 1 caractérisé en ce que l'objet obtenu par pressage est plaçé immédiatement , pendant au moins 2 jours, dans une enceinte non ventilée, à la température ambiante de 25"C. 3) Procédé selon 1 , caractérisé en ce que l'objet obtenu par pressage est placé immédiatement, pendant au moins 1 jour dans une enceinte non ventilée, à la température ambiante de 40"C. 4) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que la dite géopolymérisation alcaline est obtenue avec un mélange de sol argileux contenant-entre 0,5 % et 5 % en poids de Na2O actif libre. 5) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que la dite géopolymérisation alcaline est obtenue avec un mélange argileux contenant entre 0,7 % et 7 % en poids de K20 actif libre. 6) Produit sous toutes formes et en toute dimensions obtenues selon l'un quelconque des revendications 1,2, 3, 4 ou 5.