Brevet FR2702209A1 — publié le 19940909

La présente invention concerne l'utilisation de composition de ciment à base de fibre de carbone ayant une résistance particulière à la chaleur, pour la préparation de produits façonnés résistant aux chocs thermiques, tels que des tuyaux de fumées et des tubes de ventilation. Pour la préparation de tuyaux de fumées, le matériau ayant des caractéristiques techniques optimales a toujours été le ciment-amiante. Avec l'entrée en vigueur de lois concernant l'amiante, notamment la loi italienne No 257/92, qui prévoit l'interdiction de la production et de la commercialisation d'un produit manufacturé quelconque en amiante-ciment, a été ressentie l'exigence d'utiliser des matériaux présentant des variantes de fibres non cancérigènes. Du fait que de nombreux essais expérimentaux ont été effectués sur les tuyaux de fumées produits avec des matériaux à base de ciment ayant divers types de fibres naturelles et ou synthétiques, on a vu cependant que des compositions présentant au départ un intérêt n'ont pas donné des produits répondant aux désirs finaux. Il est enfin nécessaire de considérer que les tuyaux de fumées ne doivent pas être confondus avec un banal tuyau d'aspiration, dans la mesure où ils doivent posséder certaines des obligations de base qui rendent le choix du matériau de production absolument non banal. Les tuyaux de fumées doivent par exemple satisfaire aux conditions suivantes - avoir une superficie interne lisse pour favoriser l'écoulement du fluide et empêcher le dépôt de résidus: - être inattaquables par les acides fortement corrosifs qui se forment dans le conduit (la rencontre avec l'eau de condensation et le soufre contenue dans les fumées tend à former de l'acide sulfurique, de l'anhydride sulfurique et des anhydrides sulfureux); - avoir une capacité d'auto-support adéquate du fait qu'ils vont être passés sur la structure de l'édifice. - et, naturellement, résister aux chocs thermiques, aux températures élevées des fumées d'échappement (de 2500 C, ce qui est le maximum consenti par la loi) et conserver cette température tout le long de la conduite, en évitant des dispersions thermiques et une diminution de la température des fumées. Il a été trouvé que, en substituant l'amiante-ciment, cette combinaison de conditions à satisfaire peut l'être grâce à l'utilisation de ciment renforcé par des fibres, présentant en particulier des fibres de carbone ayant des caractéristiques techniques bien précises. C'est pourquoi l'objet de la présente invention est l'utilisation d'une composition pour la préparation de produits façonnés résistant aux chocs thermiques, ladite composition comprenant un liant hydraulique, de l'eau et des fibres de carbone, caractérisée par le fait que les fibres de carbone doivent avoir une résistance thermique supérieure à 3000 C, une teneur en carbone d'au moins 70 % en poids et une résistance à la traction d'au moins 1000 MPa. La fibre de carbone est généralement présente en quantité comprise dans la plage allant de 0,1 à 5 parties en poids, par rapport à 100 parties en poids du ciment. D'autres caractéristiques techniques permettant d'avoir une composition de fibres au ciment optimale, selon la présente invention, sont le module d'élasticité (d'au moins 100 GPa) et le volume spécifique (de 1 à 6 g/cm3) de la fibre de carbone. Les fibres en question peuvent être, de préférence, coupées à des longueurs pouvant varier de 1 mm à 25 mm, mais il n'est pas exclu qu'elles peuvent être utilisées également sous forme de faisceaux de fibres élémentaires, continues. Le liant hydraulique que l'on peut utiliser dans la composition décrite n'a pas une caractéristique qui limite l'invention, en fait on peut utiliser par exemple tous types de matériaux à base de ciment se trouvant dans le commerce. Le ciment Portland ordinaire peut etre utilisé de maniere appropriée, mais plutôt, en général, on peut utiliser tous ciments répondant, de manière appropriée, à la Norme Expérimentale Européenne ENV 197.1. Les résultats particulièrement appréciables ont été obtenus avec l'utilisation du ciment Fibrocem Italcementi, dont la charge en calcaire lui confère une grande plasticité lors du gâchage, en rendant beaucoup plus homogène l'hydratation et le durcissement en évitant ainsi la manifestation de microfissures durant la première maturation-séchage du produit façonné. Outre le ciment et les fibres de carbone, on peut utiliser dans la composition d'autres composants, qui, cependant, ne modifient pas sensiblement les caractéristiques techniques du produit façonné final, mais qui permettent en phase de réalisation du produit façonné lui-méme, une meilleure possibilité de traitement lors du gâchage. En particulier, on peut utiliser un coadjuvant quelconque de mélange qui a la caractéristique de faciliter la dispersion des fibres dans le produit gâché. Le coadjuvant a également la fonction de permettre l'accès de l'eau présente. Dans ce but on peut utiliser divers produits, comme par exemple des cendres de silicium et les hydrosilicates de matériaux alcalino-terreux. De préférence, dans la présente invention on a utilisé la sépiolite (qui est un hydrosilicate de Mg et de Ca). Un autre composant qui peut être ajouté pour favoriser le traitement de gâchage, indépendamment de la présence de l'additif mentionné ci-dessus, est la pulpe de polyéthylène ou une cellulose de procédé. Ce produit peut être utilisé en une proportion comprise dans une plage allant de 0,1 à 3 parties en poids pour 100 parties en poids de ciment. Les technologies utilisées pour la préparation des tubes en fibres au ciment résistant aux chocs thermiques sont de divers types et se prêtent toutes à l'utilisation de la composition faisant l'objet de la présente invention. Il doit par conséquent être clair que les procédés utilisant ce que l'on appelle les machines "Magnani" ou celles à injection rentrent dans les technologies possibles de production des produits façonnés selon l'invention. En particulier, les tubes étant préparés pour mettre en valeur les caractéristiques physiques-mécaniques ayant la composition optimale sont produits au moyen de la technologie dénommée "à carrousel". Cette technologie consiste à utiliser un élément rotatif formé de quatre postes qui mettent le tube à la forme finale en quatre phases. Dans la première phase, le mortier de ciment est déjà prémélangé et déposé sur une lame d'enduction qui assure la distribution sur toute la surface d'un élément cylindrique creux maintenu en rotation sur son axe (mandrin) d'une épaisseur de pâte homogène. L'élément tournant pivote ainsi de 90 degrés vers le second poste, où le matériau en ciment subit un compactage au moyen d'un martelement, jusqu'à obtenir une consistance donnée, tandis que, simultanément, on aspire l'eau en exces depuis l'intérieur du mandrin, dont la superficie est pourvue uniformément de petits trous d'à peu près 1 mm. Une fois achevé le compactage du matériau, le support pivote encore de 90" et la sortie du mandrin hors de ri?itérieur du tube en ciment est effectué, avant l'élimination manuelle des bavures éventuellement présentes. Le produit façonné est transféré au poste de postformage (pour des tubes à section circulaire) et ainsi au poste de maturation, ou directement à ce dernier (lorsqu'il s'agit de tubes à section circulaire). La maturation-sèchage (au moins 6 heures) se produit dans une chambre ventilée légèrement chauffée (ayant une température moyenne de 40 C). L'utilisation de la composition à base de ciment selon l'invention n'interdit pas la préparation de tubes au moyen de technologies différentes. Des exemples de variantes de technologie sont - formage au moyen d'une opération de laminage avec des galets et dépose sur des rouleaux formeurs, avec calandrage final du produit façonné, - formage sur un mandrin tournant, sur lequel est initialement pulvérisée une pâte en ciment contenant les fibres dispersées, qui est ensuite compactée à l'occasion d'une opération unique, - formage au moyen d'une centrifugation de la pâte contenant les fibres dispersées. Il est nécessaire de préciser que ce qui a été décrit pour les tubes peut être appliqué également à tous les types de raccords sujets aux chocs thermiques, indépendamment de la technologie utilisée pour la production de ces raccords. La préparation de la combinaison en ciment comprenant les fibres de carbone de l'invention peut être effectuée selon l'un quelconque des modes connus dans l'art. En particulier, il est nécessaire de porter attention au type de traitement superficiel (apprêt) subit par la fibre de carbone dans la phase de préparation, qui exerce une influence sur sa dispersion dans la pâte de gâchage. Dans l'un des modes de réalisation préférés de l'invention, la composition est préparée en introduisant de l'eau dans un récipient approprié, de la sapiolite, de la cellulose, des fibres de carbone, ceci dans l'ordre, et en mélangeant pendant au moins 10 minutes avant d'ajouter tout ingrédient. Comme ultime composant, est introduit le ciment, qui est homogénéisé comme il est connu dans l'art. Une fois le mélange effectué, celui-ci alimente le processus de production des tubes, comme décrit ci-dessus. Ainsi qu'il a été indiqué précédemment, les fibres de carbone utilisées dans l'invention se comportent de façon surprenamment meilleure dans la matrice en ciment par rapport aux autres fibres ayant des caractéristiques se prêtant à cet usage particulier. Pour démontrer cette affirmation, on a effectué des confrontations au moyen d'essais de résistance mécaniques et thermiques pour divers tubes préparés avec des mortiers de ciment contenant des fibres diverses, telles qu'en alcool de polyvinyle, des fibres en verre et des fibres en polyacrylonytrile, partiellement oxydées. La comparaison entre la fibre de carbone utilisée selon l'invention et ces dernières fibres est particulièrement significative, parce que la fibre en polyacryonytrile partiellement oxydée est assimilable du point de vue chimique à une fibre de carbone à basse teneur en carbone, tandis que la fibre en verre est la fibre dont le comportement mécanique est dans l'absolue le plus proche de l'amiante, comme on le voit sur le tableau 1 indiqué ci-après. Tableau 1 FIBRE DE CARBONE AMIANTE VERRE Masse volumique 1,76 2,6 2,5 g/cm3 Module d'élasti- 160 150 80 ciré GPa Resistance 1800 3200 1300-2400 mécanique MPa Teneur moyenne 70 en carbone en % Pour comparer l'utilisation du ciment renforcé par des fibres avec les différentes compositions 1 à 4 du tuyau de fumées, il a été nécessaire de mettre au point une série d'essais qualitatifs et quantitatifs. En particulier, pour la détermination de la résistance à la chaleur, on a défini quelques essais physico-mécaniques en définissant comme valeur de référence, la température de 3300 C 1) La détérioration d'une épaisseur de tuyaux de fumées après exposition pendant 22 heures dans une étuve ventilée à 3300 C (observation concernant les formations de lézardes et de regonflements permanents sur la pièce - essais qualitatifs) 2) Mesure de résistance à la flexion sur des éprouvettes obtenues à partir du tuyau de fumée puis exposées pendant 22 heures dans une étuve ventilée à 330" C (comparaison avec les valeurs obtenues avec les mêmes éprouvettes non traitées - essais quantitatifs) 3) Détérioration d'une épaisseur de tuyau de fumées après exposition cyclique, à des cycles définis de la façon suivante : 22 heures dans une étuve ventilée à 330" C, 2 heures à température ambiante, (observation sur les formations de lézardes et les regonflements sur la pièce - essais quantitatifs) 4) Détérioration d'un tuyau de fumées entier installé sur la cheminée et chauffé au moyen de la circulation des fumées (durée minimum permanente @ 5 heures à température supérieure à 330" C - essais qualitatifs). Les exemples ci-dessous sont à considérer comme illustratifs de l'invention et ne sont pas limitatifs. EXEMPLE 1 Dans un batch de 2000 litres relié à une pompe pour obtenir un mélange et une recirculation ont été introduits 400 litres d'eau et 12,5 kg de sépiolite (Pangel), puis on a opéré un mélange pendant 10 @ minutes, à la température ambiante et à la pression atmosphérique. Ensuite, on a ajouté 5 kg de cellulose ayant eté précédemment raffinée et 10 kg de fibres de carbone de type RK 10. Après encore 10 minutes de mélange, on a ajouté graduellement 1000 kg de ciment Fibrocem. Au moyen d' une pompe doseuse, le mélange de ciment ainsi préparé a été alimenté sur l'élément rotatif décrit précédemment. Le tube, une fois préparé a été formé pour donner la section transversale et immergé dans un four à la température d'à peu près 40 C, pendant à peu près 8 heures. Une fois la maturation-séchage terminée, le tube a été stocké. Les essais techniques et mécaniques ont été effectués au bout de 28 jours. EXEMPLE (de comparaison) En suivant essentiellement la procédure décrite dans l'exemple 1, on a préparé les compositions suivantes de ciment à titre de comparaison (en exprimant les proportions en partie en poids par rapport à 100 parties de ciment). Les rapports en poids sont les mêmes que ceux de la composition 1 de l'invention. Les temps de stockage et l'age des éprouvettes à utiliser pour des essais mécaniques sont les mêmes que pour l'exemple 1. Composition 2 : 100 parties de ciment Fibrocem 1,15 parties de sépiolite (Pangel) 0,5 partie de cellulose 1 partie de fibre de verre (cemfil) (longueur 6 mm) 40 parties d'eau Composition 3 : 100 parties de ciment Fibrocem 1,15 parties de sépiolite (Pangel) 0,15 partie de cellulose 1 partie de fibre de polyacrylonitryle partiellement oxydé (Pano) (longueur 6 mm) 40 parties d'eau Composition 4 : 100 parties de ciment Fribocem 1,15 parties de sépiolite (Pangel) 0,5 partie de cellulose 1 partie de fibre PVA (Kuralon RM 182) (longueur 6 mm) 40 parties d'eau EXEMPLE 3 On n'a effectué aucun essai physique ou mécanique sur les éprouvettes de la quatrième composition. Le tableau résumant les valeurs obtenues dans les essais physiques ou mécaniques sont reportées dans le tableau 2. Tableau 2 COMPOSITION 1 2 3 4 (Carbone) (Verre) (Panox) (PVA) ESSAI N0 I Exposition pendant 22 h | NON | NON | OUI | OUI à 330 C ESSAI N0 2 | (Résistance à la flexion avec une charge perpendiculaire aux fibres, N/mm2) Epouvettes telles que : 22,9 17,3 15,2 12,8 Eprouvettes apres traitement thermique à 330 C, pendant 22 h : 18,5 9,0 8,8 9,0 ESSAI N 3 Exposition d'échantillons à des cycles de 22 h (3300) + 2 h (à la température ambiante) Nombre de cycles : 5 4 ESSAI N 4 Exposition de tuyaux de fumée pendant au moins 5 h à des températures moyennes de fumées de 3200C NON NON NON NON 4200C NON OUI OUI 5200C NON - - - NON = aucune rupture OUI = rupture ou lézardes Ainsi qu'on peut l'observer à la lecture du tableau les matériaux comprenant des fibres de verre et de carbone ont résisté au chauffage prolongé à 3300 C (essai 1). La résistance à la flexion avant et, surtout, après le traitement thermique du tube comprenant la fibre de carbone est cependant bonne seulement pour les éprouvettes présentant la fibre de carbone. On note en outre la résistance thermique des matériaux utilisés comprenant la fibre de carbone sans rupture (5200 C). REVENDICATIONS 1. Utilisation d'une composition en fibrociment pour la préparation de produits façonnés résistant aux chocs thermiques, comprenant un liant hydraulique et de 0,1 à 5 parties en poids, par rapport au liant, de fibres de carbone ayant une résistance thermique supérieure à 3000 C, une teneur en carbone d'au moins 70 % et une résistance à la traction d'au moins 1000 MPa, pour la préparation de tuyaux de fumées et de tubes de ventilation et de panneaux résistant à la chaleur. 2. Utilisation d'une composition selon la revendication 1, caractérisée par le fait que les fibres de carbone ont un module d'élasticité d'au moins 100 GPa et une masse volumique d'au moins 1 à 6 g/cm3. 3. Utilisation d'une composition selon les revendications 1 et 2, comprenant en outre une fibre à base de cellulose et de pulpe de polyéthylène et un agent dispersant des fibres, de préférence un hydrosilicate de Mg et Ca. 4. Utilisation d'une composition selon les revendications 1 à 3, dans laquelle le liant hydraulique est un ciment. 5. Composition comprenant un liant hydraulique, contenu en une proportion allant de 0,1 à 5 parties en poids, par rapport au ciment, de fibres de carbone ayant une résistance thermique supérieure à 300 C et présentant une teneur en carbone d'au moins 70 % et une résistance à la traction d'au moins 1000 MPa. 6. Composition selon la revendication 5, comprenant en outre une fibre à base de cellulose ou de pulpe de polyéthylène et/ou un agent dispersant des fibres. 7. Tuyaux de fumées préparés avec les compositions selon les revendications 5 et 6.