Brevet FR2763329A1 — publié le 19981120

UTILISATION DE PARTICULES DE POLYMERE ORGANIQUE HYDROPHOBE DANS LA FABRICATION DE BETONS ET MORTIERS ALLEGES DOMAINE DE L 'INVENTION La présente invention a trait à une nouvelle utilisation de par- ticules de polymère organique hydrophobe, notamment du type polystyrène, dans la fabrication de bétons et mortiers allégés. Elle concerne également en tant que produits industriels nouveaux les granulats de polymère organique hydrophobe. Jusqu'à présent il a été considéré que l'utilisation de particules de polymère organique hydrophobe constituait un inconvénient majeur dans le domaine de la fabrication des mortiers et bétons. Eu égard à la difficulté que représente la dispersion dans de l'eau de particules hydrophobes, une telle utilisation a été écartée a priori et n'a jamais été mise en oeuvre. ART ANTERIEUR On sait que le polystyrène et les copolymères à base de styrène et d'hydrocarbure éthyléniquement insaturé, tels que les copolymères styrène/éthylène, styrène/propylène, styrène/butylène, styrène/butadiène et styrène/isoprène, sont des substances de nature hydrophobe qui présentent néanmoins du fait de leur mode de préparation des sites hydrophiles, à savoir au moins 150 milliéquivalents de groupes hydrophiles (-COOH, -OH, -NH2 et/ou -SO3H) par gramme de matière polymère, qui sont susceptibles de retenir une quantité relativement importante d'eau. Malheureusement, il se trouve que ces sites hydrophiles consti- tuent un inconvénient en ce sens qu'ils fournissent aux bétons et mortiers allégés, préparés à partir desdits polystyrène et copolymères hydrophobes, une teneur en eau résiduelle, mesurée après mise en équilibre desdits bétons et mortiers allégés fabriqués, supérieure ou égale à 1/m3. On a trouvé de façon surprenante qu'une teneur en eau résiduelle supérieure à 100 1/m3 était néfaste vis-à-vis de la stabilité de matériau final séché (obtenu après mise en équilibre), alors que l'art antérieur considérait au contraire que le caractère hydrophobe du polystyrène expansé constituait 2 2763329 un inconvénient majeur; voir à cet effet la demande PCT publiée WO-A- 9202468 o figure, page 4 lignes 16-17, la mention "en surmontant leur caractère hydrophobe" visant les particules de polystyrène expansé. Selon l'art antérieur, on a été amené à réduire le caractère hydro- phobe des particules de polystyrène expansé en enrobant 'lesdites particules au moyen d'un revêtement ou enveloppe hydrophile; voir à cet effet la publication PCT WO-A-9202468 précitée et le brevet français délivré FR-B- 2574068. BUT DE L 'INVENTION Selon l'un des aspects de l'invention, on se propose d'utiliser des particules de polymère organique expansé qui soient le plus possible hydro- phobes, afin d'améliorer la stabilité des bétons et mortiers allégés. Ainsi, l'on se propose d'utiliser des particules de polymère orga- nique hydrophobe qui sont expansées et ont une teneur en eau résiduelle ou humidité résiduelle inférieure ou égale à 5 % p/p (en poids d'eau par rapport au poids dudit polymère organique) pour donner des éléments de cons- tructions du type béton allégé, mortier allégé, enduit allégé ou encore plâtre allégé ayant une teneur en eau résiduelle inférieure à 100 1/m3, et de préférence une teneur en eau résiduelle inférieure ou égale à 60 1/m3. Il existe effectivement un besoin en matériau de construction du type précité contenant des particules de polymère organique hydrophobe expansé pour des applications particulières dans lesquelles il est important d'avoir rapidement une teneur en eau résiduelle (exprimée en volume par rapport au volume dudit matériau de construction) inférieure à 100 1/m3. En d'autres termes, on se propose de réduire la durée requise pour atteindre l'équilibre, qui en général varie selon le matériau de construction de 1 semaine à respectivement 6 mois, à une valeur de 1-2 jours à respectivement quelques semaines, en faisant appel à des particules de polystyrène expansé ou d'un copolymère analogue ayant un caractère le plus hydrophobe possible. En d'autres termes, si on compte selon l'art antérieur une durée de séchage de 1 semaine pour une épaisseur de béton ou mortier de 1 cm, on se propose selon l'invention d'arriver à une durée de séchage de l'ordre de 1 heure pour une épaisseur de 1 cm. 3 2763329 OBJET DE L 'INVENTION Selon l'invention, on préconise une nouvelle utilisation de par- ticules de polymère organique expansé dans la fabrication d'un matériau de construction du type béton, mortier, enduit et plâtre allégés, caractérisée en ce que l'on fait appel à un granulat comprenant des (ou constitué de) particules de polymère organique expansé et hydrophobe ayant une teneur en eau résiduelle (exprimée en poids par rapport au poids dudit granulat) inférieure ou égale à 5 % p/p. Selon la présente invention, on préconise également en tant que o10 produits industriels les granulats comportant lesdites particules de polymère organique expansé et hydrophobe ayant une teneur en eau résiduelle inférieure ou égale à 5 % p/p. Description détaillée de l'invention Pour l'obtention de bétons, mortiers, enduits et autres matériaux de construction allégés, l'on recommande donc de faire appel à des parti- cules de polymère organique expansé et hydrophobe ayant une teneur en eau résiduelle (exprimée en poids par rapport au poids dudit granulat) inférieure ou égale à 5 % p/p et mieux une teneur en eau résiduelle inférieure ou égale à 1 % p/p. Parmi les substances polymères qui conviennent à cet effet, on peut notamment citer les particules ou billes à base de (i) styrène, à savoir le polystyrène, (ii) copolymère styrène/hlydrocarbure éthyléniquement insaturé, et (iii) leurs mélanges. Parmi lesdits copolymères, on peut notamment citer ceux qui sont 2s élaborés à partir du styrène et d'au moins un des monomères suivants éthylène, propylène, butylène, butadiène et isoprène. D'un point de vue pratique, on préfère selon l'invention que le matériau polymère soit choisi parmi l'ensemble constitué par (i) le polystyrène, (ii) les copolymères styrène/éthylène, styrène/propylène, sty- rène/butylène, styrène/butadiène et styrène/isoprène ayant un rapport molaire motifs styrène/motifs hydrocarbure éthyléni- quement insaturé supérieur ou égal à 1/1, et (iii) leur mélanges, 3 5 et ait une teneur en eau résiduelle inférieure à 1 % p/p. Ainsi, ledit matériau polymère sera avantageusement soit le poly- styrène, soit un copolymère styrène/éthylène, styrène/propylène, sty- rène/butylène, styrène/butadiène ou styrène/isoprène ayant un rapport molaire motifs styrène/motifs hydrocarbure éthyléniquement insaturé de 55/45 à 90/10. Les particules ou billes dudit matériau polymère auront en général une granulométrie moyenne se situant entre 0,1 et 50 mmn. D'un point de vue pratique, le matériau de construction selon l'invention, c'est-à-dire le béton, le mortier, l'enduit ou le platre allégés, o10 aura après mise en équilibre une teneur en eau résiduelle (exprimée en volume par rapport au volume initial du matériau de construction) inférieure à 100 I/m3, de préférence une teneur en eau résiduelle inférieure ou égale à 1/m3 et mieux une teneur en eau résiduelle comprise entre 20 et 50 1/m3. La durée requise pour la mise en équilibre est alors nettement réduite; par exemple elle est de l'ordre d'environ 2 à 6 semaines au lieu de 6 mois, ou de 1 à 2 jours au lieu d'une semaine. Pour la fabrication des matériaux de construction, il suffit de malaxer le matériau polymère expansé de l'invention intervenant en tant que granulat organique, avec un liant (ciment Portland, chaux, laitier de haut- fourneau, plâtre et/ou leurs mélanges), de l'eau, et le cas échéant, des particules ou charges minérales (sable notamment) et d'éventuels autres adjuvants (agent tensioactif, colloïde entraîneur d'air, etc). De façon avantageuse, selon un premier mode de réalisation, on recommande selon l'invention une association préalablement formée et comprenant (i) ledit matériau polymère expansé et hydrophobe et (ii) au moins un desdits adjuvants. Parmi les adjuvants utilisables, on peut mentionner ceux que l'on disperse de façon classique dans les matériaux de construction tels que les bétons, mortiers, enduits ou plâtres allégés, à savoir notamment - les agents fluidisants ou plastifiants, - les colloïdes entraîneurs d'air, - les agents tensio-actifs, et - les accélérateurs ou retardateurs de prise. Les agents fluidisants ou plastifiants ont pour rôle de favoriser l'homogénéité du mélange particules organiques hydrophobes/liant/eau éven- 2763329 tuellement complété avec une charge minérale (notamment du sable ou des graves) et/ou d'autres adjuvants. Ils permettent le pompage de ce mélange avant sa prise en masse, la diminution de la teneur en eau et par suite l'amélioration de performances mécaniques du matériau de construction pour une même concentration en liant. Parmi les agents fluidisants ou plastifiants qui conviennent on peut notamment mentionner les phtalates (par exemple le phtalate de dioctyle), les oxalates, les stéarates métalliques ou organiques, les silicates organiques, les siloxanes, et les acides organiques. Les colloïdes (ou agents) entraîneurs d'air ont pour rôle d'aug- menter le volume du mélange particules organiques hydrophobes/liant/eau, qui est éventuellement complété avec une charge minérale et/ou d'autres adjuvants, et par suite celui de matériau de construction en résultant. Ils assurent l'incorporation d'air dans ledit mélange en vue d'améliorer l'iso- lation tant phonique que thermique dudit matériau, d'une part, et de dimi- 1]5 nuer la densité dudit matériau, d'autre part. Ils confèerent en outre l'avantage de - diminuer la vitesse de sublimation des granulats organiques hydrophobes sous l'action de la chaleur, à des températures notamment supérieures à -250 C, - augmenter la résistance au feu (retard à la propagation du feu et de la flamme) du matériau de construction, - diminuer l'émission de vapeurs ou fumées nocives lors de la combustion du polystyrène ou des copolymères du styrène qui constituent le granulat organique hydrophobe, et - augmenter la résistance aux cycles de gel/dégel et aux chocs thermiques. Parmi les colloides entraîneurs d'air qui conviennent on peut notamment mentionner les protéines, les peptides et les substances les renfermant, par exemple le sang en poudre, le sang liquide additionné d'un anticoagulant, l'hémoglobine, etc. La présence d'un agent tensioactif ionique ou non ionique n'est pas rédhibitoire vis-à-vis de la teneur en eau, à l'équilibre, du matériau de construction contenant des particules de polymère expansé et hydrophobe. Ainsi quand on prépare un béton allégé à partir (i) de billes de polystyrène expansé (de granulométrie d'environ 20 mm) ayant une teneur en eau résiduelle de 0,7 % p/p, (ii) d'un liant classique (ciment Portland), (iii) de sable et (iv) d'eau, on obtient un béton allégé ayant à l'équilibre une teneur en eau résiduelle de l'ordre de 20-30 I/mn3; et, quand on incorpore à la même composition un tensio-actif hydrophile (notamment un tensio-actif ionique), on obtient un béton allégé ayant à l'équilibre une teneur en eau résiduelle de l'ordre de 50-60 i/m3. Les agents accélérateurs de prise et les agents retardateurs de prise sont des produits bien connus dans le domaine des matériaux de construction quand on utilise les particules de polymère hydrophobe selon l'invention pour réalisation d'un béton ou mortier allégé en mettant en oeuvre un ciment à prise rapide, le séchage du matériau final intervient en quelques heures. Selon un second mode de réalisation, on remplace lors de la préparation du mélange particules organiques hydrophobes/liant/eau/adju- vant, qui contient le cas échéant une charge minérale, l'association particules organiques hydrophobes/adjuvant par des particules organiques hydrophobes sur lesquelles on a préalablement déposé(s), ou lié(s), notamment par covalence ou adsorption, le ou les adjuvants. La technique de fixation par liaison covalente ou par adsorption sur des particules de polystyrène ou de copolymère de styrène est connue en particulier dans le domaine des dosages immunologiques, o l'on fait appel à des particules de latex liées à (i.e. "sensibilisées par") un réactif immunologique, par exemple une protéine, un antigène ou un anticorps. Voir à cet effet le brevet US-A-5 175 112 et la demande PCT publiée correspondante WO-A-90 08 321. La liaison par covalence ou adsorption des particules organiques hydrophobes à l'adjuvant ou aux adjuvants est relativement faible dans le cadre de la mise en oeuvre de la présente invention. En effet, lors du malaxage, sous l'action du cisaillement ou frottement en présence du liant, la liaison particules organiques hydrophobes/adjuvant est rompue et l'adjuvant (ou une portion importante de celui-ci) se trouve réparti dans la masse du liant. Globalement, lesdites particules interviennent ici essentiellement en tant que véhicule ou vecteur de l'adjuvant en vue de son incorporation dans la masse du liant. D'autres avantages et caractéristiques que l'invention seront mieux compris à la lecture qui va suivre d'exemples de réalisation. Ces exemples ne sont nullement limitatifs mais sont donnés à titre d'illustration. 7 2763329 EXEMPLE 1 On malaxe à la température ambiante (15-25 C) dans une bétonnière un mélange constitué par les ingrédients (a) - (c) ci-après, l'ordre d'introduction de ces ingrédients dans la bétonnière étant le suivant liant (a), eau (b) puis particules de polystyrène (c) (a) liant hydraulique (ciment Portland CPJ 45) 400 kg (b) eau 1601 (c) particules de polystyrène (G = 10-15 mm; P = 12-13 g/l; et W = 0,7 % p/p) 800 1 o les abréviations G, P et W représentent la granulométrie, la masse volumique et respectivement la teneur en eau résiduelle desdites particules de polystyrène, en vue d'obtenir un produit du type béton pour chape. EXEMPLE COMPARATIF A1 On procède comme indiqué à l'exemple 1 ci-dessus en remplaçant les 800 1 de particules de polystyrène hydrophobe par 800 litres de particules de polystyrène moins hydrophobe (G = 10-15; P = 12-13 g/l; et W = ,1 % p/p). ESSAIS COMPARATIFS On a évalué la perte en eau des produits de l'exemple 1 et de l'exemple comparatif homologue Al. Dans ce but, on a coulé les mélanges, obtenus par malaxage selon Ex 1 et AI, dans des moules en bois (1,5 m x 1 m x 0, 1 m) dont l'intérieur (fond et paroi) était revêtu d'une pellicule de polyane de 150 micromètres d'épaisseur (relevée à la périphérie supérieure du moule) dite de lissage. La surface supérieure de chaque moulage a été lissée à la règle puis revêtue d'une pellicule de polyane (par exemple une pellicule commercialisée sous les noms de NIVARDUR ou NIVDURS ). Après démoulage les plaques obtenues ont été conservées à l'abri de la lumière et des courants d'air dans un local clos. Des éprouvettes (notamment du calibre 16-32) ont été confectionnées pour mesure de la masse volumique et de la résistance à la rupture en fonction du temps. Des échantillons ont été prélevés de ces éprouvettes, à équidistance de la périphérie et à des instants donnés, puis ont été placés dans des sacs plastiques pour transport jusqu'au CEBTP o la quantité d'eau résiduelle exprimée en % du poids initial a été mesurée. Les résultats obtenus figurent dans le tableau I ci-après o To représente l'instant du coulage dans le moule. TABLEAU I Teneur en eau à la température ambiante (15-25 C) Instant Teneur en eau Ai Ex 1 T=To + 20h 10 % 10 % T=To+ 72h 9, 5% 6% T =To + 168h 7,8 % 6 % 1:0 Les résultats du tableau I mettent en évidence qu'à l'instant T = To + 72 h (i.e. 3 jours après le coulage dans le moule) le mélange durci selon l'invention (Ex 1) est déjà stabilisé en ce qui concerne sa teneur en eau, alors que ce n'est pas encore le cas pour le mélange durci comparatif (A1) à l'instant T = To + 168 h (i.e. 7 jours après le coulage dans le is moule). EXEMPLE 2 ET ESSAIS COMPARATIFS On a préparé par malaxage dans une bétonnière suivant l'exemple 1 cidessus un mélange constitué (suivant leur ordre d'incorporation) des ingrédients (a), (b), (c) et (d) ci-après (a) sable (G = 0,1 - 3 rmn) 300 kg (b) liant hydraulique (ciment Portland CPA 55) 400 kg (c) eau 250 1 (d) particules de polystyrène (G = 10-15 mm; P = 14-15 g/I; et W = 0,5 % p/p) 8601 (o G, P et W sont définis comme indiqué ci-dessus), en vue d'obtenir un produit du type béton (Ex 2). On a également préparé un mélange homologue pour comparaison (A2) dans lequel on a remplacé les 860 I de particules de polystyrène 9 2763329 hydrophobe par 860 1 de particules de polystyrène moins hydrophobe (G = -15 mm; P = 14-15 g/l; et W = 6 % p/p). On a ensuite évalué la perte en eau à la température ambiante (15- C) selon les modalités indiquées ci-dessus. Les résultats consignés dans le tableau II mettent en évidence l'intérêt des particules de polystyrène hydrophobe selon l'invention. TABLEAU II Teneur en eau à la température ambiante (15-25 C) Instant Teneur en eau A2 Ex 2 T = To + 24h 11 % 11 % T=To+ 72h 9% 6,8% T = To+ 168h 8,5 % 5,5% T = To + 30j 7,3 % 5,5% EXEMPLE 3 ET ESSAIS COMPARATIFS On a préparé dans des conditions "tropicales" (température 45- C; taux d'humidité résiduelle: 60 %) par malaxage dans une bétonnière) des ingrédients (a), (b), (c) et (d) ci-après (a) sable (G = 0,1- 3 mm) 250 kg (b) liant hydraulique (ciment Portland CPA 45) 400 kg (c) eau 230 1 (d) particules de polystyrène (G =2-5 mm; P = 10-15 g/l; et W = 0,1 % p/p) 8001 (o G, P et W sont définis comme indiqué ci-dessus), en vue d'obtenir un produit du type béton (Ex 3). On a également préparé dans les mêmes conditions un mélange homologue pour comparaison (A3) dans lequel on a remplacé les 800 1 de particules de polystyrène hydrophobe par 800 1 de particules de polystyrène moins hydrophobe (G = 2-5 mm; P = 10-15 g/l; et W = 6 % p/p). On a ensuite évalué dans les conditions "tropicales" précitées la perte en eau selon les modalités indiquées ci-dessus. Les résultats consignés dans le tableau III mettent en évidence l'intérêt des particules de polystyrène hydrophobe selon l'invention. TABLEAU III Teneur en eau dans des conditions tropicales (45-50 C; HR = 60 %) Instant Teneur en eau A3 Ex3 T = To + 24h 15 % 15 % T = To + 72h 12 % 9 % T =To + 140h 11% 8,1% T =To+ 300h 9 % 8,1% T =To + 30 j 8,6 % 8,0 % o0 EXEMPLE 4 ET ESSAIS COMPARATIFS On a préparé par malaxage dans une bétonnière suivant l'exemple i ci-dessus un mélange constitué (suivant leur ordre d'introduction) des ingrédients (a), (b) et (c) ci-après, le liant hydraulique (a) étant ici un liant à prise et durcissement rapides (ciment Portland + plâtre) (a) liant hydraulique (pour prise et durcissement rapides) 400 kg (b) eau 1601 (c) particules de polystyrène (G = 5-10 mm; P = 10-13 g/I; et W =0,2 % p/p) 8001 (o G, P et W sont définis comme indiqué ci-dessus), en vue d'obtenir un produit de type béton pour chape (Ex 4). On prépare de la même façon un mélange homologue (A4) dans lequel on a remplacé les 800 1 de particules de polystyrène hydrophobe par 800 1 de particules de polystyrène moins hydrophobe (G = 5-10 mm; P = -13 g/l; et W = 6 % p/p). On a évalué la perte en eau à la température ambiante (15-25 C) comme indiqué ci-dessus. Les résultats obtenus sont consignés dans le tableau IV ci-après. TABLEAU IV Teneur en eau à la température ambiante (15-25 C) Instant Teneur en eau A4 Ex4 T=To+ 3h 3,8% 3,5% T =To + 20h 2, 7 % 2 % T =To +72h 2,1% 2 % Le tableau IV montre que le produit de l'exemple 4 est déjà stabilisé à l'instant T = To + 20 h. EXEMPLE S On a préparé par malaxage dans une bétonnière suivant l'exemple i cidessus un mélange constitué (suivant leur ordre d'introduction) des ingrédients (a), (b) et (c) ci-après: (a) liant hydraulique (pour prise rapide et retrait compensé à base de ciment de Portland) 400 kg (b) eau 160 1 (c) particules de polystyrène [(G = 1-5 mim; P = 10-13 g/l; et W =0,1 % p/p) sur lesquelles ont été déposés un fluidifiant pour béton et un colloïde entraîneur d'air] 1 000 1 (o G, P et W sont définis comme indiqué ci-dessus), en vue d'obtenir un produit de type béton pour chape. On a évalué la perte en eau à la température ambiante (15-25 C) comme indiqué ci-dessus. Les résultats obtenus montrent que la teneur en eau résiduelle du produit moulé est de 2 % à l'instant T = To + 24 h et que l'équilibre est obtenu en moins de 24 h. 12 2763329 1 2 EXEMPLE 6 En procédant selon l'exemple 5, mais en remplaçant le liant hydraulique par du ciment Portland normalisé et en rajoutant en tant que charge minérale un sable ou gravier usuel, on observe que l'équilibre est5 atteint en 7 jours au lieu de 60 à 90 jours pour un béton dépourvu de particules de polystyrène selon l'invention. 213 2763329 1 3 REVENDICATIONS 1. Utilisation de particules de polymère organique expansé dans la fabrication d'un matériau de construction du type béton, enduit et plâtre allégés, caractérisée en ce que l'on fait appel à un granulat comprenant des particules de polymère organique expansé et hydrophobe ayant une teneur en eau résiduelle, exprimée en poids par rapport au poids dudit granulat, lo inférieure ou égale à 5 % p/p, et mieux une teneur en eau résiduelle inférieure ou égale à 1 % p/p. 2. Utilisation suivant la revendication 1, caractérisée en ce que, après mise en équilibre, le matériau de construction a une teneur en eau résiduelle, exprimée en volume par rapport au volume initial du matériau de construction, inférieure à 100 1/mn3 et mieux une teneur en eau résiduelle inférieure ou égale à 60 l/m3. 3. Utilisation suivant la revendication 1, caractérisée en ce que, après mise en équilibre, le matériau de construction a une teneur en eau résiduelle comprise entre 20 et 50 l/m3. 4. Utilisation suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le matériau polymère hydrophobe et expansé est choisi parmi l'ensemble cons- titué par le polystyrène, les copolymères styrène/hydrocarbure éthyléni- quement insaturé et leurs mélanges. 5. Utilisation suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le matériau polymère hydrophobe et expansé est choisi parmi l'ensemble constitué par (i) le polystyrène, (ii) les copolymères styrène/éthylène, styrène/propylène, sty- rène/butylène, styrène/butadiène et styrène/isoprène ayant un 3 o rapport molaire motifs styrène/motifs hydrocarbure éthyléni- quement insaturé supérieur ou égal à 1/1, et (iii) leurs mélanges. 6. Granulat léger, utile notamment dans le domaine des matériaux de construction, caractérisé en ce qu'il comprend des particules de polymère 14 2763329 organique expansé et hydrophobe ayant une teneur en eau résiduelle inférieure ou égale à 5 % p/p. 7. Granulat suivant la revendication 6, caractérisé en ce qu'il est choisi parmi l'ensemble constitué par le polystyrène, les copolymères styrène/hydrocarbure éthyléniquement insaturé et leurs mélanges. 8. Granulat suivant la revendication 6, caractérisé en ce qu'il est choisi parmi l'ensemble constitué par (i) le polystyrène, (ii) les copolymères styrène/éthylène, styrène/propylène, sty- rène/butylène, styrène/butadiène et styrène/isoprène ayant un rapport molaire motifs styrène/motifs hydrocarbure éthyléni- quement insaturé supérieur ou égal à 1/1, et (iii) leurs mélanges. 9. Granulat suivant la revendication 6, caractérisé en ce qu'il est préalablement associé à un adjuvant classique des bétons, mortiers, enduits et plâtres allégés, notamment choisi parmi l'ensemble constitué par les agents tensioactifs, les agents fluidisants ou plastifiants et les colloides entraîneurs d'air. 10. Granulat suivant la revendication 9, caractérisé en ce que ledit adjuvant est lié par adsorption ou par covalence aux particules du polymère organique hydrophobe.