Brevet FR2780396A1 — publié le 19991231

NOUVEAUX AGENTS DE TYPE POLYCONDENSAT POUR AMELIORER LA MANIABILITE DES LIANTS HYDRAULIQUES, LEUR PROCEDE DE PREPARATION, LES LIANTS LES CONTENANT ET LEURS APPLICATIONS La présente invention concerne le secteur technique des mortiers, bétons, plâtres et autres compositions à base de ciment, plâtres c'est-à-dire de manière générale des composés ou liants hydrauliques, et en particulier les agents capables de modifier leurs caractéristiques rhéologiques, notamment la maniabilité. La maniabilité peut être définie comme la propriété d'un laitier ou coulis de ciment ou mortier ou, de manière générale, de liant hydraulique, à rester maniable durant un temps aussi long que possible, c'est-à-dire capable d'être déplacé d'un réservoir vers un autre, d'être stocké, d'être pompé avec facilité ou avec une relative facilité, et d'être transporté sur un site d'utilisation, et caractéristiques analogues, et donc de présenter une caractéristique prolongée d'utilisation. On peut évaluer cette propriété par le temps de fluidité du liant hydraulique. L'influence essentielle de ces agents réside dans le fait que la viscosité du laitier ou coulis reste stable durant une période prolongée. La viscosité est stable sur une longue période, mais n'est pas obligatoirement plus faible qu'avec d'autres produits. Ces agents sont à distinguer des retardateurs de prise, dont la fonction est de retarder la prise en masse du liant hydraulique. Depuis longtemps l'homme du métier étudie des additifs destinés à être utilisés comme agent fluidifiant sans un effet significatif quelconque sur le retard de prise. Il en est ainsi du EP 0 303 747 qui décrit des copolymères de l'acide (méth)acrylique (20 à 40 % molaire) et d'esters (méth)acryliques hydroxyalkylés (80 à 60 % molaire) de poids moléculaire élevé (minimum 70 000 g/mole) ou encore du EP 0 556 061 qui décrit des copolymères de l'anhydride maléique et de monomères tensio-actifs allylés, oxyalkylés et fonctionnalisés par des groupes alkyles courts (1 à 4 carbones). Un autre document (EP 0 490 681) décrit, quant à lui, un additif destiné à améliorer la maniabilité des ciments et des mortiers ainsi qu'à augmenter le temps de maniabilité. Cet additif est constitué d'un mélange à trois composants: un sel de lignosulfonate, un copolymère de l'anhydride maléique et d'un allyl oxyalkylène d'alkyle (pour des ratios molaires respectifs variant de 1 à 3 et des masses moléculaires revendiquées entre 1000 et 200 000) et un tensio-actif anionique. L'homme du métier connaît encore le EP 0 725 043 qui décrit un agent dispersant pour ciment et mortier qui limite le phénomène de retrait lors du séchage, évitant ainsi l'apparition de craquelures. La macromolécule est définie comme un acide polycarboxylique (ainsi que ses sels) greffé ou modifié par des oligoalkylène glycols et des polyalkylène glycols. La définition extrêmement globale des polyacides inclut les copolymères styrène- maléique, allyléther-maléique, diisobutylène-maléique, acryliques et méthacryliques. Les oligomères sont les éthers de bas poids moléculaire très utilisés, notamment en peinture, comme solvants de coalescence. Les synthèses des copolymères styrène-anhydride maléique et allylmaléique sont effectuées dans le solvant puis le polyanhydride obtenu est greffé à l'aide des alcools. Dans le cas des acryliques, des monomères oxyalkylés sont réalisés avec du chlorure d'acryloyle puis copolymérisés dans l'isopropanol en présence d'acide (méth)acrylique. Enfin, il connaît encore le EP 0 753 488, qui décrit des terpolymères de l'acide acrylique ou méthacrylique (6 à 60 %), d'un acrylate ou méthacrylate d'alkoxy polyéthylène glycol (40 à 94 %) et d'un tiers monomère (0 à 10 %) comme agents dispersants extrêmement efficaces pour réduire les problèmes de maniabilité, même pour des ciments très pauvres en eau. L'état général de la technique montre que tous les nouveaux fluidifiants destinés à la maniabilité du ciment sont des polymères hydrosolubles, acryliques ou maléiques (contrairement à l'art antérieur o il s'agissait de lignosulfonates, de résines phénol- formol sulfonées, de tensio-actifs) carboxyliques et fortement fonctionnalisés avec alkoxy courts (1 à 4 carbones) polyéthylènes glycols. Par ailleurs, un inconvénient majeur de l'art antérieur réside dans la présence d'une chaîne carboxylique, car une telle chaîne confère une propriété importante de retard de prise. Or, si l'industrie souhaite d'une part augmenter la maniabilité, c'est-à-dire la durée d'utilisation d'un liant, elle ne souhaite d'autre part absolument pas que, au moment choisi pour l'utilisation, la prise soit retardée. Il subsiste donc entre autres un besoin important pour un agent de maniabilité qui ne retarderait pas ou pratiquement pas le temps de prise du liant hydraulique. Il a été découvert selon l'invention que l'utilisation, avec les ciments, de polycondensats obtenus par réaction de polyalkylène glycols et plus particulièrement de polyéthylène glycols et leurs dérivés avec des isocyanates et des alcools de bas poids moléculaire aboutissant à la synthèse de polycondensats hydrosolubles ou partiellement hydrosolubles, permet d'augmenter notablement la maniabilité des mortiers, bétons, plâtres et autres compositions à base de ciment ou à base de plâtre (ci-après définis comme composés hydrauliques). Cette maniabilité se traduit par une augmentation du temps de fluidité du composé hydraulique résultant, permettant une utilisation prolongée dudit composé. L'invention concerne de nouveaux agents de maniabilité pour les liants hydrauliques, caractérisés en ce qu'ils consistent en polycondensats obtenus par réaction de polyalkylène glycols et plus particulièrement de polyéthylène glycols (PEG) et de leurs dérivés tels que par exemple les copolymères de l'oxyde d'éthylène et de l'oxyde de propylène avec des mono-, di- ou triisocyanates et éventuellement des alcools de bas poids moléculaire. On obtient ainsi des polycondensats hydrosolubles ou partiellement hydrosolubles. Selon un mode de réalisation préférée de l'invention, faisant intervenir un alcool de bas poids moléculaire, la réaction est effectuée en deux étapes, la première constituant une étape de précondensation. Durant l'étape de précondensation, on fait réagir un isocyanate avec l'alcool de bas poids moléculaire. Durant la seconde étape, on termine la polycondensation en faisant réagir la seconde fonction isocyanate ou du di- ou triisocyanate ou bien un second isocyanate sur les groupes hydroxy du PEG introduits sur le précondensat. Au terme des deux étapes, tous les groupes hydroxy ont donc réagi avec les groupes isocyanate NCO. Les nouveaux agents selon l'invention sont donc des produits que l'on peut qualifier de 100 % PUR (polyuréthanne). On utilisera de préférence, mais de manière non limitative, le toluène diisocyanate (TDI) comme diisocyanate. D'autres isocyanates préférés seront à titre non limitatif les suivants: comme diisocyanate, outre le TDI, il est possible d'utiliser, par exemple, le 1,4 tétraméthylène diisocyanate, le 1,6 hexaméthylène diisocyanate, le 2,2,4 triméthyl 1,6 diisocyanatohexane, le 1,10 décaméthylène diisocyanate, le 4,4 méthylène- bis(isocyanatocyclohexane), le 1,4 cyclohexylène diisocyanate, le 1isocyanato 3- isocyanatométhyl-3,5,5-triméthylcyclohexane, les m- et p-phénylène diisocyanate, le xylène diisocyanate, le 4-chloro 1,3-phénylène diisocyanate, le 4,4'-méthylène diphénylisocyanate, le 1,5 naphtalène diisocyanate, le tétrahydronaphtylène diisocyanate. Comme mono isocyanate pouvant être utilisé dans la présente invention, on peut également citer, à titre d'exemple et de manière non limitative l'isocyanate de para-bromophenyle, l'isocyanate de tert-butyle, l'isocyanate de n- butyle, l'isocyanate de chloro-3-methyl-4-phenyle, les isocyanates de méta-, ortho- et para-chlorophenyle, l'isocyanate de cyclohexyle, l'isocyanate de dichlorophényle, l'isocyanate d'éthyle, l'isocyanate de p- fluorophényle, l'isocyanate d'isobutyle, l'isocyanate d'isopropyle, l'isocyanate de méthyle, l'isocyanate d'alpha-naphtyle, l'isocyanate de n-octadécyle, l'isocyanate de phényle, l'isocyanate de propyle, l'isocyanate de stéaryle, l'isocyanate d'alpha-tolyle ou encore l'isocyanate de paratolyle. Comme tri-isocyanate pouvant être utilisé dans la présente invention, on peut également citer à titre d'exemple et de manière non limitative les condensats dérivés de l'hexaméthylène diisocyanate de type " biuret " ou " trimère " respectivement représentés par les formules chimiques o Il OCN- (H2)6-/ C---N-r- (CH2)6 --NOO::X3 C NH--(CH2)6 --O II o OCN -(CH2)6-N/ W-)6 NCO = TRIMERE I I ou "isocyanurate" O;... - N- % O O (CH2)6- NCO D'autre part on peut citer comme polyalkylène glycols utilisables selon l'invention, et de manière non limitative, les polypropylène glycols ou les PEG. De manière préférentielle les PEG utilisables selon l'invention seront à titre non limitatif les PEG de poids moléculaire compris entre 200 et 40 000, de préférence entre 2 000 et 000, et de manière encore préférée entre 4 000 et 10 000, ainsi que les condensats mixtes statistiques ou blocs (séquencés) d'oxyde d'alkylène et plus particulièrement d'oxyde d'éthylène et d'oxyde de propylène. On pourra utiliser les deux fonctions du même diisocyanate, ou toutes les fonctions NCO de l'isocyanate lorsqu'il en comporte plus de deux, pour les deux étapes, ou deux fonctions de deux isocyanates différents. Les doses d'emploi sont comprises entre 0,05 % et 0,5 % en poids sec de polycondensat par rapport au poids sec de ciment ou de plâtre, de préférence entre 0,1 % et 0,2 % en poids sec de polycondensat par rapport au poids sec de ciment ou de plâtre. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui va suivre, et en se référant aux dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 représente le schéma d'un " maniabilimètre ", - les figures 2 et 3 représentent le tracé de courbes de temps d'écoulement au " maniabilimètre ", dont le protocole de mesure est donné ci-dessous, en fonction du temps au terme duquel est effectuée la mesure. Plus la courbe présente une allure La figure 2 regroupe les essais 1 à 6 et le témoin 11. La figure 3 regroupe les essais 7 à 13 et le témoin 11. Les courbes sont tracées sur la base des résultats présentés dans les tableaux ci-après. Les exemples suivants illustrent l'invention sans toutefois en limiter la portée. EXEMPLE 1 Cet exemple concerne la fabrication d'un mortier avec différents agents et la détermination de l'efficacité de chacun des agents testés comme agent de maniabilité. Pour ce faire, pour tous les essais (essais n 1 à 10) on fabrique le mortier selon le mode opératoire suivant: On pèse 1890 g de sable CEN EN196-1 conforme à la norme ISO 679 dans le bol inox d'un mélangeur planétaire et on introduit, en pluie sous agitation à 45 tours par minute (T/mn) et en 30 secondes 630 g de ciment CEM 1 52, 5R. L'agitation est alors poursuivie pendant 30 secondes supplémentaires. Puis le mélange constitué de 315 g d'eau et de 0,16 % en poids sec d'agent de maniabilité à tester (à l'exception de l'essai n 2 dans lequel le naphtalène sulfonate de sodium est ajouté à raison de 1,00 % en poids sec) par rapport au poids de ciment est ensuite coulé en 30 secondes à la même agitation. Le mortier alors obtenu est ensuite agité pendant 2 minutes à 85 T/mn. Sur le mortier ainsi réalisé, on procède pour chacun des essais, à la mesure de maniabilité. Pour cette mesure, le test est démarré à la fin des 2 minutes d'agitation en remplissant le vibrateur V (SINEX Type VS 130) avec le mortier précédemment réalisé et en mesurant la durée d'écoulement, après enlèvement de la cloison A (voir Figure 1), sous vibration, au temps T (voir Figure 1) jusqu'au repère en encoche placé dans la paroi verticale B (voir Figure 1). Cette mesure est répétée toutes les 15 minutes ou plus jusqu'à ce que la durée d'écoulement dépasse 30 secondes, puis la courbe est tracée (tableaux pages 10 à 12 et graphes figures 2 et 3). Comme on le sait, une action de fluidification est possible avec de la mousse. Pour les essais, on cherchera donc à ne pas produire de mousse afin de ne pas fausser les résultats de maniabilité. Dans certains cas, un ajout d'antimousse permettra d'éliminer l'effet fluidifiant de la mousse. Quand aucune mousse ne se forme, en particulier pour les chaînes alkyles inférieures à C6-C8 fonctionnalisant le polyuréthanne, aucun antimousse n'a été utilisé. Essai n 1 Cet essai illustre l'art antérieur et met en oeuvre un polyacrylate de sodium de Mw=3500. Essai n 2 Cet essai illustre l'art antérieur et met en oeuvre un naphtalène sulfonate de sodium. Essai n 3 Cet essai illustre l'invention et met en oeuvre un agent de structure (Méthoxy PEG- TDI-Méthoxy PEG) obtenu par réaction du TDI (toluène diisocyanate) avec un méthoxy PEG de Mw = 350. Essai n 4 Cet essai illustre l'invention et met en oeuvre un agent de structure (Propoxy PEG TDI-Propoxy PEG) obtenu par réaction du TDI avec un PEG copolymère bloc d'oxyde d'éthylène (OE) et d'oxyde propylène (OP) de Mw = 5000 avec un rapport OE/OP = 4/1. Dans cet essai, il est mis en oeuvre un antimousse à raison de 5 % en poids par rapport au poids de l'agent de maniabilité dilué à 30 % et mis en oeuvre dans l'essai. Cette quantité d'antimousse est choisie afin d'éliminer toute interférence de mousse sur la mesure de maniabilité. Essai n 5 Cet essai illustre l'invention et met en oeuvre un agent de structure (Alcool-TDI- PEG-TDI-Alcool) obtenu par la précondensation du TDI avec le propanol-1 suivie de la condensation d'un PEG de Mw = 10 000. Essai n 6 Cet essai illustre l'invention et met en oeuvre un agent de structure (Alcool-TDI- PEG-TDI-Alcool) obtenu par la précondensation du TDI avec le propanol-2 suivie de la condensation d'un PEG de Mw = 10 000. Essai n 7 Cet essai illustre l'invention et met en oeuvre un agent de structure (Alcool-TDI- PEG-TDI-Alcool) obtenu par la précondensation du TDI avec l'octanol-1 suivie de la condensation d'un PEG de Mw = 10 000. Dans cet essai, il est mis en oeuvre un antimousse à raison de 5 % en poids par rapport au poids de l'agent de maniabilité dilué à 30 % et mis en oeuvre dans l'essai. Cette quantité d'antimousse est choisie afin d'éliminer toute interférence de mousse sur la mesure de maniabilité. Essai n 8 Cet essai illustre l'invention et met en oeuvre un agent de structure (Alcool-TDI- PEG-TDI-Alcool) obtenu par la précondensation du TDI avec le dodécanol suivie de la condensation d'un PEG de Mw = 10 000. Dans cet essai, il est mis en oeuvre un antimousse à raison de 5 % en poids par rapport au poids de l'agent de maniabilité dilué à 30 % et mis en oeuvre dans l'essai. Cette quantité d'antimousse est choisie afin d'éliminer toute interférence de mousse sur la mesure de maniabilité. Essai n 9 Cet essai illustre l'invention et met en oeuvre un agent de structure (Alcool-TDI- PEG-TDI-Alcool) obtenu par la précondensation du TDI avec le propanol-2 suivie de la condensation d'un PEG de Mw = 8 000. Essai n 10 Cet essai illustre l'invention et met en oeuvre un agent de structure (Alcool-TDI- PEG-TDI-Alcool) obtenu par la précondensation du TDI avec le propanol-2 suivie de la condensation d'un PEG de Mw = 4 000. Essai n1 11 Cet essai est un essai témoin, dans lequel le mortier est fabriqué sans agent de maniabilité. Les résultats durée d'écoulement en fonction du temps de vieillissement du mortier sont rassemblés dans les tableaux I-I, I-II et I-III suivants. TABLEAU I-I Exemple 1 / Essai 1 Exemple 1 / Essai 2 Temps Durée d'écoulement (s) Temps Durée d'écoulement (s) (mn) (mn) 6,8 11,31 3,3 1,55 41,6 13,96 40,45 3,95 58,2 18,96 71,52 8,9 72,13 27,4 105,83 16,67 87,68 37,92 134,9 57,51 106,05 58,59 122,02 85,75 Exemple 1 / Essai 3 Exemple 1 / Essai 4 Temps Durée d'écoulement (s) Temps Durée d'écoulement (s) (mn) (mn) 3,23 3,55 3,13 4,54 46,28 6,37 58,47 8,38 93,75 11,83 108,73 20,93 133,06 31,64 147,42 46,7 TABLEAU I -II Exemple 1 / Essai 5 Exemple 1 / Essai 6 Temps Durée d'écoulement (s) Temps Durée d'écoulement (s) (mn) (mn) 3,4 2,86 3,53 3,41 41,67 4,08 60,3 5,74 81,88 7,6 120,58 15,32 114,77 13,86 154,12 33,56 ,87 28,31 Exemple 1 / Essai 7 Exemple 1 / Essai 8 Temps Durée d'écoulement (s) Temps Durée d'écoulement (s) (mn) (mn) 3,2 2,91 3,18 3,22 62,3 4,78 71,32 6,35 ,4 10,97 113,48 10,61 153,93 29,55 161,77 43,83 TABLEAU I -III Exemple 1/ Essai 9 Exemple 1 / Essai 10 Temps Durée d'écoulement (s) Temps Durée d'écoulement (s) (mn) (mn) 3,33 4,12 3,12 4,05 66,58 7,57 62,33 7,27 134,5 32,36 124,58 16,25 ,08 40,33 i Exemple 1 / Essai 11 Temps Durée d'écoulement (s) (mn) 7,63 13,54 42,58 24,51 57,9 47,84 74,35 72,55 92,06 102,22 La lecture des tableaux I-I, I-Il, I-III et des figures 2 et 3 montre que le ciment sans additif présente une très mauvaise caractéristique de maniabilité, ainsi que les produits de l'art antérieur, alors que les produits selon l'invention présentent une bonne caractéristique de maniabilité. Certains produits de l'art antérieur présentent une bonne caractéristique de maniabilité, mais, comme on l'a indiqué plus haut, avec le grave inconvénient de retarder nettement ou considérablement la prise. EXEMPLE 2 Cet exemple illustre la variation de la quantité d'agent de maniabilité. Essain 12 Cet essai illustre l'invention et met en oeuvre l'agent de maniabilité de l'essai n 4 de l'exemple 1 à raison de 0,2 % en poids sec d'agent de maniabilité par rapport au poids sec de ciment, en présence d'antimousse mis en oeuvre dans les mêmes quantités et conditions opératoires que dans les essais de l'exemple 1. Essai n 13 Cet essai illustre l'invention et met en oeuvre l'agent de maniabilité de l'essai n 7 de l'exemple 1 à raison de 0,1 % en poids sec d'agent de maniabilité par rapport au poids sec de ciment, en présence d'antimousse mis en oeuvre dans les mêmes quantités et conditions opératoires que dans les essais de l'exemple 1. La mesure de maniabilité a été effectuée selon le protocole de la méthode décrit ci- dessus. Les résultats sont rassemblés dans le tableau II suivant: TABLEAU II Exemple 2 / Essai 12 Exemple 2 / Essai 13 Temps Durée d'écoulement (s) Temps Durée d'écoulement (s) (mn) (mn) 3,23 3,63 3,15 3,29 57,37 8,29 53,32 6,09 101,62 15,5 99,55 10,44 141,92 35,06 142,17 25,35 171,77 61,9 / / La lecture du tableau II et de la figure 3 permet de voir que l'agent de maniabilité selon l'invention peut être utilisé en quantité allant de 0,1 % à 0,2 % en poids sec de polycondensat par rapport au poids sec de ciment. Les nouveaux agents selon l'invention sont applicables à tous les types de mortiers, bétons, plâtres, mélanges à base de ciment, de plâtre ou " liants hydrauliques ", dans toutes leurs applications dans les domaines de la construction et du bâtiment tels que par exemple les éléments préfabriqués et l'assemblage de ces éléments, des travaux publics (fondations, tunnels, éléments préfabriqués, etc...) ou des services pétroliers et parapétroliers comme la cimentation des puits, le grouting ou opérations analogues. L'homme du métier saura adapter ce qui précède à d'autres polycondensats en utilisant des réactifs connus. REVENDICATIONS 1. Nouveaux agents de maniabilité pour les liants hydrauliques, caractérisés en ce qu'ils consistent en polycondensats obtenus par réaction de polyalkylène glycols et plus particulièrement polyéthylène glycols (PEG) et de leurs dérivés tels que les copolymères d'oxyde d'alkylène et plus particulièrement de l'oxyde d'éthylène et de l'oxyde de propylène avec des mono-, di- ou triisocyanates et éventuellement des alcools de bas poids moléculaire. 2. Nouveaux agents de maniabilité pour les liants hydrauliques, selon la revendication 1, caractérisés en ce qu'ils consistent en polycondensats hydrosolubles ou partiellement hydrosolubles. 3. Nouveaux agents de maniabilité pour les liants hydrauliques, selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisés en ce que l'on fait réagir des monoisocyanates. 4. Nouveaux agents de maniabilité pour les liants hydrauliques, selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisés en ce que l'on fait réagir des diisocyanates. 5. Nouveaux agents de maniabilité pour les liants hydrauliques, selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisés en ce que l'on fait réagir des triisocyanates. 6. Nouveaux agents de maniabilité pour les liants hydrauliques, selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisés en ce que l'on fait réagir des PEG de poids moléculaire compris entre 200 et 40 000. 7. Nouveaux agents de maniabilité pour les liants hydrauliques, selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisés en ce que l'on fait réagir des PEG de poids moléculaire compris entre 2 000 et 20 000. 8. Nouveaux agents de maniabilité pour les liants hydrauliques, selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisés en ce que l'on fait réagir des PEG de poids moléculaire compris entre 4 000 et 10 000. 9. Nouveaux agents de maniabilité pour les liants hydrauliques, selon l'une quelconque des revendications 1,2,4 et 6 à 8, caractérisés en ce que qu'on utilise le toluène diisocyanate (TDI) comme diisocyanate. 10. Procédé de fabrication des nouveaux agents de maniabilité selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la réaction est effectuée en deux étapes, la première constituant une étape de précondensation. 11. Procédé de fabrication des nouveaux agents de maniabilité selon la revendication 10, caractérisé en ce que durant l'étape de précondensation, on fait réagir un isocyanate avec l'alcool de bas poids moléculaire. 12. Procédé de fabrication des nouveaux agents de maniabilité selon la revendication ou 11, caractérisé en ce que durant la seconde étape, on termine la polycondensation en faisant réagir la seconde fonction isocyanate ou du di- ou triisocyanate ou bien un second isocyanate sur les groupes hydroxy du PEG (ou son dérivé) introduits sur le précondensat. 13. Liants hydrauliques comme les bétons, mortiers, plâtres, mélanges à base de ciment, mélanges à base de plâtre, caractérisés en ce qu'ils contiennent entre 0,05 % et 0,5 % en poids sec par rapport au poids sec de ciment ou de plâtre, de préférence entre 0,1 % et 0,2 % en poids sec d'un agent de maniabilité selon l'une quelconque des revendications 1 à 9. 14. Liants hydrauliques comme les bétons, mortiers, plâtres, mélanges à base de ciment, mélanges à base de plâtre, caractérisés en ce qu'ils contiennent entre 0,05 % et 0,5 % en poids sec par rapport au poids sec de ciment ou de plâtre, de préférence entre 0,1 % et 0,2 % en poids sec d'un agent de maniabilité fabriqué selon l'une quelconque des revendications 10 à 12. 15. Application des liants hydrauliques selon la revendication 13 ou 14, dans la construction, le bâtiment, les travaux publics, ou les ciments pétroliers et les services parapétroliers.