Brevet FR2811980A1 — publié le 20020125

l 2811980 COMPOSITION POUR PLAQUE DE PLATRE, PREPARATION DE CETTE COMPOSITION ET FABRICATION DE PLAQUES DE PLATRE La présente invention concerne une composition pour plaque de plâtre, un procédé pour la préparation de cette composition ainsi qu'un procédé de fabrication de plaques de plâtre ayant une résistance au feu fortement améliorée. Il est bien connu d'utiliser des plâques de plâtre pour réaliser des cloisons, des habillages d'éléments verticaux ou inclinés ou pour réaliser des plafonds suspendus ou non. Ces plaques sont généralement constituées d'une âme essentiellement en plâtre, recouverte sur chacune de ses faces par une feuille servant la fois d'armature et de parement et qui peut être constituée de carton ou de mats de fibres minérales. Le brevet américain n US 3 616 173 décrit une plaque résistante au feu, de faible densité (comprise entre 0,64 et 0, 8 g/cm3) dont le coeur est à base de plâtre, de fibres de verre, d'un mélange ou non d'argile, de silice colloïdale et/ou d'oxyde d'aluminium colloidal, et éventuellement de vermiculite non expansée. L Dirds Se Lbrevet, i' est précisé que les oxydes de silice et d'aluminiiumi, sous forme de poudre sèche, sont difficiles à disperser et de plus, onéreux. Pour cette raison notamment, ce brevet préconise l'utilisation d'argiles. La plaque de plâtre selon ce brevet, présente un retrait à haute température qui !? est assez faible mais sa tenue au feu est limitée Un telle plaque ne possède donc pas les propriétés nécessaires pour constituer une bonne protection contre l'incendie. La demande de brevet européen n0 0 470 914 de la Demanderesse a divulgué en 1992 une plaque de plâtre destinée à la protection contre l'incendie dont les faces sont recouvertes d'un matériau de renfort à base de fils et/ou de fibres en matière minérale et/ou réfractaire. Le coeur de cette plaque comprend: 1/58, 17/07/'00 1/17 2 2811980 - 55 à 94% de plâtre, - 0,1 à 5% de fibres minérales et/ou réfractaires, 2 à 25% de silice, - 1 à 15% de talc et/ou de mica, - et éventuellement de l'hydroxyde d'aluminium et/ou de la vermiculite expansée. Depuis, la Demanderesse a poursuivi ses travaux dans le domaine des plaques de plâtre, en vue d'améliorer, à la fois, la tenue mécanique à chaud, la cinétique de retrait et le transfert thermique de ses plaques de plâtre. Elle a maintenant atteint ses objectifs en mettant au point une composition pour plaque de plâtre comprenant: - de 55 à 92% de sulfate de calcium hydratable; - de 0,1 à 5% de fibres minérales et/ou réfractaires; - de 3 à 25% d'un additif minéral; - de 1 à 5% de vermiculite non expansée; - de 3 à 15 % d'alumine hydratée. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, on choisit la nature et la quantité du additif minéral de façon à ce que la composition pour plaque de plâtre contienne au maximum 2% de silice cristalline, et/ou au maximum 1% de silice cristalline alvéolaire, c'est-à-dire ayant des cristaux inférieurs à 5 microns. Une telle composition a alors l'avantage d'avoir une teneur en silice cristalline, notamment alvéolaire, conforme aux recommandations de l'International Agency for Research on Cancer, selon laquelle il convient de é6itirLe au maximum l'usage de silice cristalline alvéolaire, car ce composé est présumé présenter une toxicité maximale. L'invention a également pour second objet un procédé de préparation d'une composition pour plaque de plâtre, dans lequel on mélange les constituants de la composition pour plaque de plâtre définie ci-dessus dans un ordre quelconque. Enfin, l'invention a pour troisième objet un procédé de fabrication en continu de plaques de plâtre, comprenant essentiellement les étapes suivantes: ?\ '7, /07/00 2/' préparation d'une pâte par mélange des différents constituants de la composition avec de l'eau, dans un mélangeur; dépôDt de la pâte ainsi préparée sur le matériau de veilf 1, skli i ae.J ' eor cba{c,iF i sc' superieure do la pâte à i'aide d'un second matéeriau de renfors; le cas échéant, formage des bords de la plaque obtenue précédemment par moulage de la plaque fraîche sur des bandes profilées, ce formage consistant notamment à amincir les bords de la plaque; orise hydraulique du sulfate de calcium hydratable sur une ligne de fabrication alors que le ruban de plaque de sulfate de calcium hydratable chemine sur un tapis roulant; découpage du ruban en fin de ligne, suivant des longueurs déterminées; et séchage des plaques obtenues. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention vont maintenant être décrits en détail dans l'exposé qui suit et qui est donné en référence aux dessins, dans lesquels: - la Figure 1 représente l'évolution du retrait en fonction du temps pour les plaques Témoin, A et B; la Figure 2 représente l'évolution du retrait en fonction du temps pour les plaques Témoin, B, C et D, au cours d'un autre essai; - la Figure 3 représente l'augmentation de température en face non exposée des plaques de plâtre Témoin, A et B; la Figure 4 représente l'augmentation de température en face non exposée des plaques de plâtre Témoin, B et C, au cours d'un autre essai; et la Figure 5 représente l'augmentation de température en face non exposée des plaques de pl&tre Témoin et D, au cours d'un autre essai. L'invention a donc pour objet une composition pour plaque de plâtre permettant de fabriquer une plaque de plâtre ayant 17583-17/07/00-3/17 une résistance au feu fortement améliorée. Cette composition comprend (en % rapportés à l'ensemble du mélange sec): de 55 à 92% de sulfate de calcium hydratable ide 3 à 25%i d'un additif minéral - de 1 as de vermicul ite non expansee de 3 à 15 % d'alumine hydratée. Par "sulfate de calcium hydratable", il faut entendre, dans la présent exposé, un sulfate de calcium anhydre (anhydrite II ou lIi) ou un sulfate de calcium semi-hydraté CaSO., 1HO} sous sa forme cristalline (u ou J3. De tels composés sont bien connus de l'homme du métier et sont généralement obtenus par cuisson d'un gypse. Les fibres minérales et/ou réfractaires sont de préférence des fibres de verre. Elles peuvent être courtes (3 à 6 mm en moyenne) ou bien longues (10 à 24 mm en moyenne) ou de dimensions intermédiaires. De préférence, on utilise des fibres de verre ayant une longueur unique de 13 mm +/- 5 mm. On utilise en particulier des fibres issues d'un verre de type E, qui peuvent se présenter sous deux formes, l'une appelée "roving" et désignant des brins de verre fournis en bobines et coupés avant introduction dans le circuit habituel de mélange du sulfate de calcium hydratable avec l'eau ou bien sous forme de brins précoupés qui sont dosés avant le mélange aut su. raLe mc cacv cm r',yortaOaLe ave' i ' eau. On ut ilise de p référence des fibres ayant une longueur d'environ 13 mm (+/- 5 mm) et un diamètre d'environ 13 microns (+/- 5 /um). La fonction essentielle des fibres de verre est de conférer de la résistance mécanique à haute temperature, ce qui permet de conserver la cohésion du plâtre calciné. Comme additif minéral, on peut utiliser de nombreuses arg-ies. Les avantages procurés par les argiles sont, d'une part, le fait qu'elles libèrent l'eau dont elles sont constituées (eau de constitution) lorsqu'elles sont portées à une température comprise entre 100 et 600 C et d'autre part, -,-i','/ 07/'00 -4/ 1 le fait qu'elles compensent le retrait au feu du plâtre grâce à leur capacité à s'exfolier. De préférence, on choisit la nature et la quantité de l'additif minéral de façon à ce que la composition de plâtre contienne au maximum 2% de silice cristalline et/ou au maximum il de silice cristalline alvéolaire. On utilise donc avantageusement un additif minéral comportant au plus 7,5% de silice cristalline alvéolaire. Comme additif minéral, on peut utiliser un additif minéral comportant essentiellement un matériau argileux dont la quantité de silice cristalline est au plus égale à environ 15% en poids de l'additif minéral, et un complément minéral inerte, compatible avec le matériau argileux et dispersable dans le substrat de plâtre durci. Par exemple, on peut utiliser un additif minéral comprenant comme matériau argileux du kaolin, de l'illite, du quartz et, comme complément minéral de la dolomie. On met en particulier en oeuvre un additif minéral avant la composition suivante (en pourcentages massiques rapportés à la masse totale de additif minéral): - 25 % de kaolin; - 10 % d'illite; - 15 % de quartz; - 50% de dolomie. Er La somposition chimique calcinée de cet additif est la - SiO: 43 - TiO 1,1 - Al2,0: 15 - Fe-O: 1,6 - KO: 1,2 - CaO: 23 -MgO: 14z Sa granulométrie est exprimée par un refus à 63 Mm inférieur à 15%. Sa perte au feu à 900% est de 26,5%. 6 2811980 La composition selon l'invention comprend de la vermiculite non expansée, qui est un silicate d'alumine, de fer et de magnésium se présentant sous forme de paillettes qui s'expaosent a lune temperature supérieure à 200 C, ce qui permet de compenser le retrait du plâtre. En outre, la vermiculite non expansée améliore la résistance thermique du plâtre. De préférence, on utilise une vermiculite non expansée micronisée c'est-à- dire dont tous les grains sont inférieurs à !0 1 mm. Ceci a l'avantage de rendre possible une meilleure répartition de la vermiculite au sein du plâtre et d'eviter une expansion brutale engendrant des désordres structurels. L'alumine hydratée (ou trihydroxyde d'aluminium) est de préférence utilisée en granulométrie fine (diamètre médian de 10 microns environ). Elle a pour effet de donner lieu à une réaction endothermique complémentaire à celle du gypse, notamment par une teneur en eau de cristallisation de 35% environ, libérable entre 200 et 400 C. (le gypse contenant environ 20% d'eau libérable à environ 140 C). La composition selon l'invention peut en outre éventuellement comprendre jusqu'à 4%, notamment de 1 à 4%, d'acide borique, car ce produit perd avantageusement son eau de constitution à partir de 100 C, ce qui contribue à la résistance au feu de la plaque de plâtre. D'autre part l'acide borique modifie la structure cristalline du sulfate de calcium hydraté, de façon favorable au niveau du retrait au feu. La composition selon l'invention peut être préparée en mélangeant, pour 100 parties en poids de composition: - de 55 à 92 parties en poids de sulfate de calcium -,' hydratable; - de 0,1 à 5 parties en poids de fibres minérales et/ou réfractaires; - de 3 à 25 parties en poids d'un additif minéral; - de 1 à 5 parties en poids de vermiculite non expanse; - de 3 à 15 parties en poids d'alumine hydratée. La fabrication des plaques de plâtre peut s'effectuer essentiellement suivant les étapes suivantes: - préparation d'une pâte par mélange des différents constituants de la composition avec de l'eau; - dépôt de la pâte ainsi préparée sur le matériau de renfort, suivi du formage et de l'enrobage de la face supérieure de la pâte à l'aide d'un second matériau de renfort; - le cas échéant, fermage des bords de la plaque obtenue précédemment par moulage de la plaque fraîche sur des bandes profilées; prise hydraulique du sulfate de calcium hydratable sur une ligne de fabrication alors que le ruban de plaque de sulfate de calcium hydratable chemine sur un tapis roulant; - découpage du ruban en fin de ligne, suivant des longueurs déterminées; et - séchage des plaques obtenues. Après ce traitement, les plaques de plâtre sont prêtes à 1' emploi. Le matériau de renfort peut être à base de fibres minérales ou réfractaires. Il peut se présenter sous la forme d'un voile, d'un tissu ou d'un mât de fibres minérales de préférence en fibres de verre. Le voile, tissu ou mât peut être combiné à une nappe de fils continus enchevêtrés, de grilles de fils minéraux et/ou réfractaires ou sous d'autres formes Le matériau de renfort peut également être en carton. De préférence, on utilise un matériau de renfort fait de fils ou fibres en verre. La plaque de plâtre selon l'invention présente les avantages suivants: la composition peut être aisément formulée sous la forme d'une pâte fluide qui est ensuite transformée, avantageusement en continu, en plaque de plâtre, dans des installations classiques utilisées pour ce type de fabrication; - grâce à la présence d'un matériau de renfort extérieur, les bords de la plaque de plâtre peuvent être ,'r, S '/O07/00O -7/ 17 avantageusement formés, en particulier amincis, lors de la fabrication de la plaque; - elle constitue un protection efficace contre l'incendie ainsi des plaques selon l'invention, d'épaisseur de l l'ordrede 12,5mm et de densité d'ordre O,88g/cm 17583-17/07/00 8/17 - elle possède les caractéristiques d'usage exigées dans le domaine de la construction: telles que la raideur flexionnelle, la résistance mécanique aux chocs lourds, la résistance à l'humidité, et l'absence de fluage en prusence d'hiumdicé ou sous son propre poids lorsqu'elle est montée en plafond; - enfin, étant donné qu'elle peut être fabriquée selon un procédé simple et bien connu dans le domaine des plaque de plâtre et qu'en outre, les matières premières qui la constituent sont assez ben marché, la plaque de plâtre selon l'invention présente l'avantage d'être d'un coût de revient modéré. Les meilleures performances sont obtenues avec des plaques obtenues à partir de la composition suivante: - 70 à 80% de sulfate de calcium hydratable semi-hydrate; - 1% de fibres de verre; - 10 à 15% de l'argile décrite ci-dessus, constituée de 25 % de kaolin, de 10 % d'illite, de 15 % de quartz et de 50% de dolomie; - 2 à 4% de vermiculite micronisée non expansée; - 6 à 10% d'alumine hydratée; et - 0 à 2% d'acide borique. Bien entendu, sous réserve que les proportions attribuées à chacun des constituants essentiels soient respectées, on peut introduire dans la composition selon l'invention, à titre secondaire, des adjuvants utilisés usuellement pour faciliter -ia mise en oeuvre des autres constituants ou leur conférer à la cr c-,mpositioc des propriétés particulières supplémentaires. A titre d'exemples de tels adjuvants, on peut citer, les fluidifiants, les agents moussants, les accélérateurs de prise et les hydrofugeants. 3 a Exemples Tes exemples suivants sont donnés à titre uniquement illustratif et n'ont aucun caractère limitatif. Exemple 1 0il a prépaLrd une plaque temolin selon la demande de brevet eur-oupéen précitée n0 EP-A-0470914 et trois plaques A,B, C et D selon l'invention. L composltion des plaques est donnée dans le tableau suivant [ I _IlI_ Composition (1) Témoin A B C Plâtre 76 76 76 76 74 I- t_ _ _ __ _ --- - - -- - - Fibres de verre 1 1 1 1 1 Argile - 18 13 10 13 Vermiculite -2 4 3 2 Alumine 10 3 6 10 8 hydratée Acide borique - 2 Quartz 9 Talc 4 - Le sulfate de calcium hydratable utilisé provient de la cuisson industrielle de désulfogypse (FGD) L'argile mise en oeuvre était constituée de 25 % de kaolin, de 10 % d'illite, de 15 % de quartz et de 50% de dolomie. La vermicul ite utilisée était une vermiculite non expansee micronisée. Exemple 2 On a mesuré la tenue mécanique à chaud (appelée aussi cohésion du coeur à haute température) des plaques témoin, A, B, C et D préparées à l'Exemple 1. LIe test mis en oeuvre combine une sollicitation thermique exercée sur les deux faces de l'éprouvette au moyen d'un bec Mecker délivrant une flamme à une température constante de 1020 C, avec une sollicitation mécanique par traction sous une force de 0,2 kg/cm2. ,0n 17/07/00 10/1 / l l 2811980 Les paramètres enregistrés sont le temps de rupture et le retrait final. Les résultats sont donnés dans le tableau suivant: ra.ue emein r A B C A Temps de >100 >120 >120 109 93, 5 rupture (mn) Retrait _%) 4,4 2,7 T 2,95 1,5 1,13 On constate que la rupture des éprouvettes Témoi, A et B n'est pas aEteinte après 2 heures de sollicitation. D'autre hart, t Dutes les formules passent la durée de 1 heure 30. Peur toutes les éprouvettes de plaque de plâtre selon l' invention, il apparaît que la combinaison de vermiculite micronisée non expansée combinée avec l ' argile permet d'abaisser le retrait final à moins de 3%. L'éprouvette D contenant de l'acide borique présente le retrait le moins important. Exemple 3 On a mesuré la cinétique de retrait des plaques témoin, A, B, C et D préparées à l'Exemple 1. Le test mis en oeuvre consiste à exercer simplement la même sollicitation thermique que dans l'Exemple 2, en l'absence de troute contrairte m;carinque. Le paramètre enreqiscré est le retrait après 15, 30, 45 et minutes. Les résultats sont donnés dans le tableau suivant Retrait en % des plaques Temps t mn)_111Témoinr A b C T 3,0 1,3 1,4 0,3 0, 9 _ 3,0 1 1,4 1,1 0,5 1,2 3,2 1,6 1,7 0,8 1,1 3, 6 1,5 2, 5 1,2 0, 7 758 I - 1/0,7/0 13 2 2811980 La Figure 1 représente l'évolution du retrait en fonction du temps pour les plaques Témoin, A et B. La Figure 2 représente l'évolution du retrait en fonction du temps pour les plaques Témoin, B, C et D, au cours d'un La différence entre le Témoin et les éprouvettes selon l'invention est très nette, en particulier dans la phase initiale (jusqu'à 30 minutes). Le couple argile/vermiculite micronisée non expansée permet de diviser par 2 environ, le retrait par rapport au Témoin. On constate à nouveau que le retrait est minimal avec l 'éprouvette D contenant de l'acide borique. Exemple 4 On a mesuré le transfert thermique des plaques témoin, A, B, C et D préparées à l'Exemple 1. Le test consiste à exercer une sollicitation thermique sur une face de l'éprouvette, au moyen d'un bec Mecker dlivrant une flamme à une température constante de 1020 C. Les paramètres enregistrés sont la température de la face non exposée de l'éprouvette, le temps pour atteindre des valeurs correspondant au critère de classement Coupe Feu et Insulation selon l'Arrêté français d'août 99 et les normes EN 1363-1 et EN 13 501-2, dans laquelle dt = 140 C en moyenne ou 180 C maxi en un point. E co[mplément, on a également relevé le temps pouL lequel la température est de 400 C, car ce temps est une valeur significative du transfert thermique après déshydratation. Les résultats sont donnés dans le tableau suivant: Temps (s) pour atteindre la température Plaques Tetup('ature Tmnoin A B i C D !60C 595 525 655 640 570 C 645 615 710 690 635_ 400 C 945 _ 930 _13_ 1020 _ La Figure 3 représente l'augmentation de température en face non exposée des plaques de plâtre Témoin, A et B. La Figure 4 représente l'augmentation de température en :X; I. expûsée des plaques de plâtre Témoin, B et C, au ou -Sr d' un autre ssai. La Figure 5 représente l'augmentation de températute en face non exposée des plaques de plâtre Témoin et D, au cours d'un autre essai. Tous les essais sont effectués dans les mêmes conditions. On constate que les allures des courbes sont similaires avec un premier palier de vaporisation vers 100 C, puis un allre vers L20cC. Par ailleurs, le transfert thermique au travers de la plaque calcinée s'effectue jusqu'à un point maxi à 450 C. L'éprouvette A présente des résultats comparables à ceux de l'éprouvette Témoin. Toutes les autres éprouvettes selon l'invention présentent des résultats supérieurs à ceux de la plaque Témoin, notamment tant sur le plan de la durée du palier de vaporisation, garantissant ainsi un critère coupe-feu sur une durée plus longue, qu'un échauffement ralenti dans la zone 200 à 400 C. i 'E3 1!,/07';00 13/17 l;i 2811980 REVEND I CATIONS Composition pour plaque de plâtre comprenant: - de 55 à 924 de sulfate de calcium hydratable; - de 0,1 à 5% de fibres minérales et/ou réfractaires de 3 à 25% d'un additif minéral; - de 1 à 5% de vermiculite non expansee - de 3 à 15 % d'alumine hydratée. 2. Composition pour plaque de plâtre selon la revendication 1, dans laquelle l'additif minéral comporte essentiellement un matériau argileux dont la quantité de silice cristalline est au plus égale à environ 15% en poids de l'additif minéral, et un complément minéral inerte, compatible avec le matériau argileux et dispersable dans le substrat de plâtre durci. 3. Composition pour plaque de plâtre selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle on choisit la nature et la quantité de l'additif minéral de façon à ce que la composition de plâtre contienne au maximum 2% de silice cristalline. 4. Composition pour plaque de plâtre selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle on choisit la nature et la quantité de L'additf minéral de façon à ce que la composition de plâtre contienne au maximum 14 de silice cristalline alvéolaire. 5. Composition pour plaque de plâtre selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en que l'additif 3) minéral comprend du kaolin, de 1 ' illite, du quartz et de la dolomie. 6. Composition pour plaque de plâtre selon la revendication précédente, dans laquelle l'additif minéral comprend, en pourcentages massiques: % de kaolin; - 10 % d'illite - 1% de quartz; 175383-17/07/00-14/17 - 50% de dolomie. 7. Composition pour plaque de plâtre selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la vermiculite non expansée est micronisée. 8. Composition pour plaque de plâtre selon l'une des revendications précédentes, comprenant en outre jusqu' à 4% d'acide borique. 1 ( 9. Composition pour plaque de plâtre selon l'une des revendications précédentes, comprenant: - 70 à 80% de sulfate de calcium hydratable; - 1% de fibres de verre; à 15% de l'argile décrite ci-dessus, constituée de 25 % de kaolin, de 10 % d'illite, de 15 % de quartz et de % de dolomie; - 2 à 4% de vermiculite micronisée non expansée; - 6 à 10% d'alumine hydratée; et - 0 à 2% d'acide borique. 10. Plaque de plâtre constituée d'une composition durcie selon l'une des revendications précédentes. 11. Plaque de plâtre selon la revendication précédente, caractérisée en ce qu'au moins une de ses faces est revêtue par un matériau de renfort à base de fibres minérales et/ou réfractaires, ou à base de carton. l. laque de plâtre selon la revendication précédente, caractérisée en ce que ses deux faces sont revêtues chacune par un matériau de renfort à base de fibres de verre. 13. Procédé de préparation d'une composition selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel on mélange entre eux les consticuants de la composition, dans un ordre quelconque. 17583-17/07/00-15/1'/ 14. Procédé de fabrication en continu de plaques de plâtre, comprenant essentiellement les étapes suivantes: - préparation d'une pâte par mélange des différents constituants de la composition selon l'une des revendications 1 à 9 avec de l'eau; - dépôt de la pâte ainsi préparée sur le materiau de renfort, suivi du formage et de l'enrobage de la face supérieure de la pâte à l'aide d'un second matériau de renfort; - le cas échéant, formage des bords de la plaque obtenue précédemment par moulage de la plaque fraîche sur des bandes profilées; - prise du sulfate de calcium hydratable sur une ligne de fabrication alors que le ruban de plaque de sulfate de calcium hydratable chemine sur un tapis roulant; - découpage du ruban en fin de ligne, suivant des longueurs déterminées; et - séchage des plaques obtenues. -F8- 17/OC'//00 16 17