Brevet FR2859743A1 — publié le 20050318

PRODUIT CIMENTAIRE EN PLAQUE, ET PROCEDE DE FABRICATION io La présente invention se rapporte au domaine de la fabrication de produits à base de ciment (généralement du ciment Portland) ou autre liant hydraulique armé ou renforcé de fibres. Elle concerne plus particulièrement la fabrication de produits en feuille ou en plaque, utilisables comme éléments de construction, notamment comme articles de couverture, clins ou bardages. La fabrication de ces produits se fait couramment selon une technologie dite papetière par voie humide, qui tire profit de la présence des fibres dans le mélange. Cette technique consiste à former une feuille qui s'apparente à un papier, par filtration à partir d'une suspension aqueuse fluide obtenue par mélange essentiellement de ciment, de fibres et d'eau; la feuille ou éventuellement une superposition de feuilles étant ensuite essorée par succion et/ou pression. Les fibres, généralement de cellulose, se fixent sur le filtre en constituant un tamis supplémentaire ou armature de filtration, dont les mailles ont une taille apte à retenir les particules même fines de ciment ou d'autre liant ou additif ainsi qu'une part importante d'eau, laquelle contribue à la cohésion de l'épaisseur en formation sur le tamis. Suivant une technique particulière, le filtre est constitué par un tambour recouvert d'une toile filtrante installé dans une cuve contenant la suspension: le tambour étant mis en rotation dans la cuve, la pression hydrostatique force une partie de l'eau à traverser la toile alors que les solides que sont les fibres de cellulose, les particules de ciment et d'autres additifs s'accumulent sur le tamis du tambour en une couche fine dont l'épaisseur augmente avec la rotation du tambour. C'est la technique dite de Hatschek. Pour les produits de bardage ou clins, le matériau en plaque n'a pas la résistance mécanique nécessaire et il subit dans la plupart des cas un traitement d'autoclavage à température élevée ( supérieure à 150 C) à forte pression (à la pression de saturation de l'ordre de quelques bars), le cas échéant après avoir subi un premier pressage mécanique (en cylindre format et/ou en presse). La composition du mélange comprend principalement du ciment Portland, des fibres de cellulose, et du sable siliceux broyé (parfois désigné sous le terme silice broyée). Au cours du traitement d'autoclavage, ce sable broyé réagit avec les constituants du ciment pour donner une matrice stabilisée, qui possède une faible variation longitudinale en fonction de la variation du taux d'humidité, et de meilleure résistance mécanique, dans laquelle les fibres de cellulose apportent un io renfort mécanique supplémentaire. De tels produits sont décrits notamment dans le document EP 1 227 199. Toutefois, l'inclusion de sable broyé impose aux industriels de doter leurs usines de moyens de broyage spécifiques entraînant de nombreuses contraintes en termes de maintenance, de stockage et de coût d'exploitation. L'invention a pour objet de proposer des nouvelles formulations susceptibles de conduire à des performances de stabilité dimensionnelle et/ou mécaniques acceptables en limitant les inconvénients relatifs à l'utilisation de sable broyé. A cet égard, l'invention a pour objet un produit en plaque comprenant une matrice cimentaire armée de fibres, préparé à partir d'un matériau en feuille par filtration sur un tamis d'une suspension aqueuse comprenant au moins un liant hydraulique tel que du ciment (en particulier du ciment Portland) et au moins un matériau fibreux, des épaisseurs dudit matériau en feuille étant superposées jusqu'à obtention de l'épaisseur finale voulue pour donner une plaque qui est ensuite autoclavée, dans lequel la matrice ne comprend pas de sable siliceux. Dans la présente demande on entend par sable siliceux, le matériau également connu sous le nom de silice broyée généralement préparé sur site par broyage de sable de type quartzique. En effet, la réduction de taille liée à l'opération de broyage du sable siliceux s'accompagnant d'une amorphisation au moins partielle des particules de matériau, lui conférant une réactivité accrue vis-à-vis du ciment, les propriétés désirées, telles que les propriétés de résistances mécaniques, peuvent notamment être avantageusement obtenues en substituant au sable siliceux une matière réactive susceptible d'engager la même réaction avec le ciment, avec formation de silicate de calcium. Ainsi, on peut avantageusement utiliser en remplacement total ou partiel du sable siliceux au moins une pouzzolane ou une matière à réactivité pouzzolanique, cette pouzzolane ou matière étant en particulier choisie parmi les aluminosilicates, calcium aluminosilicates et la silice amorphe. De façon particulièrement avantageuse, on utilise du métakaolin qui est une forme déshydroxylée de silicate d'aluminium, ou des cendres volantes de centrale thermique qui sont des matières de type aluminosilicates, calcium aluminosilicates (type F ou C selon la norme ASTM C618), ou un autre matériau réactif de type cendres de cosses de riz qui sont à base d'une forme amorphe de silice. io Au moins une partie du sable siliceux peut également être remplacée par du carbonate de calcium, notamment en complément de la pouzzolane lorsque celle-ci n'est utilisée qu'en remplacement partiel du sable siliceux.. Dans une forme de réalisation préférée, la matrice comprend avantageusement (par rapport au poids total de matière sèche) : - de 0 à 36% en poids de carbonate de calcium, de préférence de 0 à 30 %, notamment de 15 à 27 % ; - de 50 à 95% en poids cumulé de ciment et de pouzzolane, notamment de 60 à 90%; - de 5 à 12% en poids de fibres, de préférence de 5 à 10 %, notamment de 20 7à9%; - de 0 à 10% en poids d'additifs, notamment de 0 à 5%. De préférence, le rapport pondéral ciment/pouzzolane est de l'ordre de 1,3 à 2,6, avantageusement de l'ordre de 1,4 à 2,4, et/ou le taux de pouzzolane (ou matière pouzzolanique) dans la matrice est inférieur à 40 %, 25 avantageusement est compris entre 15 et 40 %. La pouzzolane présente notamment une granulométrie caractérisée par un diamètre moyen (D50) supérieur à 1 pm et inférieur ou égal à 50 pm, de préférence de l'ordre de 10 à 30 pm. Ces poudres présentent en général une surface spécifique de l'ordre de 10 à 50 m'/g (mesurée parla méthode BET). Les fibres comprennent avantageusement des fibres végétales, notamment de cellulose raffinées à un degré SR avantageusement de l'ordre de 20 à 70, ou de 30 à 60, en particulier de pinus, mais aussi de sisal, ou autre. Les additifs peuvent être choisis notamment parmi des charges telles que kaolin...,et/ou des floculants et/ou autres adjuvants de la suspension aqueuse. Le produit selon -l'invention est avantageusement sous la forme d'un clin ou d'un élément de bardage. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication du produit ci-dessus, caractérisé en ce que l'on prépare un matériau en feuille par filtration sur un tamis d'une suspension aqueuse comprenant au moins du ciment et des fibres, on superpose des épaisseurs dudit matériau en feuille jusqu'à obtention de l'épaisseur finale voulue pour donner une plaque, et on soumet la plaque à un traitement en autoclave. Dans un mode de réalisation avantageux, la température dans l'autoclave est de l'ordre de 160 à 1800C, et la pression dans io l'autoclave est de l'ordre de 7 à 10 bars (pression de saturation). Eventuellement, la plaque peut subir d'autres traitements, par exemple peut être mise en forme et/ou imprimée, par exemple peut être moulée, notamment lorsqu'elle est encore sous forme malléable avant traitement en autoclave, en particulier pour obtenir une plaque ondulée ou non plane. Les exemples suivants 1 à 3 illustrent l'invention, en comparaison avec l'exemple de référence ci-dessous. Exemple de référence Cet exemple illustre l'état de la technique avec une formulation à base de silice broyée. Plus précisément, la matrice a la composition suivante en poids de 20 matière sèche: - 36.4% de ciment Portland normalisé CEM 1 52.5 - 51% de silice broyée à un D50 à 30 pm - 4% de kaolin fourni par la société lone Minerais - et 8.6% de fibres de cellulose non blanchie pinus à 30 degrés Shopper. 25 Exemple 1 Dans cet exemple, la matrice a la composition suivante en poids de matière sèche - 61.2% de ciment Portland normalisé CEM 1 52.5 - 26.2% de métakaolin vendu sous la référence Metastar 501 par la société 30 Imerys - 4% de kaolin fourni par la société lone Minerais - et 8.6% de fibres de cellulose non blanchie pinus à 30 degrés Shopper. Le rapport pondéral du ciment à la pouzzolane est de 2,34. 1. Fabrication des échantillons Les plaques de fibro-ciment sont fabriquées par le procédé formette , qui est un procédé de laboratoire simulant le procédé Hatscheck et qui permet de fabriquer des plaques de fibro-ciment de caractéristiques chimiques et physiques proches des plaques fabriquées par procédé Hatscheck. Les résultats peuvent également être vérifiés par une autre méthode de préparation des échantillons utilisant une ligne Hatschek de taille réduite pour le laboratoire. On prépare une suspension aqueuse diluée des constituants de matrice indiqués ci-dessus, en ajoutant 0.04% de floculant polyacrylamide anionique (extrait sec par rapport à matière sèche, cellulose comprise, de la suspension io aqueuse diluée de fibro-ciment). Les plaques fabriquées mesurent 260 * 260 mm et sont de même épaisseur (8 mm +1-1 mm) que celles produites en conditions industrielles. Elles sont constituées de plusieurs monocouches superposées à l'état frais (entre 7 et 9 monocouches) et obtenues par filtration de la suspension diluée de fibro-ciment dans un appareil appelé formelle . Lorsque ces monocouches sont superposées pour former une plaque, cette dernière est pressée afin de retirer une certaine quantité d'eau et d'augmenter l'adhésion des monocouches entre elles. Cette étape de pressage simule la pression exercée par le cylindre format dans le procédé Hatscheck. Le pressage se fait en plaçant la plaque de fibro- ciment à l'état frais entre deux plaques inox. L'ensemble est introduit entre les plateaux d'une presse et une pression de 30 bars est appliquée sur cette plaque pendant 30 minutes. Cure (murissement): Les échantillons de plaques sont soumis à des conditions de cure (ou 25 murissement) identiques à celles utilisées en milieu industriel. Les plaques pressées sont pré-curées dans une étude à 60 C et 100% d'humidité relative pendant 8 heures. Cette pré-cure est suivi d'un autoclavage dans les conditions suivantes: (a) montée en pression à 8.8 bars pendant 3 heures, (b) maintien de la pression à 8.8 bars pendant 6.5 heures et (c) descente en pression lente pendant 2.5 heures. Après I'autoclavage, les plaques sont conditionnées dans des sacs étanches, fermés par thermo-soudage, et placées dans une étuve à 40 C pendant 6 jours pour terminer leur mûrissement. A la fin du mûrissement, les plaques sont découpées et caractérisées pour leurs propriétés mécaniques. 2. Caractérisation La caractérisation des formettes se fait en s'inspirant des procédures spécifiées dans la norme ASTM 01185. - Détermination de la résistance en flexion (trois points) ou MOR (modulus of rupture): Taille des éprouvettes: 190*50 mm. Les résistances en flexion sont déterminées sur des éprouvettes (a) immergées 24 heures dans de l'eau à 20 C (éprouvettes saturées) et (b) séchées à 60% d'humidité relative à 20'C. La valeur finale de résistance en flexion est une io moyenne sur 4 éprouvettes. - Retrait ou moisture movement : Taille des éprouvettes: 203.1*76.2 mm La longueur de l'éprouvette est mesurée après son immersion dans l'eau pendant 48 heures et après son séchage à 105 C dans une enceinte climatique. La mesure de longueur de l'éprouvette séchée à 105 C se fait quand la masse de l'éprouvette est constante à o.-1% près. La valeur de retrait finale est une valeur moyenne de deux éprouvettes. Les résultats des évaluations sont reportés dans le tableau 1 ci-après, ainsi que ceux des exemples suivants. Exemple 2 Dans cet exemple, la matrice a la composition suivante en poids de matière sèche: - 36.4% de ciment Portland normalisé CEM 1 52.5 - 15% de métakaolin vendu sous la référence Metastar 501 par la société Imerys 25 - 4% de kaolin fourni par la société lone Minerais - 8.6% de fibres de cellulose non blanchie pinus à 30 degrés Shopper - et 36% de carbonate de calcium. Le rapport pondéral du ciment à la pouzzolane est de 2,42. Exemple 3 Dans cet exemple, la matrice a la composition suivante en poids de matière sèche: - 36.4% de ciment Portland normalisé CEM 152.5 - 20% de métakaolin vendu sous la référence Nletastar 501 par la société Imerys - 4% de kaolin fourni par la société lone Minerais - 8.6% de fibres de cellulose non blanchie pinus à 30 degrés Shopper - et 31 % de carbonate de calcium. Le rapport pondéral du ciment à la pouzzolane est de 1,82. Tableau 1 Ex Kaolin Silice Ciment Cellulose MK CaCO3 MOR saturé MOR sec retrait (%) (%) (%) (%) (%) (%) (MPa) (MPa) (%) Ref. 4 51 36.4 8.6 0 0 6.5 10.4 0. 17 1 4 0 61.2 8.6 26.2 0 6.1 8.8 0.19 2 4 0 36.4 8.6 15 36 3.4 5.5 0.11 3 4 0 36.4 8.6 20 31 4.6 6.7 0.15 Les plaques préparées avec les formulations 1 à 3 ne contenant pas de silice broyée ont des performances de retrait similaires aux plaques de référence contenant de la silice broyée. Les plaques préparées avec la formulation 1 ont en outre des io performances mécaniques de résistance en flexion similaires aux plaques de référence contenant de la silice broyée. Un bon compromis de performances mécaniques est également obtenu dans les modes de réalisation de -L'invention dans lesquels la pouzzolane est combinée à une charge telle que du carbonate de calcium, ainsi qu'avec une autre pouzzolane. Les exemples suivants 4 et 5 illustrent également ces autres formulations selon l'invention. Exemple 4 Dans cet exemple, la matrice a la composition suivante en poids de matière 20 sèche: - 61.2% de ciment Portland normalisé CEM 152.5 - 26.2% de cendres volantes vendues par Surchiste - 4% de kaolin fourni parla société lone Minerais - et 8.6% de fibres de cellulose non blanchie pinus à 30 degrés Shopper. 25 Le rapport pondéral du ciment à la pouzzolane est de 2,34. Exemple 5 Dans cet exemple, la matrice a la composition suivante en poids de matière sèche: - 36.4% de ciment Portland normalisé CEM 152.5 - 25% de cendres volantes vendues par Surchiste - 4% de kaolin fourni parla société Zone Minerais - 8.6% de fibres de cellulose non blanchie pinus à 30 degrés Shopper 5 - et 26% de carbonate de calcium. Le rapport pondéral du ciment à la pouzzolane est de 1,45. Le produit selon l'invention peut servir comme clin, bardage, etc., peut être plan ou ondulé, etc. REVENDICATIONS 1. Produit en plaque comprenant une matrice cimentaire armée de fibres, préparé à partir d'un matériau en feuille par filtration sur un tamis d'une suspension aqueuse comprenant au moins un liant hydraulique tel que du ciment, au moins un matériau fibreux et dénuée de sable siliceux, des épaisseurs dudit matériau en feuille étant superposées jusqu'à obtention de l'épaisseur finale voulue pour donner une plaque qui est ensuite autoclavée. 2. Produit selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matrice comprend au moins une pouzzolane ou matière à réactivité pouzzolanique, cette io pouzzolane contenant éventuellement de la silice dans laquelle de préférence ladite silice consiste essentiellement en de la silice amorphe. 3. Produit selon la revendication 2, caractérisé en ce que la ou les pouzzolanes sont choisies parmi des aluminosilicates, calcium aluminosilicates et de la silice amorphe. 4. Produit selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'au moins une pouzzolane est choisie parmi du métakaolin, des cendres volantes ou des cendres de cosses de riz. 5. Produit selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la matrice comprend en outre du carbonate de calcium. 6. Produit selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la matrice comprend (par rapport au poids total de matière sèche) : de 0 à 36% en poids de carbonate de calcium de 50 à 95% en poids cumulé de ciment et de pouzzolane de 5 à 12% en poids de fibres de 0 à 10% en poids d'additifs. 7. Produit selon l'une des revendication 2 à 6, caractérisé en ce que le rapport pondéral ciment/pouzzolane est de l'ordre de 1,3 à 2,6, et/ou le taux de pouzzolane est inférieur à 40 % en poids. 8. Produit selon l'une quelconque des revendications précédentes, 30 caractérisé en ce que les fibres comprennent au moins des fibres végétales, notamment de cellulose. 9. Produit selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est sous la forme d'un clin ou élément de bardage. 10. Procédé de fabrication d'un produit selon l'une quelconque des lo revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on prépare un matériau en feuille par filtration sur un tamis d'une suspension aqueuse comprenant au moins du ciment et des fibres, on superpose des épaisseurs dudit matériau en feuille jusqu'à obtention de l'épaisseur finale voulue pour donner une plaque, et on soumet la plaque à un traitement en autoclave. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que la température dans l'autoclave est de l'ordre de 160 à 180 C, et la pression dans l'autoclave est de l'ordre de 7 à 10 bars.