Brevet FR2878519A1 — publié le 20060602

La présente invention a trait à une nouvelle production d'agrégats artificiels à base de particules de polymère organique, pour la fabrication de bétons, plâtres ou mortiers allégés. Le polystyrène et les copolymères à base de styrène et d'hydrocarbure éthyléniquement insaturé ont déjà été utilisés en combinaison avec un liant hydraulique tel que le ciment ou le plâtre, à titre de remplacement total ou partiel des agrégats naturels que sont le sable et le gravier, en particulier pour mettre à profit leur faible densité et obtenir des matériaux de construction allégés. Par exemple, les documents WO-92/02468 ou encore FR-2 574 068 décrivent de telles utilisations. De manière générale, les techniques connues prévoient de traiter les granulats de polystyrène (ou équivalent) mis en oeuvre, pour faciliter leur incorporation dans le mélange eau/liant, ceci notamment du fait du caractère hydrophobe naturel de ces matériaux. La présente invention vise à améliorer les performances des structures de béton, plâtre ou mortier, qui intègrent au moins en partie des agrégats artificiels allégés. Pour cela, on propose de réaliser de tels agrégats à base de polymère organique expansé contenant des microparticules de graphite. De telles particules de polymère organique graphité améliorent la résistance, la stabilité, la densité et l'isolation des matériaux dans lesquels elles sont incorporées. De plus, leur couleur grise améliore l'aspect général des produits de construction obtenus, en particulier lorsqu'elles sont mélangées avec un liant également de couleur grise (tel que le ciment par exemple). En effet, on obtient alors un produit fini de couleur uniforme ou sensiblement uniforme, contrairement au béton allégé connu,jusqu'à présent, intégrant des billes de polystyrène de couleur blanche. D'autre part, le recyclage des produits conformes à l'invention est amélioré. La présence de graphite favorise la cohésion entre les agrégats et le liant hydraulique, ce qui limite les possibilités d'individualisation des billes de polymère expansé ; on limite ainsi la pollution résultant des polystyrènes expansés dans le matériel de mélange du béton, les bassins de décantation, ainsi que les abords du chantier, et les produits correspondants assurent une meilleure préservation de l'environnement. Les billes de polymère organique graphité sont connues en elles-mêmes (voir notamment le document US-6 340 713), en particulier pour l'obtention de placues ou de blocs moulés servant à l'isolation de structures; mais, à la connaissance de la demanderesse, l'utilisation de telles billes à titre d'agrégats artificiels en association avec un liant hydraulique n'a jamais été révélée jusqu'à présent. L'amélioration des caractéristiques structurelles du matériau de construction obtenu est notamment liée au fait que les particules de polymère organique rela-guent une partie de leurs microparticules de graphite lors du mélange avec le liant et l'eau. Ces microparticules de graphite augmentent la surface spécifique du liant utilisé, entraînant en particulier un renfort de la résistance du matériau obtenu, après séchage. Cette augmentation de surface spécifique sera d'autant plus importante que la taille des microparticules de graphite sera réduite par rapport à celle des particules cïe liant (ciment, plâtre...), et celle des divers ajouts. Les billes de polymère graphité utilisées ont une teneur en graphite comprise entre 1 et 20 % (poids/poids) ; cette teneur est avantageusement comprise entre 1 et 5 %, et encore de préférence entre 2 et 3 %. Les microparticules de graphite, dont la taille est comprise entre 1 et 150 pm sont incorporées dans le polymère organique avant expansion de celui-ci, pour obtenir une répartition homogène à l'intérieur du granulat expansé. Après leur expansion, les granulats graphités subissent les traitements classiques de densification et/ou d'élimination d'électrostatisme (déchargement électrostatique, rechargement et neutralisation) nécessaires à leur application à titre d'agrégats artificiels. Conformément à l'invention, pour l'obtention de bétons, mortiers, encluits et autres matériaux de construction, on recommande donc de faire appel à des particules de polymère organique expansé graphité, à titre d'agrégats en association avec le liant hydraulique et l'eau. 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/hydrocarbure éthyléniquement insaturé, et (iii) leurs mélanges. Parmi les copolymères qui conviennent, on peut notamment citer ceux qJi sont élaborés à partir de styrène et d'au moins un des monomères suivants: éthylène, propylène, butylène, butadiène et isoprène. D'un point de vue pratique, il est préférable que le matériau polymère soit choisi parmi l'ensemble constitué par: (i) le polystyrène, (ii) les copolymères styrène/éthylène, styrène/propylène, styrène/butylène, styrène/butadiène, et styrène/isoprène ayant un rapport molaire motifs styrène/motifs hydrocarbure éthyléniquement insaturé supérieur ou égal à 1/1, et (iii) leurs mélanges. Dans ce cadre, le matériau polymère sera avantageusement soit le polystyrène, soit un copolymère styrène/éthylène, styrène/propylène, styrène/butylène, styrène/butadiène, ou styrène/isoprène, ayant un rapport molaire motifs styrène motifs hydrocarbure éthyléniquement insaturé allant de 55/45 à 90/100. Les particules ou billes de ce matériau polymère auront en général une granulométrie moyenne se situant entre 0,1 et 10 mm après expansion. Les particules de polymère organique graphité utilisables proviennent de l'industrie chimique traditionnelle. Après expansion du polymère graphité, en mettant en oeuvre les techniques classiques du domaine concerné, pour la fabrication des agrégats artificiels, il suffit de malaxer les particules expansées graphitées avec des adjuvants classiques pour béton (agent(s) tensioactif(s), colloïde(s) entraîneur(s) d'air, carbonate de calcium... etc). Selon un premier mode de réalisation, on recommande une association préalablement formée et comprenant (i) ledit matériau polymère expansé graphité 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 fluidifiants ou plastifiants, - les colloïdes entraîneurs d'air, - les agents tensioactifs, - les accélérateurs ou retardateurs de prise, et - du carbonate de calcium ou des fumées de silice. Les agents fluidifiants ou plastifiants ont pour rôle de favoriser l'homogénéité du mélange particules organiques graphitées/liant/eau, complété avec une charge minérale (notamment du carbonate de calcium afin de densifier l'agrégat artificiel et de diminuer sa volatilité) et/ou d'autres adjuvants. Ces additifs, préalablement répartis sur les polymères graphités se disperseront dans le béton et apporteront à ce dernier les propriétés recherchées, mais ils auront également pour rôle d'éliminer I'électrostatisme des agrégats et de réduire leur volatilité dans le milieu ambiant. Parmi les agents fluidisants ou plastifiants qui conviennent, on peut noteimment 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'augmenter le volume du mélange particules organiques graphitées/liant/eau, qui est éventuellement complété avec une charge minérale et/ou d'autres adjuvants; en conséquence, ils augmentent également le volume du matériau de construction en résultant. Ils assurent l'incorporation d'air dans ledit mélange, d'une part en vue d'améliorer l'isolaticn tant phonique que thermique du matériau, et d'autre part de diminuer sa densité. En outre, ils confèrent les avantages de: - diminuer la vitesse de sublimation des granulats organiques graphités sous l'action de la chaleur, à des températures notamment supérieures à 200-250 C, - augmenter la résistance au feu (retard à la propagation du feu et de la flamme), - diminuer l'émission de vapeurs ou fumées nocives lors de la combustion de polystyrène ou des copolymères du styrène qui constituent le granulat organique graphité, et - augmenter la résistance aux cycles de gel/dégel et aux chocs thermiques. Parmi les colloïdes entraîneurs d'air qui conviennent, on peut notamment menl:ionner 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. Les agents tensioactifs sont traditionnellement utilisés dans l'industrie des bétons et mortiers. 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 selon l'invention pour la réalisation d'un béton ou d'un mortier allégé 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 graphitées/liant/eau/adjuvant, qui contient le cas échéant une charge minérale, l'association particules organiques graphitées/adjuvant par des particules organiques graphitées sur lesquelles on a préalablement déposé, ou lié, notamment par covalence ou adsorption, le ou les adjuvants en question. 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 où l'on fait appel à des particules de latex liées à (c'est-à-dire sensibilisées par ) un réactif immunologique, par exemple une protéine, un antigène ou un anticorps. La liaison par covalence ou adsorption des particules organiques graphitées à l'adjuvant ou aux adjuvants est relativement faible dans le cadre de la mise en oeuvre de la présente invention, contrairement à la liaison microparticules de graphite/polymère organique qui est présente à l'intérieur de l'agrégat artificiel et protégée par la membrane de la particule. En effet, lors du malaxage, sous l'action du cisaillement ou frottement en présence du liant, la liaison particules organiques graphitées/adjuvant est rompue et l'adjuvant (ou une portion importante de celui-ci) se trouve réparti dans la masse du liant. Globalement, lesdites particules intervienrent ici essentiellement en tant que véhicule ou vecteur de l'adjuvant en vue de son incorporation dans la masse du liant. Dans un second temps, une partie des particules de graphites est relarguée dans la masse du liant, notamment grâce au différentiel de pH auquel sont soumises lesdites particules Exemples Exemple 1: Art antérieur 20 Les abréviations G et P représentent respectivement la granulométrie, et la masse volumique des particules de polystyrène. Dans la bétonnière, on commence par charger le liant, puis l'eau, puis les particules de polystyrène normal blanc ou coloré en surface par des additifs pour béton. On obtient un produit de type béton dont la densité sera abaissée de 2400 kg/m3 à une densité minimale de 500 kg/m3 environ dans le cas de la substitution totale des agrégats naturels par les agrégats de polystyrène expansé. Dans cet exemple l'utilisation des particules de polystyrène conduira par leur légèreté (8 à 16 kg/1000 litres) à une pollution du site de production liée à la légèreté des agrégats, mais également à leur électrostatisme et leur couleur blanche, qui après diffusion des additifs dans le béton reprendront naturellement leur couleur d'origine. Exemple 2: avec des agrégats artificiels conformes à l'invention On remplace ici les particules de polystyrène expansé par des particules de polystyrène graphité. Ces particules de couleur grise, colorées à coeur par On malaxe à la température ambiante (5-25 C), dans une bétonnière, un mélange constitué par les ingrédients ci-après: : 400 kg -liant hydraulique (ciment Portland CPJ) - eau: 160 à 200 litres -particules de polystyrène en substitution partielle: 0 à 850 litres ou totale du sable et graviers (G = 10-15 mm et P = 8-16 g/litre) : de 0 à 1400 kg - sable et graviers - additifs éventuels l'incorporation préalable à l'expansion de microparticules de graphite (G = 1C-15 mm; P-12-16g/litre), ont été ensuite prétraitées dans une mélangeuse par des additifs appropriés. Ces additifs assurent l'élimination des charges éléctrostatiques anarchiques, et ils portent la densité des particules de 12-16g/I à 24-32 g/I par adsorption superficielle desdits additifs; les particules de polymère sont ensuite neutralisées par du carbonate de calcium. On procède de la même manière que dans l'exemple 1 ci-dessus, en utilisant les mêmes proportions des différents ingrédients. Dans cet exemple l'utilisation des particules de polystyrène graphité conduira, par leur poids 3 à 5 fois plus important que celui du polystyrène blanc, à une pollution de 3 à 5 fois moindre du site de production; en outre, la couleur grise des particules de polystyrène graphité conduira à une confusion complète des agrégats dans le béton ou dans son environnement, en liaison avec la couleur du ciment Portland On ne remarque pas de phénomène d'électrostatisme; d'autre part, on constate une augmentation de la résistance thermique des particules (abaissement du coefficient lambda de 0,04 à 0,035 W/(m. C)). En outre, de telles particule;. de polymère graphité améliorent la résistance du béton par augmentation de la surace spécifique du liant et des additifs, sa compacité et sa stabilité ; l'isolation des matériaux dans lesquels elles sont incorporées est également améliorée par la diminution du lambda des agrégats. - REVENDICATIONS - 1.- Utilisation de particules de polymère organique incluant, préalablement à leur expansion, des microparticules de graphite, à titre d'agrégats artificiels pour remplacer totalement ou partiellement des agrégats naturels genre sable ou gravier, dans le cadre de la fabrication de matériaux de construction allégés de type mortier, plâtre ou béton, la teneur des particules de polymère organique en microparticules de graphite, exprimée en poids par rapport au poids desdites particules, étant comprise entre 1 et 20 %. 2.- Utilisation selon la revendication 1, caractérisée en ce que les particules de polymère organique ont une teneur en microparticules de graphite comprise entre 1 et 5 %. 3.- Utilisation selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les particules de polymère organique ont une teneur en microparticules de graphite comprise entre 2 et 3 %. 4.- Utilisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les microparticules de graphite incluses dans les particules de polymère organique ont un diamètre compris entre 1 et 150 pm. 5.- Utilisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les particules de polymère organique graphité ont été densifiées au moyen d'additifs adaptés pour augmenter leur densité et réduire ainsi leur volatilité, et adaptés pour diminuer leur électrostatisme. 6.- Utilisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le matériau polymère graphité et expansé est choisi parmi l'ensemble constitué par: - le polystyrène, - les copolymères styrène/éthylène, styrène/propylène, styrène/butylène, styrène/butadiène ou styrène/isoprène ayant un rapport molaire motifs styrène/motifs hydrocarbure éthyléniquement insaturé supérieur ou égal à 1/1, ou - un mélange de certains au moins des polymères organiques précités. 7.- Granulats légers aptes à être utilisés à titre d'agrégats artificiels clans le cadre de la fabrication de mortiers, plâtres ou bétons, lesquels granulats sont constitués de particules de polymère organique expansé incorporart des microparticules de graphite en teneur poids/poids comprise entre 1 et 20 %, de préférence entre 1 et 5 %, lesquelles particules de polymère organique, choisies parmi l'ensemble constitué par le polystyrène, les copolymères styrène/hydrocarbure éthyléniquement insaturé et leurs mélanges, sont associées à un ou plusieurs adjuvants choisis parmi l'ensemble constitué par les agents tensioactifs, les agents fluidifiants ou plastifiants, ou encore les colloïdes entraîneurs d'air, adaptés pour augmenter leur densité et/ou réduire leur électrostatisme. 8.- Granulats selon la revendication 7, caractérisés en ce que le ou les adjuvants sont liés par adsorption ou par covalence aux particules de polymère organique graphité. 9.- Matériau de construction allégé incorporant un agrégat artificiel selon l'une quelconque des revendications 7 ou 8. 10.- Matériau de construction allégé de type béton ou mortier utilisant un ciment à titre de liant hydraulique et incorporant un agrégat artificiel selon l'une quelconque des revendications 7 ou 8.