Brevet FR2900653A1 — publié le 20071109

La présente invention concerne, de façon générale, le domaine des matériaux utilisés pour l'isolation thermique et en particulier pour la protection incendie. Dans ce domaine, les matériaux doivent présenter d'excellentes propriétés thermiques telles qu'un haut point de fusion, une faible conductivité thermique et une importante résistance à la température. A haute et très haute température, des dégradations du matériau, telles que des fissurations ou des zones fondues, sont susceptibles de se produire. En outre, il peut être nécessaire d'avoir des matériaux présentant une certaine souplesse et étant faciles à couper et/ou à percer. Ces matériaux doivent de préférence être légers pour 15 faciliter leur manutention et doivent donc avoir une masse volumique la plus réduite possible. Il existe des matériaux de type composites et plus précisément de type mortiers, constitués d'une matrice et de charges. 20 Toutefois, un grand nombre de ces matériaux sont à base de plâtre ou de ciment Portland, dont la température de fusion est de l'ordre de 1100 degrés Celsius. L'utilisation de ces matériaux est donc limitée, en ce que, dans le domaine de la protection incendie, les 25 matériaux doivent supporter en général des températures supérieures à 1100 degrés Celsius. D'autres matériaux sont très riches en charges poreuses qui permettent d'en réduire la masse volumique. Cependant, les charges poreuses fragilisent le matériau, 30 dont les propriétés mécaniques sont alors insuffisantes. Les matériaux présentant une trop grande masse volumique, supérieure à 1100 kilogrammes par mètre cube, sont difficiles à manipuler. La fabrication de matériaux les plus légers possible est souhaitable. 35 Plus précisément, l'invention concerne, selon un premier de ses aspects, une composition pour la fabrication de matériaux pour isolation thermique et protection incendie, comprenant principalement -au moins un ciment choisi parmi les ciments d'aluminates de calcium ou les ciments fondus, -au moins une première charge isolante présentant une porosité au moins égale à 80%, un point de fusion au moins égal à 1100 degrés Celsius et une conductivité thermique au plus égale à 0,1 watts par mètre-kelvin, telle que la perlite, et -au moins une charge fibreuse choisie parmi les fibres de wollastonite, les fibres de quartz, les fibres 10 de basalte, ou les fibres de silice pure. Une telle composition est connue de l'homme du métier, notamment par l'exemple qu'en donne le document US 4 100 115. Le document US 4 100 115 concerne une composition 15 incluant, en plus d'un ciment alumineux, un liant organique, tel qu'une résine synthétique, ou inorganique, par exemple un silicate de sodium. Une telle composition résulte en des matériaux composites dont la tenue en température est limitée, et 20 qui présentent un risque de dégagement de fumées opacifiantes et probablement toxiques en cas d'incendie. Dans ce contexte, la présente invention a pour but de proposer une composition pour la fabrication de matériaux pour isolation thermique et protection incendie 25 exempte de l'une au moins des limitations précédemment évoquées, en particulier, offrant à la fois de bonnes propriétés thermiques et mécaniques et une faible masse volumique des matériaux. A cette fin, la composition de l'invention, par 30 ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisée en ce qu'elle comprend en outre au moins une deuxième charge isolante présentant un point de fusion au moins égal à 1200 degrés Celsius, telle que des microsphères 35 céramiques. L'invention présente l'avantage de permettre la fabrication de matériaux flexibles, de faible masse volumique, de faible conductivité thermique, et d'excellentes résistances mécanique et thermique, à des fins d'isolation thermique et de protection incendie. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, la deuxième charge isolante est constituée de microsphères céramiques creuses. Le ciment est constitué avantageusement d'un ciment d'aluminates de calcium. Ce ciment d'aluminates de calcium comprend par exemple entre 40% et 80% en poids d'alumine Al2O3 et entre 20% et 60% en poids d'oxyde de calcium CaO. Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, la charge fibreuse est constituée de fibres de wollastonite. La composition comprend de manière avantageuse, en 15 pourcentage de sa masse totale : - de 25 à 85% de ciment, -de 1 à 40% de première charge isolante, - de 10 à 70% de charge fibreuse, et - de 5 à 65% de deuxième charge isolante. 20 De préférence, la composition selon l'invention comprend, en pourcentage de sa masse totale : - de 30 à 75% de ciment, -de 2 à 20% de première charge isolante, - de 12 à 50% de charge fibreuse, et 25 -de 7 à 40% de deuxième charge isolante. Tout préférentiellement, la composition selon l'invention comprend, en pourcentage de sa masse totale : - de 38 à 50% de ciment, - de 4 à 10% de perlite, 30 -de 23 à 40% de charge fibreuse, et - de 14 à 38% de deuxième charge isolante. La composition peut comprendre en outre éventuellement au moins un composé additionnel choisi parmi la fumée de silice, les fibres de verre alcali-35 résistantes, ou le carbonate de calcium. L'invention concerne également un procédé pour obtenir un matériau d'isolation thermique et protection incendie comprenant une opération d'ajout d'eau à une composition selon l'invention, en une quantité permettant la prise hydraulique de ladite composition, et une opération de mélange pour obtenir une pâte homogène ; et une opération de moulage de la pâte homogène obtenue. L'invention concerne en outre un matériau d'isolation thermique et protection incendie susceptible d'être obtenu par ce procédé. Ce matériau supporte des températures de l'ordre de 1300 degrés Celsius. Par comparaison, les matériaux décrits dans le document US 4 100 115 supportent des températures maximales de l'ordre de 815 degrés Celsius. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description détaillée qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif. Dans la composition selon l'invention, le ciment est un liant hydraulique. Il assure la cohésion du matériau final. Les ciments fondus et les ciments d'aluminates de 20 calcium ou ciments alumineux sont des ciments à faibles taux de silice. Ils présentent tous les deux d'excellentes propriétés thermomécaniques. Ils sont relativement peu onéreux, faciles à mettre en ouvre et de bonne résistance 25 pyroscopique. Les ciments fondus peuvent en général être utilisés jusqu'à 1400 degrés Celsius ( C) et les ciments d'aluminate de calcium jusqu'à en général 1800 degrés Celsius, pour les plus riches en alumine. 30 Pour des températures inférieures, il peut être envisagé d'utiliser un ciment de type Portland ou du plâtre. On préfère choisir un ciment d'aluminates de calcium, par exemple un ciment comprenant entre 35% et 35 85% en poids d'oxyde d'aluminium ou alumine Al2O3 et entre 15% et 60% en poids d'oxyde de calcium ou chaux CaO. De préférence, le ciment est constitué d'environ 70% en poids d'alumine et d'environ 30% en poids d'oxyde de calcium. Les ciments d'aluminates de calcium sont particulièrement avantageux en ce qu'ils présentent une résistance pyroscopique élevée et une très bonne capacité d'absorption de la chaleur. La composition selon l'invention comprend des charges isolantes ou renforts thermiques qui permettent d'abaisser la conductivité thermique du matériau pour isolation thermique et protection incendie. Une première charge isolante est par exemple la perlite. La perlite résulte de l'expansion à 900 degrés Celsius d'une roche volcanique siliceuse. Elle se présente classiquement sous forme de poudre constituée de petits grains de mousse d'aluminosilicate, de taille comprise entre 10 micromètres (pm) et 1 millimètre (mm). C'est une structure amorphe incluant principalement 74,8% de SiO2, 11,8% d' Al202, 4,6% de K2O, 3,5% de Na2O et des traces (pas plus de 1%) de Fe2O3r de CaO et de MgO. La perlite présente une très faible masse volumique apparente, comprise entre 0,05 et 0,40 grammes par centimètre cube (g.cm-3), une très faible conductivité thermique, de l'ordre de 0,02 à 0,06 watts par mètre-kelvin (W.m-1.K_1), et une température de fusion élevée, de l'ordre de 1100 degrés Celsius. Ces propriétés sont mises à profit dans la composition et le matériau de l'invention. La première charge isolante peut être toute charge présentant une porosité élevée, soit au moins égale à 80%, un point de fusion au moins égal à 1100 degrés Celsius, et une conductivité thermique maximale de 0,1 watts par mètre-kelvin. De préférence, sa porosité est au moins égale à 85%. Une deuxième charge isolante est par exemple constituée de microsphères céramiques, en particulier de microsphères céramiques creuses, tout particulièrement de microsphères céramiques creuses constituées de 52% en poids de SiO2 et de 48% en poids d' Al202. Les microsphères céramiques creuses ont une faible masse volumique, inférieure à 1 gramme par centimètre cube, une faible conductivité thermique, comprise entre 0,1 et 0,2 watts par mètre-kelvin, et un point de fusion de l'ordre de 1200 degrés Celsius. Elles permettent donc à la fois d'abaisser la masse volumique et la conductivité thermique du matériau et de contribuer à la tenue thermique du matériau. Leur géométrie sphérique contribue à la résistance 10 mécanique en compression du matériau pour isolation thermique. Les microsphères céramiques creuses facilitent la mise en forme des matériaux de l'invention en améliorant la fluidité et la coulabilité du mortier. En outre, elles 15 contribuent à la bonne élasticité du matériau de l'invention. La composition selon l'invention comprend aussi un ou plusieurs renforts mécaniques, et en particulier au moins une charge fibreuse choisie parmi les fibres de 20 wollastonite, les fibres de quartz, les fibres de basalte, ou les fibres de silice pure. La wollastonite est un silicate de calcium, composée par exempe de 51,7% en poids de SiO2 et de 48,3% en poids de CaO, et se présentant sous la forme de cristaux 25 aciculaires. Son point de fusion est de l'ordre de 1540 degrés Celsius. Les fibres de wollastonite ont une très bonne tenue thermomécanique. Les charges fibreuses entrant dans la composition de 30 l'invention présentent un haut point de fusion, au moins égal à 1400 degrés Celsius, ce qui participe à la stabilité thermique du matériau pour isolation thermique et protection incendie. Par exemple, les fibres de basalte et les fibres de 35 quartz présentent respectivement des points de fusion de l'ordre de 1450 degrés Celsius et 1550 degrés Celsius. La composition selon l'invention peut en outre comprendre des composés additionnels tels que la fumée de silice, des fibres de verre alcali-résistantes, et/ou le carbonate de calcium. La fumée de silice, composée de grains de silice amorphe, permet par exemple un renfort mécanique du matériau pour isolation thermique et protection incendie. Des fibres de verre alcali-résistantes peuvent aussi être ajoutées à la composition selon l'invention, aux fins de renfort mécanique. Les fibres de verre sont essentiellement constituées de silice amorphe. Pour résister aux agressions alcalines dues au ciment, outre l'utilisation d'autres oxydes dans leur composition, les fibres de verre peuvent être ensimées avec des formulations incluant par exemple de l'oxyde de zirconium. La présence de carbonate de calcium CaCO3 dans la composition et dans le matériau obtenu offre l'avantage, en cas d'incendie, de consommer de l'énergie du fait de la réaction de décomposition en dioxyde de carbone CO2. La composition peut éventuellement inclure des adjuvants appropriés, choisis parmi les adjuvants classiquement utilisés dans les compositions à base de ciment. La composition selon l'invention est obtenue par mélange à sec des constituants, ciment et charges, afin d'avoir un mélange pulvérulent homogène et de casser les agrégats de charges. Le mélange des constituants peut être fait en partie ou en totalité à l'avance et la composition peut être conservée une fois préparée. Tout éventuel composé additionnel tel que défini précédemment est de préférence mélangé à sec avec les autres constituants de la composition. La composition est utilisée en particulier pour la fabrication de matériaux d'isolation thermique des bâtiments. Ces matériaux constituent tout particulièrement des matériaux de protection incendie des bâtiments. Autrement dit, les matériaux sont tout particulièrement utilisés comme barrière thermique pour une protection incendie passive. On obtient de tels matériaux en mélangeant la composition selon l'invention à de l'eau. L'eau est ajoutée en quantité de préférence juste supérieure à la quantité stoechiométrique, et pour permettre la prise hydraulique de la composition. Tout éventuel adjuvant est préférentiellement ajouté à la composition sensiblement simultanément à l'ajout de 10 l'eau. On mélange au moins jusqu'à obtenir une pâte homogène, qui constitue un mortier réfractaire. Un adjuvant peut être introduit dans le but d'agir sur la viscosité de cette pâte. 15 Cette pâte est moulée pour obtenir, après durcissement, un matériau de la forme souhaitée. Il est préférable d'abord de mélanger à sec le ciment, les charges et les éventuels composés additionnels, puis d'ajouter l'eau et les éventuels 20 adjuvants et mélanger. Toutefois, on peut envisager de mélanger les différents constituants dont l'eau dans tout ordre qui permet d'obtenir par leur mélange une pâte homogène et prête à mouler. Les matériaux d'isolation thermique et protection 25 incendie sont préférentiellement des panneaux, par exemple de dimension 250x120x3 centimètres (cm). La composition de l'invention permet d'obtenir un panneau de dimension 250x120x3 centimètres de 70 kilogrammes (kg) à 80 kilogrammes au maximum. Ce panneau 30 est manipulable par deux ouvriers. En outre, les panneaux obtenus présentent une bonne flexibilité ou élasticité permettant leur cintrage et leur pose sur des parois courbes, une bonne résistance à l'usure et aux chocs, et une dureté permettant leur 35 découpage et/ou leur perçage avec des outils standards. Les matériaux obtenus selon l'invention peuvent être utilisés dans tout type de bâtiment nécessitant une isolation thermique et/ou une protection incendie. Ils sont tout particulièrement adaptés à la protection incendie dans les tunnels et autres ouvrages souterrains, dont la structure favorise l'apparition de conditions extrêmes en cas d'incendie. Les matériaux doivent pouvoir supporter et tenir à des températures de l'ordre de 1300 degrés Celsius, pendant une durée minimale de 150 minutes (mn). Les matériaux de l'invention répondent aux normes de sécurité établies pour la protection incendie des bâtiments. En particulier, en cas d'incendie, leur éventuelle combustion ne libère pas de produit toxique. La combinaison de constituants de la composition selon l'invention permet, par rapport aux solutions de l'art antérieur, une utilisation du matériau à plus haute température. Le matériau obtenu selon l'invention présente une excellente résistance pyroscopique. Une simulation incendie du type courbe de feu d'hydrocarbures majorée (HCM) définie pour les tunnels a résulté en l'absence de fusion du matériau de l'invention. Le matériau de l'invention permet en cas d'incendie de préserver au maximum l'intégrité des structures protégées par ce matériau, ce qui présente l'intérêt de la sécurité des personnes et celui économique d'éviter la reconstruction des bâtiments incendiés. A titre d'exemple, le tableau II ci-après présente des résultats de conductivité thermique et de masse volumique apparente mesurés sur des matériaux fabriqués à partir de deux compositions A et B selon l'invention présentées dans le tableau I. Tableau I : Compositions A et B en pourcentages massiques. Ciment Wollastonite Microsphères Perlite alumineux céramiques creuses A 46,0 25,6 17,6 10,8 B 41,0 22,8 31,4 4,8 Tableau II : Résultats obtenus à partir des compositions A et B. Conductivité thermique Masse volumique apparente (W.m-1.K-1) en (kg.m-3) A 0, 27 1040 B 0, 30 1060 Les compositions A et B selon l'invention permettent d'obtenir des matériaux dont la conductivité thermique est de l'ordre de 0,3 watts par mètre-kelvin. Or, dans le 10 domaine du bâtiment, les matériaux de construction sont considérés comme isolant si leur conductivité thermique est inférieure à 2 watts par mètre-kelvin. En outre, les compositions A et B permettent d'obtenir des matériaux de masse volumique inférieure à 15 1100 kilogrammes par mètre cube (kg.m-3), ce qui permet une bonne maniabilité.5 REVENDICATIONS 1. Composition pour la fabrication de matériaux pour isolation thermique et protection incendie, comprenant 5 principalement : -au moins un ciment choisi parmi les ciments d'aluminates de calcium ou les ciments fondus, -au moins une première charge isolante présentant une porosité au moins égale à 8o%, un point de fusion au 10 moins égal à 1100 degrés Celsius et une conductivité thermique au plus égale à 0,1 watts par mètre-kelvin, telle que la perlite, et - au moins une charge fibreuse choisie parmi les fibres de wollastonite, les fibres de quartz, les fibres 15 de basalte, ou les fibres de silice pure, ladite composition étant caractérisée en ce qu'elle comprend en outre au moins une deuxième charge isolante présentant un point de fusion au moins égal à 1200 degrés Celsius, telle que des microsphères céramiques. 20 2. Composition selon la revendication 1, dans laquelle la deuxième charge isolante est constituée de microsphères céramiques creuses. 3. Composition selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle le ciment est constitué d'un ciment d'aluminates 25 de calcium, ledit ciment comprenant entre 40% et 80% en poids d'alumine Al2O3 et entre 20% et 60% en poids d'oxyde de calcium CaO. 4. Composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle la charge fibreuse 30 est constituée de fibres de wollastonite. 5. Composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle ladite composition comprend, en pourcentage de sa masse totale : - de 25 à 85% de ciment, 35 -de 1 à 40% de première charge isolante, -de 10 à 70% de charge fibreuse, et -de 5 à 65% de deuxième charge isolante. 6. Composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle ladite composition comprend, en pourcentage de sa masse totale -de 30 à 75% de ciment, -de 2 à 20% de première charge isolante, - de 12 à 5o% de charge fibreuse, et - de 7 à 40% de deuxième charge isolante. 7. Composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle ladite composition 10 comprend, en pourcentage de sa masse totale - de 38 à 50% de ciment, - de 4 à 10% de perlite, -de 20 à 40% de charge fibreuse, et - de 14 à 38% de deuxième charge isolante. 15 8. Composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle ladite composition comprend en outre au moins un composé additionnel choisi parmi la fumée de silice, les fibres de verre alcali-résistantes, ou le carbonate de calcium. 20 9. Procédé pour obtenir un matériau d'isolation thermique et protection incendie comprenant - une opération d'ajout d'eau à une composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, en une quantité permettant la prise hydraulique de ladite 25 composition, et une opération de mélange pour obtenir une pâte homogène ; et -une opération de moulage de la pâte homogène obtenue. 10. Matériau d'isolation thermique et protection 30 incendie susceptible d'être obtenu par le procédé selon la revendication 9.