Brevet FR3020057A1 — publié le 20151023

MATERIAU COMPOSITE NOTAMMENT POUR LA REPARATION DE RESERVOIR D'EAU DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne le domaine technique général des matériaux composites de type béton renforcé en textile (ou « TRC », sigle de l'expression anglo-saxonne « Textile Reinforced Concrete »). Plus précisément, la présente invention concerne une matrice minérale associable à un textile technique pour former un composite à matrice minérale. Un tel composite à matrice minérale peut être utilisé dans de nombreuses applications structurales de construction ou de réhabilitation en Génie Civil, telles que la réparation de réservoir d'eau. PRESENTATION DE L'ART ANTERIEUR De nombreux matériaux composites ont été développés dans le secteur du Génie Civil pour permettre la conception ou la réhabilitation d'ouvrages ou de parties d'ouvrage. Les matériaux composites sont en effet particulièrement adaptés au renforcement, à la protection, à la maintenance et à la réparation d'ouvrages existants du fait de : - leurs performances mécaniques, en particulier en traction, - leur légèreté (qui ne surcharge pas la structure en cours de réparation) et - leur adhérence sur béton ou maçonnerie. Des composites sont déjà utilisés pour la réparation de réservoir d'eau. De tels composite sont basés sur la combinaison d'une résine époxy à un textile technique. La résine époxy présente l'avantage : - de coller et d'adhérer au textile technique, - de former un film légèrement plastifié hydrofuge. La nouvelle législation concernant les produits contenant du bisphénol va entraîner l'obligation de trouver une matrice de substitution à la résine époxy dans les composites destinés à la réparation des réservoirs d'eau potable. Un but de la présente invention est de proposer une matrice minérale de substitution à la résine époxy dont les propriétés sont compatibles avec la réparation de réservoirs d'eau potable. RESUME DE L'INVENTION A cet effet, l'invention propose une matrice minérale comprenant un liant, un squelette granulaire, et des additifs, remarquable en ce que : - le liant est un liant ettringitique, et en ce que - les additifs comprennent un agent de renfort d'adhérence, ledit agent de renfort d'adhérence étant un alcool polyvinylique. L'utilisation d'un liant ettringitique combinée à l'utilisation d'alcool polyvinylique permet de fournir une matrice minérale susceptible de remplacer les résines époxy pour la réparation de réservoir d'eau. En effet, les utilisations combinées d'un liant ettringitique et d'alcool polyvinylique permettent d'obtenir une matrice minérale : - applicable sur un textile technique, - présentant un temps de durcissement suffisamment court pour limiter le phénomène de dessiccation, - adhérant à des supports verticaux. Des aspects préférés mais non limitatifs de la matrice minérale selon l'invention sont les suivants : - le liant ettringitique peut être composé : o de ciment alumineux (CAC) et/ou de ciments sulfo-alumineux (CSA), et dont la quantité peut être comprise entre 5 et 60% en poids de la masse totale de la matrice minérale, o et de sulfate de calcium tel que du plâtre et/ou du gypse et/ou de l'anhydrite, et dont la quantité peut être comprise entre 2 et 30% en poids de la masse totale de la matrice minérale, o et de ciment Portland dont la quantité peut être comprise entre 0 et 12% en poids de la masse totale de la matrice minérale, ou de chaux éteinte dont la quantité peut être comprise entre 0 et 3% en poids de la masse totale de la matrice minérale ; - la quantité de renfort d'adhérence peut être comprise entre 0.1 et 1% en poids de la masse totale de la matrice minérale ; - le squelette granulaire peut être : o de la silice éventuellement broyée, et/ou o du filler calcaire, et/ou o de la fumée de silice, et/ou o du metakaolin, et/ou o des cendres volantes, et/ou o du laitier ; - la quantité de squelette granulaire peut être comprise entre 40 et 90% en poids de la masse totale de la matrice minérale ; - les additifs peuvent comprendre un agent modificateur de prise choisi parmi : o la famille des acides carboxyliques et des sels associés, tels que l'acide tartrique, le tartrate de potassium, et o le gluconate de sodium, o le carbonate de sodium, le sulfate de potassium, le sulfate de sodium, le sulfate de lithium et les sels de lithium ; - la quantité d'agent modificateur de prise peut être comprise entre 0.02 et 1 en poids de la masse totale de la matrice minérale ; - les additifs peuvent comprendre un agent de viscosité choisi parmi les éthers de cellulose, la gomme de Guar, la gomme Xanthan, la gomme Welan, les éthers d'amidon et/ou les phyllosilicates comme l'hectorite ; - la quantité d'agent de viscosité peut être comprise entre 0.1 et 1% en poids de la masse totale de la matrice minérale ; - les additifs peuvent comprendre une résine choisie parmi les acétates versatates de polyvinyle et/ou du styrène acrylique et/ou du styrène butadiène ; - la quantité de résine peut être comprise entre 1 et 20% en poids de la masse totale de la matrice minérale ; - les additifs peuvent comprendre en outre un hydrofuge de masse choisi parmi le stéarate de magnésium et/ou l'oléate de sodium ; - la quantité d'hydrofuge de masse peut être comprise entre 0 et 3% en poids de la masse totale de la matrice minérale. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION On va maintenant décrire plus en détail la matrice minérale selon l'invention. Dans la suite, l'expression « matrice minérale » fait référence à la composition initiale constituée notamment d'un mélange de poudres, le terme « béton » fait référence à la matrice minérale mélangée à de l'eau, l'expression « béton durci » fait référence au béton une fois celui-ci solidifié. 1. Identification des fonctions visées La matrice minérale doit répondre aux objectifs suivants : - avoir une rhéologie adaptée à l'enduisage de parois verticales et à l'imprégnation par serrage de renforts non tissés et tissés, - avoir un temps de durcissement très court qui permet de mobiliser l'eau de gâchage pour hydrater le liant, et qui permet de s'opposer à la dessiccation de la matrice par la structuration rapide du liant, cette sensibilité à la dessiccation ayant pour cause le très faible rapport épaisseur/surface d'échange, - répondre à des exigences de contrainte d'adhérence sur le support, - être imperméable. 2. Composition de la matrice minérale Les différents constituants de la matrice minérale permettent de répondre aux différentes fonctions que doit satisfaire celle-ci dans le cadre de la réparation de réservoir d'eau. En particulier, la matrice minérale comprend un liant, un squelette granulaire, et un (ou plusieurs) additif(s). 2.1 Liant Le liant permet le durcissement de la matrice minérale. Le liant de la matrice minérale est avantageusement un liant ettringitique. On entend, dans le cadre de la présente invention par « liant ettringitique », un liant 15 dont le principal hydrate formé est de l'ettringite. L'une des propriétés d'un liant ettringitique est qu'il est adapté pour durcir et monter rapidement en résistance, ce qui le différencie notamment des ciments Portland. Un liant ettringitique est un mélange constitué de ciment alumineux (CAC), de 20 sulfate de calcium et de ciment Portland. Le ciment alumineux peut être remplacé par du ciment sulfo-alumineux (CSA), le sulfate de calcium peut être de l'anhydrite, de l'hémihydrate (plâtre alpha ou béta) ou du gypse voire un mélange de deux des trois sulfates de calcium, voire des trois. 25 Ainsi, le liant ettringitique est composé : - de ciment alumineux (CAC) et/ou de ciments sulfo-alumineux (CSA), - et de sulfate de calcium tel que du plâtre et/ou du gypse et/ou de l'anhydrite, - et de ciment Portland. 30 Suivant la nature du sulfate de calcium, le dosage en sulfate de calcium, on formera plus ou moins d'ettringite. Le ciment Portland est là pour assurer un pH de 11 à 12,5, intervalle qui correspond au domaine de stabilité de l'ettringite. Il est possible de remplacer le ciment Portland par de l'hydroxyde de calcium (chaux éteinte). 10 Un exemple de réaction d'hydratation entre l'anhydrite et l'aluminate mono-calcique est présenté pour illustrer la formation d'ettringite (C6AS3I-132) Avec : 3CA + 3CS + 38H C6AS3H32 + 2AH3 - C : CaO, - A : A1203, - S : S03, - H : H2O L'utilisation d'un liant ettringitique présente de nombreux avantages, notamment vis- à-vis d'une utilisation de la matrice minérale pour la réparation de réservoir d'eau potable. En effet, dans le cadre de la réparation de réservoir d'eau potable, la matrice minérale est destinée à être appliquée en couches minces sur un textile technique pour former le composite. La période critique des couches minces de matrice minérale est la période initiale, et notamment les 24 premières heures après application de celle-ci sur le textile technique. Durant cette période, il y a compétition entre l'hydratation du liant et l'évaporation de l'eau qu'il contient, le phénomène d'évaporation étant d'autant plus critique que les couches sont minces et que la surface d'échange entre la matrice minérale et l'extérieure est importante. Les ciments Portland ne sont pas adaptés à une utilisation en couche mince car leur temps de durcissement est trop important, ce qui entraine une forte évaporation et une hydratation de la matrice dégradée, ce qui induit leur dessiccation. Les liants ettringitiques sont la solution au problème de dessiccation car associés à des additifs adaptés, il est possible d'obtenir des temps de durcissement très courts, et donc une structuration très rapide de la matrice minérale qui va s'opposer à l'évaporation de l'eau de gâchage. 2.2 Squelette granulaire Le squelette granulaire permet de limiter la fissuration de la matrice minérale après séchage de celle-ci. Le squelette granulaire est par exemple de la silice éventuellement broyée, et/ou du filler calcaire, et/ou de la fumée de silice, et/ou du metakaolin, et/ou des cendres volantes, et/ou du laitier. 2.3 Additifs Les additifs jouent différents rôles et améliorent notamment : o la fluidité de la matrice minérale lorsqu'elle est mélangée à de l'eau pour former un béton (i.e. agent de rhéologie), o la stabilité de la matrice minérale lorsqu'elle est mélangée à de l'eau pour former le béton (i.e. agent de viscosité), et o la durée de vie du béton après séchage (i.e. résine), o la durée de prise du béton en réduisant ou augmentant celui-ci (i.e. agent modificateur de prise), o l'adhérence du béton sur le textile technique lors de son application, etc. Les additifs peuvent comprendre notamment un agent de rhéologie, un agent modificateur de prise, un agent de viscosité, une résine, un hydrofuge de masse. 2.3.1 Agent de renfort d'adhérence L'agent de renfort d'adhérence permet d'augmenter l'adhérence de la matrice sur la paroi du réservoir à réparer. 30 L'agent de renfort est avantageusement un alcool vinylique. Celui-ci permet à la matrice minérale de coller sur le textile technique. 2.3.2 Agent modificateur de prise L'agent modificateur de prise est par exemple un accélérateur ou un retardateur de prise pour accélérer ou retarder la prise de la matrice minérale. L'agent modificateur de prise permet de gérer la durée pratique d'utilisation et la durée de prise de la matrice minérale. Lorsque l'agent modificateur de prise est un retardateur, celui-ci peut être choisi parmi les acides carboxyliques et sels associés tels que l'acide tartrique, le tartrate de potassium (sel) et/ou le gluconate de sodium (sucre). Lorsque l'agent modificateur de prise est un accélérateur, celui-ci peut être choisi parmi le carbonate de sodium, le sulfate de potassium, le sulfate de sodium, le sulfate de lithium, les sels de lithium. 2.3.3 Agent de viscosité L'agent de viscosité permet de limiter les risques de sédimentations de la matrice zo minérale une fois l'eau ajoutée à celle-ci pour obtenir le béton. L'agent de viscosité est par exemple choisi parmi l'éther de cellulose, la gomme de Guar, la gomme Xanthan, la gomme Welan, l'éther d'amidon et/ou l'hectorite. 25 2.3.4 Résine La résine permet d'augmenter la durée de vie du produit. La résine est par exemple de l'acétate versatate de polyvinyle et/ou du styrène 30 acrylique et/ou du styrène butadiène. 2.3.5 Hydrofuge de masse Les hydrofuges de masse permettent de diminuer la capillarité de la matrice minérale une fois celle-ci séchée. Plus précisément, les hydrofuges permettent de rendre la matrice minérale imperméable. Les hydrofuges entrant dans la composition de la matrice minérale peuvent être choisis parmi le stéarate de magnésium et/ou l'oléate de sodium. 3. Récapitulatif des différents éléments constituant la matrice minérale Io A titre indicatif, les différents éléments susceptibles de constituer la matrice minérale seuls ou en combinaison sont résumés dans le tableau ci-dessous. Constituants Nature chimique Renfort d'adhérence Alcool polyvinylique Agent de éther de cellulose, gomme de Guar, Xanthan, viscosité Welan, éther d'amidon, hectorite CAC ou CSA sulfate de calcium (anhydrite, hémihydrate, Liant et/ou gypse) ciment Portland Chaux éteinte Charges silice, filler calcaire, fumée de silice, (squelette) metakaolin, cendres volantes, laitier carbonate de sodium, sulfate de potassium Modificateurs de sodium - lithium, sels de lithium, acides prise carboxyliques et sels associés, gluconate de sodium Hydrofuge Stéarate de magnésium, oléate de sodium Résines acétate versatate de polyvinyle, styrène acrylique, styrène butadiène Les pourcentages en poids de chacun des constituants de la matrice minérale sont donnés à titre indicatif dans le tableau ci-dessous : Constituants Renfort d'adhérence Agent de viscosité CAC et/ou CAS Sulfate de calcium Ciment Portland Chaux éteinte Charges (squelette) Modificateurs de prise Hydrofuge Résines Proportions 0.1 à 1% 0.1 à 1% à 60% 2 à 30% 0 à 12% 0 à 3% 40 à 90% 0.02 à 1% 0 à 3% 1 à 20% 4. Exemples de composition Deux compositions de matrices minérales sont présentées ci-dessous à titre d'exemple non limitatifs de la matrice minérale selon l'invention : 510 Exemple 1 Constituants Dénomination Fournisseur Proportions Renfort d'adhérence Amidons modifiés Sopaduc 0.1% Agent de viscosité RHW 1200 Peram in 0.5% CAC Fondu Kerneos 21% Sulfate de calcium Plâtre a Lafarge 7% Ciment Portland CEM I 42.5 Lafarge 0.5% Charges (squelette) Silice Sibelco 31% Filler calcaire Omya 34% Modificateurs de prise Acide tartrique Roth 0.4% Hydrofuge Oléate Na / Stéarate Mg Peter Greven 1% Résines Acétate de polyvinyle Momentive 6% Constituants Exemple 2 Dénomination Fournisseur Proportions Renfort d'adhérence Amidons modifiés Sopaduc 0.1% Agent de viscosité HS30 Lamberti 1% CAC Fondu Kerneos 20% Sulfate de calcium Plâtre a Lafarge 7% Ciment Portland CEM I 42.5 Lafarge 1.5% Charges (squelette) Silice Sibelco 31% Filler calcaire Omya 34% Modificateurs de prise Acide tartrique Roth 0.4% Hydrofuge Oléate Na / Stéarate Mg Peter Greven 1% Résines Acétate de polyvinyle Momentive 6% 5. Conclusions Comme indiqué précédemment, dans le cadre de l'application de la matrice minérale selon l'invention en couches minces ( L'avantage de cette solution est sa flexibilité qui permet une adaptation de la composition de la matrice en fonction des contraintes du chantier. Le lecteur aura compris que de nombreuses modifications peuvent être apportées à la matrice minérale décrite précédemment sans sortir matériellement des nouveaux enseignements et des avantages décrits ici. Par conséquent, toutes les modifications de ce type sont destinées à être incorporées à l'intérieur de la portée des revendications jointes.20 REVENDICATIONS1. Matrice minérale comprenant un liant, un squelette granulaire, et des additifs, caractérisée en ce que : - le liant est un liant ettringitique, et en ce que - les additifs comprennent un agent de renfort d'adhérence, ledit agent de renfort d'adhérence étant un alcool polyvinylique. 2. Matrice minérale selon la revendication 1, dans laquelle le liant ettringitique est composé : - de ciment alumineux (CAC) et/ou de ciments sulfo-alumineux (CSA), - et de sulfate de calcium tel que du plâtre et/ou du gypse et/ou de l'anhydrite, - et de ciment Portland ou de chaux éteinte. 3. Matrice minérale selon la revendication 2, dans laquelle : - la quantité de ciment alumineux et/ou de ciment sulfo-alumineux est comprise entre 5 et 60% en poids de la masse totale de la matrice minérale, - la quantité de sulfate de calcium est comprise entre 2 et 30% en poids de la masse totale de la matrice minérale, - la quantité de ciment Portland est comprise entre 0 et 12% en poids de la masse totale de la matrice minérale, - la quantité de chaux éteinte est comprise entre 0 et 3% en poids de la masse totale de la matrice minérale. 4. Matrice minérale selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle la quantité de renfort d'adhérence est comprise entre 0.1 et 1% en poids de la masse totale de la matrice minérale. 5. Matrice minérale selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle le squelette granulaire est : - de la silice éventuellement broyée, et/ou - du filler calcaire, et/ou - de la fumée de silice, et/ou- du metakaolin, et/ou - des cendres volantes, et/ou - du laitier. 6. Matrice minérale selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle la quantité de squelette granulaire est comprise entre 40 et 90% en poids de la masse totale de la matrice minérale. 7. Matrice minérale selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle les additifs comprennent un agent modificateur de prise choisi parmi : - les acides carboxyliques et les sels associés comme l'acide tartrique, le tartrate de potassium, - le gluconate de sodium, - le carbonate de sodium, le sulfate de potassium, le sulfate de sodium, le sulfate de lithium et les sels de lithium. 8. Matrice minérale selon la revendication 7, dans laquelle la quantité d'agent modificateur de prise est comprise entre 0.02 et 1% en poids de la masse totale de la matrice minérale. 9. Matrice minérale selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans laquelle les additifs comprennent un agent de viscosité choisi parmi les éthers de cellulose, la gomme de Guar, la gomme Xanthan, la gomme Welan, les éthers d'amidon et/ou les phyllosilicates comme l'hectorite. 10. Matrice minérale selon la revendication 9, dans laquelle la quantité d'agent de viscosité est comprise entre 0.1 et 1% en poids de la masse totale de la matrice minérale. 11. Matrice minérale selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans laquelle les additifs comprennent une résine choisie parmi de l'acétate versatate de polyvinyle et/ou du styrène acrylique et/ou du styrène butadiène. 12. Matrice minérale selon la revendication 11, dans laquelle la quantité de résine est comprise entre 1 et 20% en poids de la masse totale de la matrice minérale. 13. Matrice minérale selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, dans laquelle les additifs comprennent en outre un hydrofuge de masse choisi parmi le stéarate de magnésium et/ou l'oléate de sodium. 14. Matrice minérale selon la revendication 13, dans laquelle la quantité d'hydrofuge de masse est comprise entre 0 et 3% en poids de la masse totale de la matrice Io minérale.