Brevet FR3026759A1 — publié le 20160408

La présente invention concerne le domaine du bâtiment et plus particulièrement de l'isolation des bâtiments au moyen de panneaux de parement isolants. Pour répondre aux contraintes actuelles de limitation des dépenses énergétiques, notamment de chauffage et/ou de climatisation des bâtiments, on prévoit tant en construction neuve qu'en rénovation, la pose, en façade des bâtiments, de panneaux de parement en béton, auxquels sont associés des matériaux isolants thermiques, généralement sous forme de plaques, par exemple en polystyrène expansé. Ces plaques d'isolant, d'une épaisseur importante, sont très souvent simplement accolées à l'arrière dudit panneau de parement, c'est à dire disposées contre la face du panneau opposée à celle tournée vers l'extérieur (qui forme donc la façade). Dans une telle configuration, la plaque d'isolant thermique et le panneau de parement en béton sont disjoints : dans l'interstice entre plaque et panneau peut alors s'infiltrer l'humidité, la condensation, et parfois même l'eau de pluie si l'étanchéité de la façade n'est pas complètement assurée ou suite à des fissures dans la maçonnerie ou encore suite à une dégradation de la façade. De plus ces plaques disjointes des panneaux de béton peuvent également donner lieu à des ruptures d'étanchéité thermique. Les matériaux adhésifs éventuellement envisagés pour lier de tels éléments de natures différentes sur de grandes surfaces ne sont pas efficaces et/ou nécessitent des opérations complémentaires coûteuses en matériau et en temps de main d'oauvre. Par ailleurs, ont été développés des enduits isolants qui peuvent être appliqués directement sur les murs, mais qui nécessitent, pour une bonne efficacité, plusieurs opérations successives, avec un séchage entre les différentes applications. Des matériaux légers à base d'aérogel sont ainsi utilisés dans des crépis pompés et projetés sur les murs dont la surface doit préalablement être séchés et rendue rugueuse pour une meilleure accroche dudit crépi. Cependant ces matériaux sont peu résistants mécaniquement, et présentent une plus faible durabilité. La présente invention a donc pour but de pallier tout ou partie des inconvénients ci-dessus en proposant un élément préfabriqué isolant, qui puisse servir en construction 35 neuve ou en rénovation de bâtiments, notamment pour l'isolation par l'extérieur des dits bâtiments. Un autre but de l'invention est de proposer un élément préfabriqué qui soit à la fois résistant mécaniquement, voire structurel, et qui présente un faible coefficient de 5 conductivité thermique. Un autre but de l'invention est de proposer un élément préfabriqué, tel qu'un panneau, qui soit d'épaisseur plus réduite que les panneaux doublés de polystyrène de l'art antérieur, et plus particulièrement de proposer un élément préfabriqué 10 remplaçant les associations de parement + isolant classique avec une moindre épaisseur tout en conservant une résistance mécanique équivalente. A cet effet, la présente invention propose un élément préfabriqué en béton ou mortier, tel qu'un panneau, notamment panneau de parement pour le bâtiment, caractérisé en 15 ce qu'il comprend au moins deux couches disposées l'une contre l'autre : - au moins une première couche en béton ou mortier, dénommée couche structurelle, comprenant un liant hydraulique, tel qu'un ciment, des granulats fins et éventuellement des granulats grossiers et facultativement des adjuvants, 20 - et au moins une deuxième couche en mortier, dénommée couche isolante, comprenant un liant hydraulique, tel que du ciment, des granulats fins et des microparticules d'un aérogel, de préférence un aérogel de silice, lesdites couches structurelle et isolante étant intimement liées l'une à l'autre, par interpénétration des granulats et microparticules de la deuxième couche dans la 25 première couche, dans la zone d'interface entre les deux couches. Les particules d'aérogel sont des granules de gel de silice où le composant liquide habituel du gel est remplacé par un gaz. Ce matériau est très léger et confère à ladite deuxième couche une très faible conductivité thermique. Il présente également de 30 bonnes propriétés d'isolation acoustique. Selon un mode de réalisation avantageux, cet élément préfabriqué est ainsi un élément bicouche, dont les deux couches à base de ciment, donc de nature proche, sont solidaires l'une de l'autre et indissociables, les granulats des deux couches se 35 mêlant, au moins partiellement, à leur interface. La partie isolation adhère alors parfaitement à la partie structurelle, sans adjonction d'un matériau de collage. De préférence, les granulats de la première couche, dénommée couche structurelle, comprennent du sable et des graviers. Cette dite couche structurelle en béton peut 5 ainsi être utilisée, non seulement comme parement extérieur, mais aussi comme élément porteur. De manière avantageuse, la première couche, dénommée couche structurelle, renferme des fibres, telles que des fibres métalliques, des fibres de verre et/ou des 10 fibres synthétiques. Les fibres métalliques, par exemple en acier, confèrent une grande résistance mécanique à ladite première couche de béton ou de mortier ; en effet leur présence réduit les risques de fissuration, tout en renforçant la résistance aux chocs et en 15 traction. Cette dite première couche se retrouvera alors avantageusement tournée vers l'extérieur du bâtiment. Les fibres de verre sont plutôt destinées aux couches plus minces, et les fibres synthétiques, généralement des fibres organiques en polymères, telles que des fibres 20 en polypropylène, limitent la fissuration liée au retrait lors de la prise du ciment : elles permettent de réaliser des éléments décoratifs et se retrouvent notamment sur les parements esthétiques. La première couche, dénommée couche structurelle est, selon les exigences de 25 l'utilisation envisagée, un béton armé vibré, un béton autoplaçant, un béton fibré ou un béton fibré ultra hautes performances (BFUP). En ce qui concerne la deuxième couche, dénommée couche isolante, les granulats fins de ladite couche isolante comprennent du sable et/ou des granulats légers, de 30 préférence des billes de verre creuses, ou encore de l'argile expansé, de la pierre ponce, de l'ardoise expansée, de la perlite ou de la vermiculite. De préférence, ladite deuxième couche renferme au moins 10 % en volume d'aérogel, de préférence au moins 15 % en volume, de préférence encore au moins 20 % en 35 volume. La présente invention concerne également le procédé de fabrication d'un élément préfabriqué décrit ci-dessus, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes successives suivantes : - le coulage, dans le fond d'un moule ouvert, d'un premier mélange cimentaire comprenant un liant hydraulique, tel qu'un ciment, des granulats fins et éventuellement des granulats grossiers, facultativement des adjuvants et de l'eau, de manière à former ladite première couche de béton ou de mortier, dénommée couche structurelle - le coulage, à la surface dudit premier mélange cimentaire avant son durcissement, d'un deuxième mélange cimentaire comprenant un liant hydraulique, tel que du ciment, des granulats fins, des microparticules d'un aérogel de silice et de l'eau, formant ladite deuxième couche, dénommée couche isolante - de manière à obtenir un ensemble de type monolithique intégrant lesdites couches structurelle et isolante solidaires l'une de l'autre, - durcissement de l'ensemble formé par les deux couches pour former l'élément préfabriqué, - démoulage dudit élément préfabriqué, - séchage complet de l'élément préfabriqué avant pose sur site. Ce procédé, appliquant les deux mélanges ou pâtes cimentaires l'une sur l'autre, "frais sur frais" permet de lier intimement les deux couches entre elles, les granulats fins et les microparticules d'aérogel du deuxième mélange cimentaire pénétrant de plusieurs millimètres dans la zone supérieure dudit premier mélange cimentaire, ces deux pâtes cimentaires étant, notamment à leur interface, totalement miscibles. Cette interpénétration des granulats à l'interface rend, après la prise du ciment, les deux couches indissociables l'une de l'autre. Le matériau qui en résulte est ainsi un élément monolithique (dans le sens d'un seul tenant) qui présente après séchage une zone structurelle et une zone isolante, ne risquant ni de subir des infiltrations ni des ruptures thermiques. De préférence, les granulats du premier mélange cimentaire formant la première couche dite couche structurelle comprennent du sable et des graviers.35 Ce premier mélange cimentaire formant la première couche dite couche structurelle peut avantageusement renfermer des fibres, telles que des fibres métalliques, des fibres de verre et/ou des fibres synthétiques, de préférence ajoutées au mélange cimentaire lors de son malaxage, juste avant son incorporation dans ledit moule. Le ciment des premier et deuxième mélanges cimentaires peut comprendre du ciment portland, un clinker sulfo-alumineux, un clinker alumineux ou un mélange de ceux-ci, lesdits premier et deuxième mélange pouvant renfermer des ciments de compositions différentes. De préférence, les granulats fins du deuxième mélange formant la deuxième couche dite couche isolante comprennent du sable et/ou des granulats légers, les granulats légers étant de préférence des billes de verre creuses. 15 Ledit deuxième mélange cimentaire peut renfermer, pour un mètre cube de mélange : - de 0,050 à 0,400 m3, de préférence 0,060 à 0,300 m3, de préférence encore de 0,080 à 200 m3 de ciment, - de 0,200 à 0,600 m3 de granulats fins, de préférence 0,220 à 0,550 m3, de préférence encore de 0,230 à 0,500 M3, 20 - de 0,200 à 0,700 m3 d'aérogel, de préférence de 0,250 à 0,650 m3, de préférence encore de 0,280 à 0,630 m3, - de 0,050 à 0,200 m3 d'eau, de préférence 0,060 à 0,180 m3, de préférence encore 0,070 à 0,160 m3. 25 L'élément préfabriqué décrit ci-dessus, fabriqué suivant le procédé selon l'invention peut notamment être utilisé pour la mise en oeuvre de panneau de parement isolant pour bâtiment, par exemple en vue d'une isolation thermique par l'extérieur. Une autre utilisation concerne la mise en oeuvre de plaques de dalles isolantes pour les sols, de préférence à l'intérieur de bâtiments. 30 Enfin, une autre utilisation concerne la mise en oeuvre de tout autre type d'élément préfabriqué isolant thermique et/ou acoustique pour le bâtiment ou le génie civil. L'invention sera bien comprise à la lecture de la description suivante d'exemples de 35 réalisation, en référence à la figure unique qui est une représentation schématique en 10 coupe de l'élément selon l'invention avant démoulage. EXEMPLES Le procédé selon la présente invention comprend la préparation de deux 5 compositions cimentaires distinctes, A et B, malaxées séparément à proximité d'un moule 1. Des exemples de formulations de ces compositions sont donnés ci-après. 10 Composition cimentaire A pour béton ou mortier Ai: pour 1 m3 de béton armé classique vibré -180 L d'eau -1,4 L d'adjuvant (superplastifiant OPTIMA 100 CHRYSO) 15 -80 L de filler -560 L de sable 0/2 mm -700 L de gravier 6/10 -330 L de ciment (ciment Portland blanc ou gris) 20 A2: pour 1 m3 de béton autoplaçant -190 L d'eau L d'adjuvant superplastifiant OPTIMA 100 CHRYSO -100 L de filler -546 L de sable 0/2 mm 25 -520 L de gravier -400 L de ciment (ciment Portland blanc ou gris) A3: pour 1 m3 de BFUP -212 L d'eau 30 -21 L d'adjuvant (superplastifiant OPTIMA 100 CHRYSO) -10 L de fibres polypropylène (KURALON de la Société KURARAY (JP)) -150 L de filler -595 L de sable 0/2 mm -800 L de ciment (ciment Portland blanc ou gris) Composition cimentaire B pour couche isolante, pour 1 m3 Bi: -80 L d'eau -100 L de ciment (ciment Portland blanc ou gris) .450 L de sable 0/2 mm -300 L d'aérogel de silice B2: -150 L d'eau -133 L de ciment (ciment Portland blanc ou gris) .484 L de microbilles de verre creuses -600 L d'aérogel de silice B3: -150 L d'eau -100 L de ciment (ciment Portland blanc ou gris) -250 L de sable et/ou de microbilles de verre creuses -500 L d'aérogel de silice B4: -200 L d'eau -1,6 Kg de superplastifiant (OPTIMA 100 chryso) .8 Kg d'agent d'hydratation du ciment (XEL 650 chryso) .400 Kg de ciment (ciment Portland blanc ou gris) -35 Kg de billes de verres creuses (mv = 15-60 Kg/m3 et de diamètre moyen 120 pm) .40 Kg d'aérogel de silice L'aérogel de silice est fourni par la Société ENERSENS de référence ISOGEL MORTAR. Sa masse volumique moyenne est de 80 Kg/m3. La composition cimentaire A, sitôt après le gâchage avec l'eau, est coulée dans un moule 2 ouvert, par exemple un moule parallélépipédique, pour en recouvrir le fond sur une hauteur h dépendant de l'usage et de l'épaisseur du panneau final souhaités. Immédiatement après (c'est-à-dire sans attendre le durcissement du mélange A), est coulé, à la surface de la composition cimentaire A, le mélange de la composition cimentaire B malaxé avec la quantité d'eau indiquée ci-dessus sur une épaisseur e. Les granulats 3 du second mélange B pénètrent sur quelques millimètres (2 à 3 mm) dans la couche A encore fluide. Dans cette zone de quelques millimètres d'interface 4 entre A et B, les compositions, encore très fluides, se mélangent donc partiellement. La prise des deux compositions cimentaires A et B s'effectue alors simultanément, emprisonnant à l'interface les particules et granulats des deux compositions. Cette interface 4 de quelques millimètres est suffisante pour permettre l'interpénétration des particules des deux compositions l'une dans l'autre, sans affecter la résistance de la couche de béton. Après démoulage à 24 heures, puis séchage 28 jours verticalement, le panneau bicouche ainsi réalisé est prêt à être posé, la première couche renfermant la composition A (couche structurelle) étant destinée à former la face extérieure 5 avant du panneau, et la seconde couche de composition B, destinée à constituer la partie arrière. Un tel panneau préfabriqué est alors prêt à être installé, par exemple, en tant que parement isolant pour l'isolation par l'extérieur d'un bâtiment. De tels panneaux sont compatibles avec tous les éléments existants de pose sur 30 chantier de parements en béton, selon la dimension et le poids desdits panneaux préfabriqués, sur rails ou sur une ossature ou au moyen d'un agencement poteau/poutre sans nécessiter l'adjonction d'autre matière isolante. Des douilles de fixation peuvent être intégrées au panneau lors de sa préfabrication, 35 elles sont enfoncées dans la superposition des deux couches de compositions A et B jusqu'au béton de parement (couche de composition cimentaire A) qui seul supporte ladite fixation. TEST Ce test était destiné à estimer la valeur de la conductivité thermique d'un échantillon de composition B4 (c'est-à-dire de la couche isolante uniquement), après séchage de ladite couche, par la méthode du fil chaud selon le protocole décrit ci-après. Ce mode opératoire est défini par le CERIB et décrit dans la procédure interne ESS/EXEC/609/13 "Estimation de la conductivité thermique sèche par la méthode du fil chaud (CT-Mètre)" Le principe théorique de cette méthode est le suivant : on dispose un fil résistif entre deux plaques d'un même échantillon, de grande longueur et d'épaisseur supposée infinie. L'échantillon, initialement isotherme, est soumis à un flux de chaleur délivré sous forme d'effet Joule par le fil résistif. Si le fil est supposé infiniment long et de rayon négligeable, le transfert de chaleur est alors radial et la conductivité thermique peut être déterminée à partir de l'évolution de la température en un point donné se trouvant à proximité du fil résistif. La température est mesurée, en ce point, au moyen d'un thermocouple. Après une première phase, l'élévation de température mesurée devient asymptotique. 25 La conductivité thermique est alors déterminée à partir de la pente de cette asymptote. Pour réaliser ce test, les deux plaques servant d'éprouvettes d'essai sont découpées dans des blocs de l'échantillon B4, usinées et ajustées afin d'obtenir deux plaques à 30 faces planes et parallèles. Ces échantillons sont conservés en salle régulée à 20°C + 1°C et 65 % HR + 5 % avant d'être séchés jusqu'à poids constant en étuve régulée à 105°C + 5°C et ventilée par de l'air pris dans l'ambiance de cette même salle. 35 La mesure utilise : -Un appareil à fil chaud (CT-Mètre de Référence 1109) - Une sonde de type Fil - Référence 50/A-R5.52 La masse volumique sèche est déterminée par méthode géométrique et pondérale sur les deux plaques servant d'éprouvettes d'essai. Les dimensions (L x I x ep.) et masses volumiques des plaques après surfaçage étaient les suivantes : Plaque 1 149,4 x 150,5 x 23,9 Epaisseur de la plaque : 23,9 mm Masse volumique sèche : 558,2 Kg/m3 Plaque 2 151,2 x 146,4 x 27,8 Epaisseur de la plaque : 27,8 mm Masse volumique sèche : 568,4 Kg/m3 Epaisseur moyenne des plaques : 25,9 mm Masse volumique : 563,3 Kg/m3 Les résultats des mesures de température sont regroupés dans le tableau 1 ci-après. Puissance Température Elévation de Lambda injectée (P en VV) initiale (Ti en °C) température (AT en °C) (X en VV/(m.K)) 0,21 23,6 11,7 0,14 23,6 11,1 0,14 23,9 12,1 0,13 23,6 10,8 0,13 23,8 11,7 0,14 Tableau 1 La conductivité thermique sèche du matériau testé est estimée à 0,14 VV/(m.K) pour une température moyenne de 29°C environ. Un tel matériau permet de réaliser une isolation thermique comparable à celle d'un isolant polystyrène de 20 cm avec seulement 15 cm d'épaisseur de couche d'isolant selon l'invention. Cependant, la quantité d'aérogel dans ladite couche peut avantageusement être augmentée jusqu'à 600 ou 700 L/m3 permettant de réduire considérablement son épaisseur (jusqu'à 5 cm environ) pour des performances d'isolation thermique équivalentes. AVANTAGES Par rapport aux systèmes d'isolation par l'extérieur existants, ces panneaux présentent une épaisseur réduite avec seulement quelques centimètres de couche d'isolant et une liaison totale du béton de parement et de la couche isolante. L'épaisseur réduite de tels panneaux isolants, lorsqu'ils sont utilisés en murs porteurs, permet d'augmenter significativement les surfaces utiles des bâtiments. La couche d'isolant, lorsqu'elle est composée majoritairement de granules d'aérogel de silice de très faible masse volumique, ne rajoute pas un poids important à la couche structurelle. Les efforts structurels sont, eux, entièrement repris par la couche de béton de finition 20 préalablement dimensionnée indépendamment de la couche isolante. Les panneaux bicouches selon l'invention sont utilisables en neuf ou en rénovation et déclinables avec l'ensemble des bétons de parement existants (du BFUP au béton armé). Ils peuvent ainsi être adaptés aux différents budgets et aux différents dessins 25 de façades des architectes. Ces parements bicouches intrinsèquement isolants peuvent être préfabriqués en usine. Par rapport à l'état de l'art connu, ils apportent gain de temps, simplicité et économie de coût de main d'oauvre et durabilité, notamment par rapport aux isolants 30 épais rajoutés sur chantier ou enduits isolants appliqués in situ en plusieurs opérations. REVENDICATIONS1. Elément préfabriqué (1) en béton ou mortier, tel qu'un panneau, notamment panneau de parement pour le bâtiment, caractérisé en ce qu'il comprend au moins 5 deux couches disposées l'une contre l'autre : - au moins une première couche en béton ou mortier, dénommée couche structurelle, comprenant un liant hydraulique, tel qu'un ciment, des granulats fins et éventuellement des granulats grossiers et facultativement des adjuvants, 10 - et au moins une deuxième couche en mortier, dénommée couche isolante, comprenant un liant hydraulique, tel que du ciment, des granulats fins et des microparticules d'un aérogel, de préférence un aérogel de silice, lesdites couches structurelle et isolante étant intimement liées l'une à l'autre, par interpénétration des granulats (3) et microparticules de la deuxième couche dans la 15 première couche dans la zone d'interface (4) entre les deux couches. 2. Elément selon la revendication 1, caractérisé en ce que les granulats de la première couche, dénommée couche structurelle, comprennent du sable et des graviers. 3. Elément selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la première couche, dénommée couche structurelle, renferme des fibres, telles que des fibres métalliques, des fibres de verre et/ou des fibres synthétiques. 4. Elément selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première couche, dénommée couche structurelle, est un béton armé vibré, un béton autoplaçant, un béton fibré ou un béton fibré ultra hautes performances (BFUP). 5. Elément selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite deuxième couche renferme au moins 10 % en volume d'aérogel, de préférence au moins 15 % en volume, de préférence encore au moins 20 % en volume. 20 25 30 35 6. Elément selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les granulats fins de ladite couche isolante comprennent du sable et/ou des granulats légers, de préférence des billes de verre creuses. 7. Procédé de fabrication d'un élément préfabriqué selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes successives suivantes : - le coulage, dans le fond d'un moule (2) ouvert, d'un premier mélange cimentaire (A) comprenant un liant hydraulique, tel qu'un ciment, des granulats (fins et éventuellement grossiers), facultativement des adjuvants et de l'eau, de manière à former ladite première couche de béton ou de mortier, dénommée couche structurelle - le coulage, à la surface dudit premier mélange cimentaire avant son durcissement, d'un deuxième mélange cimentaire (B) comprenant un liant hydraulique, tel que du ciment, des granulats fins, des microparticules d'un aérogel de silice et de l'eau, formant ladite deuxième couche, dénommée couche isolante - de manière à obtenir un ensemble de type monolithique intégrant lesdites couches structurelle et isolante solidaires l'une de l'autre, - durcissement de l'ensemble formé par les deux couches pour former l'élément préfabriqué, - démoulage dudit élément préfabriqué, - séchage complet de l'élément préfabriqué avant pose sur site. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que les granulats du premier mélange cimentaire formant la première couche dite couche structurelle comprennent du sable et des graviers. 9. Procédé selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que le premier mélange cimentaire formant la première couche dite couche structurelle renferme des fibres, telles que des fibres métalliques, des fibres de verre et/ou des fibres synthétiques. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que le ciment des premier et deuxième mélanges cimentairescomprend du ciment portland, un clinker sulfo-alumineux, un clinker alumineux ou un mélange de ceux-ci, lesdits premier et deuxième mélange pouvant renfermer des ciments de compositions différentes. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que les granulats fins du deuxième mélange formant la deuxième couche dite couche isolante comprennent du sable et/ou des granulats légers, les granulats légers étant de préférence des billes de verre creuses. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 11, caractérisé en ce que ledit deuxième mélange cimentaire renferme, pour un mètre cube de mélange : - de 0,050 à 0,400 m3, de préférence 0,060 à 0,300 m3, de préférence encore de 0,080 à 200 m3 de ciment, - de 0,200 à 0,600 m3 de granulats fins, de préférence 0,220 à 0,550 m3, de préférence encore de 0,230 à 0,500 m3, - de 0,200 à 0,700 m3 d'aérogel, de préférence de 0,250 à 0,650 m3, de préférence encore de 0,280 à 0,630 m3, - de 0,050 à 0,200 m3 d'eau, de préférence 0,060 à 0,180 m3, de préférence encore 0,070 à 0,160 m3. 13. Utilisation de l'élément selon l'une des revendications 1 à 6, fabriqué suivant le procédé selon l'une des revendications 7 à 12, pour la mise en oeuvre de panneau de parement isolant pour bâtiment. 14. Utilisation de l'élément selon l'une des revendications 1 à 6, fabriqué suivant le procédé selon l'une des revendications 7 à 12 pour la mise en oeuvre de plaques de dalles isolantes pour les sols, de préférence à l'intérieur de bâtiments. 15. Utilisation de l'élément selon l'une des revendications 1 à 6, fabriqué suivant le procédé selon l'une des revendications 7 à 12 pour la mise en oeuvre de tout type d'élément préfabriqué isolant thermique et/ou acoustique pour le bâtiment ou le génie civil.