Brevet FR3033788A1 — publié le 20160923

MATERIAU COMPOSITE A MATRICE CIMENTAIRE RENFORCEE DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne le domaine technique général des matériaux composites pour la construction. Un matériau composite est généralement constitué d'au moins deux matériaux non miscibles possédant une forte capacité d'adhésion, à savoir : - un renfort assurant une bonne tenue mécanique, et - une matrice assurant la cohésion de la structure et (la retransmission) le transfert des efforts vers le renfort. L'invention concerne plus particulièrement un matériau composite composé : - d'un renfort en fibres de verre, et - d'une matrice minérale, notamment d'une matrice cimentaire. ARRIERE PLAN DE L'INVENTION La fibre de verre est depuis longtemps utilisée dans le domaine de la construction, notamment pour le renforcement des ciments ou du bitume. Trois types de verres peuvent rentrer dans la fabrication des fibres de verre destinées 25 au renforcement de matériaux composites, à savoir les verres de types E, C et AR: - le verre de type de E est composée de 53-55% de Si02, 14-15% de A1203, 23% de CaO, 1% de MgO, 0,8% de B203 et de Na2CO3, 0,3% Fe203 et 0,5% Ti02; - le verre de type C résulte du mélange de 60 à 65% de Si02, 3,5 à 6% de 30 A1203, 14% de CaO, 3% de MgO, 10% de Na2CO3, 5% de B203 et de 0,5% de Fe203; - le verre de type AR (ou « Alcali Résistant ») est composé de 61% de Si02, 5% de CaO, 17% de Na2CO3, 0,3% de Fe203 et 10% de Zr02. 3033788 2 Toutefois, si l'on mélange des fibres de verre non alcali - notamment des fibres de verre de type E - avec des ciments classiques, tel qu'un ciment Portland, lesdites fibres de verres sont attaquées par l'hydroxyde de calcium (i.e. chaux éteinte) libérée 5 lors de l'hydratation du ciment. Ceci induit l'altération rapide du matériau composite ainsi obtenu par corrosion des fibres de verre. Pour pallier cet inconvénient, on a déjà proposé de remplacer la matrice cimentaire par une matrice organique telle qu'une résine polyester, une résine époxy, une résine 10 phénolique ou une résine thermoplastique. Outre les problèmes liés au recyclage, un autre inconvénient de ces matériaux composites est qu'ils peuvent provoquer des allergies chez leurs utilisateurs. On a également proposé de remplacer le renfort en fibres de verre non alcali - 15 notamment les fibres de verre de type E - par un renfort constitué majoritairement de zircone. Ces fibres, qui résistent bien à la chaux, présente toutefois l'inconvénient de ne pas garantir la capacité de déformation du composite sur le long terme, du fait de la croissance des cristaux de chaux à l'interface matrice - fibres qui empêchent le glissement de ces dernières (d'être très couteuses, ce qui rend leur utilisation 20 rédhibitoire au niveau industriel). Un but de la présente invention est de proposer un matériau composite à matrice cimentaire et renfort en fibres de verre non alcali ne présentant pas les inconvénients des matériaux composites précités. BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION A cet effet, l'invention propose un matériau composite comportant : - un renfort en fibres de verre incluant du verre de type E, et - une matrice minérale incluant un liant, un squelette granulaire, et au moins un additif, remarquable en ce que le liant de la matrice minérale est un liant ettringitique. On entend, dans le cadre de la présente invention, par « liant ettringitique », un liant dont le principal hydrate est de l'ettringite, contrairement notamment aux liants 3033788 3 composés majoritairement de ciment Portland dont le principal hydrate est du silicate de calcium hydraté (C-S-H). Le liant ettringitique a la particularité de ne pas libérer de chaux au cours de son 5 hydratation. Ainsi, on limite les risques de corrosion des fibres de verre incluant du verre de type E et on assure le glissement des fibres dans la matrice. Le liant ettringitique est donc compatible avec un renfort en fibres de verre incluant du verre de type E. 10 Le pH de la matrice après durcissement est inférieur à 11, notamment voisin de 10,5. Des essais de vieillissement accélérés des composites dans des bains à 50 °C (et 70 °C) ont été réalisés. Les observations en microscopie électronique des fibres de verre E prélevées dans la matrice montrent que les fibres ne sont pas attaquées. Les performances mécaniques des composites sont équivalentes à celles des composites 15 renforcés avec des fibres alcalis - résistantes. Des aspects préférés mais non limitatifs du matériau composite selon l'invention sont les suivants : - la quantité de fibres de verre incluant du verre E dans le matériau composite 20 peut être inférieure à 10%, de préférence être inférieure à 5%, notamment comprise entre 0,5 et 2,5 % en poids de la masse totale du matériau composite ; - la matrice minérale peut comprendre du ciment Portland et/ou de l'hydroxyde de calcium, les quantités de ciment Portland et/ou d'hydroxyde de calcium 25 étant telles que la matrice est dépourvue de chaux et/ou de Portlandite lorsqu'elle est hydratée ; - la matrice minérale peut comprendre du ciment Portland, la quantité de ciment Portland étant comprise entre 0 et 12%, préférentiellement comprise entre 0.1 et 6%, et encore plus préférentiellement comprise entre 0.1 et 2.5% en 30 poids de la masse totale de la matrice minérale ; - la matrice minérale peut comprendre de l'hydroxyde de calcium, la quantité d'hydroxyde de calcium étant comprise entre 0 et 3%, préférentiellement comprise entre 0.1 et 1.5%, et encore plus préférentiellement comprise entre 0.1 et 0.5% en poids de la masse totale de la matrice minérale ; 35 - le liant ettringitique peut comprendre : 3033788 4 o du ciment alumineux (CAC) et/ou de ciments sulfo-alumineux (CSA), o et du sulfate de calcium tel que du plâtre et/ou du gypse et/ou de l'anhydrite ; - avantageusement : 5 o la quantité de ciment alumineux et/ou de ciment sulfo-alumineux peut être comprise entre 5 et 60% en poids de la masse totale de la matrice minérale, o la quantité de sulfate de calcium peut être comprise entre 2 et 30% en poids de la masse totale de la matrice minérale ; 10 le squelette granulaire de la matrice minérale 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 15 o des cendres volantes, et/ou o du laitier, et/ou o de la chamotte, et/ou o de la wollastonite, la quantité de squelette granulaire étant comprise entre 40 et 90% en poids de 20 la masse totale de la matrice minérale ; les additifs de la matrice minérale peuvent comprendre : o un agent modificateur de prise choisi parmi : - la famille des acides carboxyliques et des sels associés, tels que l'acide tartrique et le tartrate de potassium, 25 - 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, o un agent de viscosité choisi parmi les éthers de cellulose, la gomme de Guar, la gomme Xanthan, la gomme Welan, et/ou les éthers d'amidon, 30 o une résine choisie parmi les acétates versatates de polyvinyle et/ou du styrène butadienne et/ou du styrène acrylique. 3033788 5 DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION 5 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 10 béton une fois celui-ci solidifié. 1. Identification des fonctions visées La matrice minérale doit répondre aux objectifs suivants : 15 Etre perméable à la vapeur d'eau pour permettre son évacuation, Etre le moins corrosive possible pour les fibres de verre incluant du verre de type E. Il en va de même du béton et du béton durci. 20 2. Composition du matériau composite Le matériau composite comporte : - une matrice minérale incluant un liant, un squelette granulaire, et au moins un 25 additif, et - un renfort en fibres de verre incluant du verre de type E. Ces différents éléments seront décrits plus en détails dans la suite. 30 2.1. Matrice minérale 3033788 6 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) d'ouvrages en béton ou la fabrication d'éléments en composites ciment - verre. 5 En particulier, la matrice minérale comprend un liant, un squelette granulaire, et un (ou plusieurs) additif(s). 2.1.1. Liant 10 Le liant permet le durcissement de la matrice minérale. Le liant de la matrice minérale est avantageusement un liant ettringitique. Il présente la particularité d'être exempt d'hydroxyde de calcium (i.e. Chaux). Ceci permet de limiter les risques de corrosion des fibres de verre incluant du verre de type E. En effet, l'attaque de ces fibres dans 15 les matrices traditionnelles est due à l'alcalinité du milieu (i.e. pH >12). Le liant ettringitique possède l'avantage de présenter un pH REVENDICATIONS1. Matériau composite comportant : - un renfort en fibres de verre incluant du verre de type E, et - une matrice minérale incluant un liant, un squelette granulaire, et au moins un additif, caractérisé en ce que le liant de la matrice minérale est un liant ettringitique. 2. Matériau composite selon la revendication 1, dans lequel la quantité de fibres de verre incluant du verre E dans le matériau composite est inférieure à 10%, de préférence est inférieure à 5%, notamment comprise entre 0,5 et 2,5 % en poids de la masse totale du matériau composite. 3. Matériau composite selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel la matrice minérale comprend du ciment Portland et/ou de l'hydroxyde de calcium, les quantités de ciment Portland et/ou d'hydroxyde de calcium étant telles que la matrice est dépourvue de chaux et/ou de Portlandite lorsqu'elle est hydratée. 4. Matériau composite selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la matrice minérale comprend du ciment Portland, la quantité de ciment Portland étant comprise entre 0 et 12%, préférentiellement comprise entre 0.1 et 6%, et encore plus préférentiellement comprise entre 0.1 et 2.5% en poids de la masse totale de la matrice minérale. 5. Matériau composite selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la matrice minérale comprend de l'hydroxyde de calcium, la quantité d'hydroxyde de calcium étant comprise entre 0 et 3%, préférentiellement comprise entre 0.1 et 1.5%, et encore plus préférentiellement comprise entre 0.1 et 0.5% en poids de la masse totale de la matrice minérale. 3033788 16 6. Matériau composite selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le liant ettringitique comprend : o du ciment alumineux (CAC) et/ou de ciments sulfo-alumineux (CSA), o et du sulfate de calcium tel que du plâtre et/ou du gypse et/ou de 5 l'anhydrite. 7. Matériau composite selon la revendication 6, dans lequel : o 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 10 minérale, o la quantité de sulfate de calcium est comprise entre 2 et 30% en poids de la masse totale de la matrice minérale. 8. Matériau composite selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans 15 lequel le squelette granulaire de la matrice minérale est : 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 20 o des cendres volantes, et/ou o du laitier, et/ou o de la chamotte, et/ou o de la wollastonite, la quantité de squelette granulaire étant comprise entre 40 et 90% en poids de 25 la masse totale de la matrice minérale. 9. Matériau minérale selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel les additifs de la matrice minérale comprennent : o un agent modificateur de prise choisi parmi : 30 - la famille des acides carboxyliques et des sels associés, tels que l'acide tartrique et le tartrate de potassium, 3033788 17 - 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, o un agent de viscosité choisi parmi les éthers de cellulose, la gomme de Guar, la gomme Xanthan, la gomme Welan, et/ou les éthers d'amidon, o une résine choisie parmi les acétates versatates de polyvinyle et/ou du styrène butadienne et/ou du styrène acrylique.