Brevet FR3094008A1 — publié le 20200925

Description Titre de l'invention : liant géopolymérique à base d'argile TOT chargée Domaine technique [0001] La présente invention relève du domaine des matériaux de construction. Plus pré- cisément, l'invention concerne un liant géopolymérique à base d'argile dite « TOT » chargée. Ce liant permet la fabrication de coulis, mortier et béton avec une faible empreinte environnementale. Etat de la technique [0002] Dans le domaine de la construction, trois types de liants sont généralement utilisés, les liants hydrauliques à base de ciment Portland, les liants alcali-activés et les liants géopolymériques. Les liants géopolymériques, ou géopolymères, sont appelés de cette manière car ils sont obtenus par polymérisation de matière inorganique, tels que des oxydes d'aluminosilicates, en présence d'activateur alcalin. Les géopolymères possèdent une structure tridimensionnelle très résistante constituée de liaisons covalentes Si-O-Si et Si-O-Al. [0003] La production des géopolymères est écologiquement plus avantageuse que celle du ciment Portland conventionnel. En effet, produire une tonne de ciment Portland implique la calcination de calcaire et d'argile à 1450°C. Cette calcination du calcaire entraîne l'émission d'environ une tonne de CO2 en plus du coût énergétique élevé de l'activation thermique. [0004] En comparaison, le coût énergétique de la préparation des matériaux précurseurs d'un géopolymère conventionnel, à savoir des métakaolins, ne représente qu'un tiers de celui du ciment Portland. En effet un métakaolin est obtenu par broyage de kaolin suivi d'un passage de quelques secondes dans une chambre à une température comprise entre 900 et 1000°C. Un tel métakaolin présente en général une granulométrie inférieure à 10 gm et donc une réactivité importante (du fait de sa grande surface spécifique). Toutefois la préparation d'un liant géopolymérique à partir de métakaolin nécessite une quantité importante d'activateur alcalin, typiquement une solution alcaline de silicate, pour que le liant puisse être mis en oeuvre et possède donc une certaine ouvrabilité. Le coût de production d'un liant géopolymérique à base de métakaolin peut s'avérer élevé (compte tenu de la quantité nécessaire et du prix des solutions alcalines (l'activation). En outre, lorsque des solutions alcalines de silicate corrosives sont utilisées (c.à.d. lorsque le rapport molaire M20:Si02 > 0,625 avec M = Na ou K), la présence de personnel qualifié est nécessaire pour éviter tout accident lors de la manipulation de ces substances. 2 100051 La préparation de géopolymères à partir de métakaolin est décrite notamment dans les demandes de brevet US 2012/0192765, WO 2016/156722, WO 2008/012438 et FR-A-2966823. Des travaux sur les géopolymères sont également documentés dans la littérature. Ainsi. Buchwald et al. (The suitability of thennally activated illite/ smectite clay as ras(' tnaterial for geopolymer binders. Applied Clay Science, 46 (2009) 300-304) ont étudié l'aptitude d'argile à base d'illite/smectite à être utilisée comme précurseur d'un géopolymère. Le précurseur a été préalablement activé thermiquement à 850°C. Une solution silicatée composée à 10% de NaOH a été mélangée à l'illite calcinée avec un rapport LIS (liquide/solide) égal à 0,41. Grase et al. ( Chetnically treated submicron illite clays for product with improved strength. Advanced Materials Research, 1117 (2015) 152-155) ont synthétisé des géopolymères à base d'illite issue d'argile rouge et grise. Cette illite a été mélangée à une solution de NaOH (4M) puis curée 3 jours à 60°C puis 3 jours à 100°C. Dietel et al. (The importance of .specific surface arec in the geopolymerisation of heated ulule clay. Applicd Clay Science, 139 (2017) 99-107) ont synthétisé un géopolymère dont le précurseur est de l'argile composée à 30% d'illitc. L'argile a été calcinée à 875°C pendant 3h puis mélangée à une solution de KOH (5M) avec un rapport L/S égal à 0,5. Hu et al. (The influence of alkali activator type, cc ring temperature and gibbsite on the géopolymérisation of an interstratified illite-smectite rich clay from Friedland. Applicd Clay Science, 135 (2017) 386-393) ont étudié l'influence de plusieurs activateurs alcalins sur la géopolymérisation d'argile riche en illite-smectitc. Cette argile a été calcinée à 850°C puis broyée pendant 2h avec un broyeur planétaire à billes d'agate. Plusieurs proportions de gibbsitc Al(OH)3 ont été mélangées au précurseur, et les géopolymères ont été obtenus en ajoutant NaOH 6M ou KOH 6M avec un rapport massique liquide/solide (LIS) égal à 0,5. Les performances mécaniques de ces géopolymères à base d'illitc sont toutefois moyennes, avec par exemple une résistance à la compression à 28 jours de l'ordre de 30 MPa (Hu et al., op. cité). [0006] Dans l'optique de disposer de géopolymères dont le coût de revient est maitrisé et dont les performances mécaniques permettent leur application dans différents domaines comme les éléments préfabriqués et les revêtements de protection, la présente invention a été réalisée. Résumé de l'invention [0007] L'invention concerne un liant géopolymérique dans lequel tout ou partie du mé- talcaolin traditionnellement utilisé pour la préparation de géopolymères est remplacé par une argile TOT chargée activée Plus particulièrement l'invention concerne un liant géopolymérique comprenant : un matériau aluminosilicaté contemnit au moins 20% en masse d'argile TOT chargée, et une solution alcaline de silicate ayant un rapport 3 molaire M20/SiO2 (M = Na ou K) compris dans la gamme allant d'environ 0,45 à environ 0,8, ledit liant eéopolymérique présentant un rapport massique liquide/solide (LIS) compris dans la gamme allant d'environ 0,4 à environ 1,0 (0,4 120 MPa à 28j) ce qui, à la connaissance de la Demanderesse, est très rare voire impossible pour des liants géopolymériques dont le précurseur aluminosilicate est composé exclusivement de métakaolin. [0031] Un autre avantage réside dans le fait que la demande en eau du précurseur alumino- silicate conforme à l'invention est nettement inférieure à celle du métakaolin flashé. L'argile TOT chargée activée réagit beaucoup moins rapidement avec la solution alcaline (durcissement plus lent), ce qui permet de diminuer drastiquement la quantité d'eau contenue dans le mélange sans avoir à utiliser d'adjuvant de type super-plastifiant. [0032] La présente invention permet donc d'augmenter les propriétés mécaniques du géo- polymère après cure tout en gardant une ouvrabilité acceptable lors de la mise en oeuvre du liant, du mortier ou du béton avant la période de cure, que celle-ci soit faite en étuve ou à l'air ambiant. Diminuer la quantité de solution alcaline de silicate permet également de diminuer les coûts environnementaux et financiers de ce type de géopolymère car cette solution est produite industriellement et concentre la majeure partie du coût du géopolymère. [0033] Du fait de ses propriétés rhéologiques et mécaniques, le liant géopolymère conforme à l'invention est susceptible d'être utilisé : [0034] - pour la réalisation d'éléments de construction préfabriqués (bloc de bétons, parpaing, brique, tuiles, plaque, ou matériau d'isolation, etc.) ; [0035] - comme matériau directement coulé sur chantier sous forme de coulis, mortier ou béton ; [0036] - comme colle ; [0037] - comme enrobage d'éléments de construction ou de surface, enduits ; [0038] - pour la fabrication de céramiques (canalisations, moules réfractaires, etc.). 8 100391 L'invention sera mieux comprise à l'aide des exemples suivants, donnés à titre purement illustratiL Dans ces exemples, les mesures de résistance à la compression (Re) à 48h et 28 jours ont été effectuées selon le principe de la norme EN 12390-3. Sauf indication contraire, les solutions alcalines de silicate utilisées sont des solutions commerciales. Exemple 1 [0040] On a préparé un liant géopolyrnère à partir d'Argile Verte de Romainville issue de la couche superficielle d'une carrière de gypse de l'est francilien. Ce matériau argileux contient des argiles TOT chargées dont en moyenne 48% en masse d' ill ite/muscovite. [0041] On a placé dans un creuset en alumine 500 g d'argile verte dont la granulométrie est inférieure à 1 mm, puis le creuset a été placé dans un four à moufle de type Nabertherm® LE 14/11/B150. Une montée en température de 30 min du four puis un palier à une température de 850°C pendant une durée de 2h ont été programmés. Le refroidissement à température ambiante s'est fait de manière naturelle dans le four fermé. Une fois le traitement thermique terminé, le matériau a été placé dans un creuset en carbure de tungstène associé à un broyeur planétaire de type Retsch® PM100 et on a ajouté des billes de 30 mm de diamètre en carbure de tungstène, de sorte à obtenir un rapport massique billes/poudre de matériau de 7,7. Le creuset a été fermé et on l'a mis en place sur l'axe de rotation du broyeur planétaire. Le broyage a été effectué pendant 4h à 400 tours/min. À la fin du broyage, la poudre obtenue comprend au moins 40% en masse de phase amorphe, et présente un DI no