Brevet FR3092108A1 — publié le 20200731

Description Titre de l'invention : COMPOSITION POUR LA FORMATION D'UN GEOPOLYMERE A PROPRIETES IGNIFUGES ET ME- CANIQUES ameliorEES, procede de fabrication de ce geopolymere et ses utilisations [0001] La présente invention concerne des géopolymères à propriétés ignifuges et mé- caniques renforcées, leur fabrication et leurs applications. [0002] Par « géopolymères », on entend des composés aluminosilicates préparés à tem- pérature ambiante. Les matériaux géopolymères sont des gels d'aluminosilicates amorphes résultant de l'activation alcaline d'une source aluminosilicate à basse température ( REVENDICATIONS- Composition pour la formation d'un géopolymère caractérisée par le fait qu'elle comporte : (A) un mélange pulvérulent aluni ino-s il icaté formé de : (A1) 10 à 75 parties en poids d'au moins un matériau argileux présentant, en composition massique (en % massique) : 30 à 70 % de Si02 ; 10 à 40 % d'Al203 ; 5 à 20 % de Ca0 ; 0,5 à 6 % deMgO,et [Revendication 2] (A2) 90 à 25 parties en poids d'au moins un kaolin, (Al) + (A2) représentant 100 parties en poids, et les constituants (A1) et (A2) ayant été mélangés puis calcinés pour former ledit mélange pulvérulent alumino-silicaté (A) ; et (B) une solution aqueuse alcaline d'au moins un silicate de métal alcalin ; les constituants (A) et(B) étant destinés à être mélangés pour former une solution colloïdale réactive apte à fournir ledit géopolymère par durcissement. - Composition selon la revendication 1, caractérisée par le fait que le ou les matériaux argileux du constituant (A1) sont choisis parmi ceux présentant en composition massique (en % massique) 55 à 65 % de Si02 ; 15 à 29 % d'Al203 ; 7 à 13 % de Ca0 ; 1 à 3 % de Mg0. [Revendication 3] - Composition selon la revendication 1, caractérisée par le fait que le ou les matériaux argileux du constituant (A1) sont issus des argilitcs du Callovo-Oxfordien ayant la composition minéralogique suivante : 12 % massique 20-55 (3-5) 20-40 Minéraux argileux (dont kaolin) Calcite (CaCO3) Carbonates Dolomite 1,5-6,5 (CaMg (C09) 2) et Ankérite Ca(Fe,Mg) (CO3)2 Silicates et Testos ilicates Quartz (S102) 15-20 Feldspath 1-2 potassique Plagioclase 0,5-1,5 (dont pyrites) 1,5-3,0 Minéraux annexes ou la composition massique suivante, en % massique : 5102 : 50-60 ; A1203 : 10-20 ; Na20 : 0- 1 ; K20 : 3-4 ; CaO : 5-20 ; MgO : 2-6 ; Fe203 : 4-6 ; S : 1-3, et [Revendication 4] ayant un rapport molaire Si/AI compris entre 2,5 et 3,5. - Composition selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée par le fait que le constituant (A2) est un kaolin soit purifié (dénommé ci-dessous Kp,), soit contenant des minéraux accessoires comme du quartz et des carbonates alcalino-terreux (dénommé ci-dessous Ki..;',,), choisi parmi ceux ayant les compositions massiques suivantes : Dénomination Si02 A1203 Rapport (% massique) (% massique) molaire Si/Al Kw= 54±5 46±5 1 Kcarb 60+3 25+3 1,44 ou la composition minéralogique suivante, en % massique : 13 Dénomination Kr, Kcarb Kaolin 90 54,9 Quartz 0 41,7 Carbonates 0 1,2 Hématite 0 0,7 Minéraux annexes 2 1,5 [Revendication 5] [Revendication 6] [Revendication 7] [Revendication 8] [Revendication 9] [Revendication 10] - Composition selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée par le fait que le constituant (A1) représente 50 à 70 parties en poids du mélange (A), et le constituant (A2), 50 à 30 parties en poids. - Composition selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée par le fait que le mélange (A) a été calciné à une température comprise entre 550 et 800°C, bornes incluses, et préférentiellement entre 600 et 750°C, bornes incluses. - Composition selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée par le fait que le ou les silicates de métaux alcalins sont choisis parmi un silicate de potassium et un silicate de sodium. - Composition selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée par le fait que le rapport molaire silicium/métal alcalin ou métaux alcalins du ou des silicates du constituant (B) est compris entre 0,4 et 1,7, bornes incluses, et préférentiellement entre 0,5 et 0,9, bornes incluses. - Composition selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée par le fait que la solution aqueuse formant le constituant (B) a une teneur en eau de 80 à 40 % en poids, notamment de 70 à 50 % en poids. - Procédé de fabrication d'un géopolymère à partir d'une composition telle que définie à l'une des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait qu'il comporte les étapes suivantes : a. on mélange les constituants (A1) et (A2), lesdits constituants étant broyés séparément puis mélangés ou étant co-broyés ; b. on calcine ledit mélange pour obtenir le mélange calciné (A) ; c. on prépare une solution aqueuse (B), dite solution d'activation, par dissolution de pastilles d'hydroxyde d'au moins un métal alcalin dans une solution aqueuse de silicate d'au moins un métal alcalin, pour obtenir un rapport molaire silicium/métal alcalin ou métaux alcalins de 0,4 à 1,7, bornes incluses, et préférentiellement de 0,5 à 0,9, bornes incluses ; d. on mélange le mélange calciné (A) issu de l'étape (b) et la 14 solution d'activation (B) issue de l'étape (c) pour obtenir une solution colloïdale réactive ; e. on met en forme la solution colloïdale réactive issue de l'étape (d) ; on laisse durcir la solution colloïdale réactive mise en forme à l'étape (e) pour obtenir le géopolymère ; et g. le cas échéant, on fait subir au géopolymère un traitement thermique à une température comprise entre 800 et 1 200°C, dans une atmosphère sèche ou humide pour l'obtention d'un géopolymère céramisé. [Revendication 11] [Revendication 12] [Revendication 13] - Procédé selon la revendication 10, caractérisé par le fait qu'à l'étape (a), le mélange (Al) + (A2) est homogénéisé pendant 4 à 12 heures. - Procédé selon l'une des revendications 10 et 11, caractérisé par le fait qu'à l'étape (b), le mélange est calciné à une température comprise entre 550 et 800°C, notamment de 600 à 750°C, soit dans un four cellule pendant une durée de 3 à 5 heures, soit dans un four rotatif pendant une durée de 0,5 à 1 heure, soit dans un four flash pendant une durée de 1 à 15 secondes. - Procédé selon l'une des revendications 10 à 12, caractérisé par le fait qu'à l'étape (e), on met en forme la solution colloïdale réactive par moulage, par coulage, par injection ou par extrusion pour la réalisation de pièces massives, ou par projection pour la réalisation de placages, ladite solution colloïdale réactive durcissant en l'espace de 1 à 360 minutes après sa mise en forme et formant le géopolymère sous la forme de : pièces massives de géométries variables, telles que blocs ou pièces pouvant s'assembler, coulis injectés in situ dans des ouvrages ; couches en revêtement d'une surface d'un autre matériau tel que des bétons, des briques ; ou par mélange avec un autre matériau, auquel cas il joue le rôle d'un liant en faisant suivre par son durcissement en mélange avec cet autre matériau. [Revendication 14] - Procédé selon l'une des revendications 10 à 13, caractérisé par le fait. 15 [Revendication 15] qu'après l'étape (e), on maintient la solution colloïdale réactive dans cet état pendant 0,5 à 2 jours avant de la laisser subir son durcissement, par ajout d'additifs minéraux « retardateurs de prise » choisis parmi ceux à hase de bore ou de phosphore, tels que l'acide borique, le borax ou l'acide phosphorique, à raison notamment de 2 à 3 % en masse par rapport à la solution colloïdale. [Revendication 16] - Procédé selon l'une des revendications 10 à 14 pour l'obtention d'un géopolymère céramisé, caractérisé par le fait qu'on met en oeuvre l'étape (g) consistant à porter le géopolymère obtenu à l'étape (0, à une température comprise entre 800 et 1 200°C en atmosphère sèche ou humide pendant une durée de 15 à 120 minutes. - Utilisation d'un géopolymère obtenu par le procédé tel que défini à l'une des revendications 10 à 14 : comme liant minéral, ledit géopolymère se présentant sous la forme d'un matériau consolidé ; pour l'inertage de déchets industriels, ledit géopolymère ayant été amené à durcir en mélange avec lesdits déchets industriels ; pour former une barrière de protection thermique, ledit géopolymère ayant été obtenu par projection pour former une couche sur une surface à protéger ; comme élément réfractaire, ledit géopolymère ayant été obtenu par moulage ou projection [Revendication 17] - Utilisation d'un géopolymère céramisé obtenu par le procédé tel que défini à l'une des revendications 10 et 15 : pour former une barrière de protection thermique ; comme élément réfractaire.