Brevet FR3119387A1 — publié le 20220805

L’invention concerne notamment un procédé pour réaliser un béton ou un mortier (16) imprimable en 3D, comprenant les étapes suivantes : - réalisation d’une première préparation (10) comprenant sensiblement entre 10% et 45% en poids broyat(6) d’un mâchefer d’incinération d’ordures ménagères et, respectivement, sensiblement entre 90% et 55% en poids d’un ciment portland (9), - réalisation d’une seconde préparation (12) comprenant de l’eau, - mélange d’une première quantité de ladite première préparation (10) et d’une seconde quantité de ladite seconde préparation (12) pour obtenir un mélange (14), le rapport entre ladite seconde quantité et ladite première quantité étant compris entre 0,3 et 0,5, - ajout d’une quantité de sable ou de granulats (15) audit mélange (14) jusqu’à obtention d’une consistance souhaitée pour obtenir ledit béton ou ledit mortier (16) imprimable en 3D, ladite quantité de sable ou de granulats représentant jusqu’à six fois la quantité massique de ladite première préparation. Figure pour l’abrégé : Fig. 1 PROCEDE DE REALISATION D’UN MORTIER OU D’UN BETON IMPRIMABLE EN 3D A PARTIR DE DECHETS VALORISABLES L’invention se rapporte à l’utilisation de déchets valorisables dans la fabrication d’un mortier ou d’un béton imprimable en 3D. Il est constaté que les ressources se raréfient : l’invention cherche à proposer un matériau plus respectueux de l’environnement en réalisant un béton ou un mortier à partir de déchets ménagers pour économiser sur la matière première. L’impression 3D permettant de réduire considérablement le taux d’accidents au travail, l’invention s’inscrit également dans cette démarche en proposant un tel béton ou mortier, imprimable en 3D. On connait, du document CN 104260184 la réalisation d’un béton comprenant, dans sa composition, du ciment, des agrégats granulaires (sable ou autres), de l’eau, d’adjuvants et de verre collecté issu des déchets d’ordures ménagères. Le verre permet de remplacer des fibres de verre, ce qui permet d’économiser cette matière première. Un tel procédé ne permet toutefois pas de créer un béton qui soit imprimable en 3D. En effet, pour que le béton ou le mortier soit imprimable en 3D, il faut qu’il réponde à quatre conditions : Il doit être extrudable, c’est-à-dire qu’il doit constituer un mélange homogène comprenant des liants, des granulats, de l’eau, des adjuvants. Ce mélange homogène doit être pompé et extrudé par la tête d’impression de l’imprimante 3D, ce qui implique que le mélange homogène soit suffisamment fluide pour ne pas boucher la buse de délivrance de l’imprimante ou les moyens d’amenée du mélange jusqu’à la buse (tuyaux d’amenée etc.). Par ailleurs le mélange doit rester homogène, c’est-à-dire qu’il ne doit pas présenter de séparation de phases des éléments qui le composent. Si le mélange répond à ces conditions, alors il est extrudable. Il doit être constructible, c’est-à-dire qu’il doit garder la forme que lui confie la buse d’extrusion de l’imprimante lorsqu’il sort de la buse. De plus, le mélange doit supporter le poids de couches supplémentaires qui lui sont superposées lors de l’impression. Le mélange est ainsi « constructible » s’il garde sa forme propre en sortie de la buse et si sa résistance à la compression augmente suffisamment vite pour qu’il supporte les couches supplémentaires ajoutées au fur et à mesure de l’impression. Le mélange doit conserver ses propriétés à l’usage : le mélange doit posséder les mêmes propriétés qu’un béton ou mortier mis en place de façon traditionnelle, après durcissement, et assurer les fonctions qu’il doit remplir au sein de l’ouvrage (notamment en termes de résistance mécanique). Enfin, le mélange doit être durable, c’est-à-dire qu’il doit être capable d’assurer ses fonctions durant toute la durée de vie de l’ouvrage. On connait des bétons et / ou des mortiers imprimables en 3D, qui sont réalisés en partie avec des déchets industriels. Par exemple, le document CN 106186974 décrit un procédé de réalisation d‘un béton imprimable en 3D, réalisé notamment à partir de ciment portland et de cendres issues de l’incinération de produits industriels. L’inconvénient d’un tel procédé est sa complexité de mise en œuvre : les déchets industriels sont dangereux et doivent subir des traitements particuliers pour obtenir un produit acceptable dans la fabrication du béton imprimable. L’invention vise donc à réaliser un béton ou un mortier imprimable en 3D qui soit sans danger, soit lors de la mise en œuvre du procédé soit pour l’environnement un fois le béton imprimé lors de la réalisation d’ouvrages. L’invention concerne à cet effet un procédé pour réaliser un béton ou un mortier imprimable en 3D, ledit procédé comprenant les étapes suivantes : - réalisation d’une première préparation comprenant sensiblement entre 10% et 45% en poids, ou entre 10 et 45% en poids, d’un broyat d’un mâchefer d’incinération d’ordures ménagères et, respectivement, sensiblement entre 90% et 55% en poids, ou entre 90 et 55% en poids, d’un ciment portland, - réalisation d’une seconde préparation comprenant de l’eau, - mélange d’une première quantité de ladite première préparation et d’une seconde quantité de ladite seconde préparation pour obtenir un mélange, le rapport entre ladite seconde quantité de ladite seconde préparation et ladite première quantité de ladite première préparation étant compris entre 0,3 et 0,5, - ajout d’une quantité de sable ou de granulats audit mélange jusqu’à obtention d’une consistance souhaitée pour obtenir ledit béton ou ledit mortier imprimable en 3D, ladite quantité de sable ou de granulats représentant jusqu’à six fois la quantité massique de ladite première préparation. Suivant un mode de réalisation qui sera décrit par la suite, il est prévu que ladite première préparation puisse comporter 30% en poids ou sensiblement 30 % en poids du broyat de mâchefer d’incinération d’ordures ménagères et 70% en poids ou sensiblement 70 % en poids d’un ciment portland. L’invention peut également comporter les étapes suivantes, prises séparément ou en combinaison : - ledit broyat de mâchefer d’incinération d’ordures ménagères peut comprendre uniquement des cendres de fond résiduelles de mâchefer d’incinération d’ordures ménagères, - on peut réaliser un prétraitement des cendres de fond en appliquant un courant de Foucault pour débarrasser la cendre de fond des impuretés, - le broyat de mâchefer d’incinération d’ordures ménagères peut être obtenu par broyage des cendres de fond de mâchefer d’incinération d’ordures ménagères dans un broyeur à anneaux pendant un intervalle de temps compris entre 20 secondes et 1 minute, de préférence entre 20 secondes et 40 secondes, - le broyat de mâchefer d’incinération de déchets d’ordures ménagères est préparé à partir de cendres de fond d’un mâchefer d’incinération d’ordures ménagères présentant une granulométrie dont le diamètre est inférieur ou égal à 2 mm qui est broyé dans un broyeur à anneaux de préférence pendant sensiblement 30 secondes, - ladite seconde préparation peut comporter en outre un superplastifiant. - ledit superplastifiant peut être à base de phosphonate modifié et peut représenter entre 1 et 3% en poids ou sensiblement entre 1 et 3 % en poids de la masse de ladite seconde préparation, de préférence 2,4% en poids, - ledit procédé peut comporter en outre une étape visant à déterminer un posttraitement du broyat en fonction d’un taux d’aluminium présent dans le broyat de mâchefer d’incinération de déchets d’ordures ménagères, ladite étape comprenant les sous-étapes suivantes : - on détermine une information concernant le taux d’aluminium présent dans la broyat de mâchefer d’incinération de déchets d’ordures ménagères, - on identifie un posttraitement dudit broyat en comparant l’information concernant le taux d’aluminium déterminé à des informations concernant des taux d’aluminium répertoriés dans une base de données d’informations, ladite base de données associant à chaque information de taux d’aluminium répertorié à un posttraitement, chaque posttraitement répertorié étant associé à une application d’un béton. L’invention concerne également un mortier ou un béton imprimable en 3D obtenu par le procédé conforme à l’invention, tel que défini ci-avant. D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront à l’examen de la description détaillée d’un mode de mise en œuvre nullement limitatif, et des dessins annexés, sur lesquels : est une représentation schématique des étapes pour réaliser un mortier imprimable en 3D conforme à l’invention, est une représentation schématique représentant les sous étapes d’une étape du procédé permettant de déterminer, préalablement à la réalisation du mortier, une étape de posttraitement à appliquer pour obtenir le béton ou le mortier désiré (suivant l’application retenue) en fonction d’une caractéristique identifiée d’un broyat de mâchefer d’incinération de déchets d’ordures ménagères qui serait utilisé dans la mise en œuvre du procédé conforme à l’invention. La illustre schématiquement chacune des étapes de réalisation d’un mortier imprimable en 3D, conforme à l’invention. Il devra être compris que l’invention ne se limite pas à la réalisation de mortier et qu’elle s’étend à la réalisation de béton imprimable : la seule différence étant dans le type de granulats ajouté en fin de procédé, comme il sera vu par la suite. En , est représentée schématiquement une usine 1 d’incinération 1 de déchets ménagers. L’incinération d’ordures ou de déchets ménagers conduit à la production de deux sortes de cendres : les cendres de fonds (bottom ashes), qui sont celles utilisées dans le procédé conforme à l’invention, et les cendres dites « volantes » (flying ashes), qui sont totalement exclues du procédé conformes à l’invention. La réglementation classe les MIOM en trois catégories : maturables (2) valorisables (3), et stockables (4). Les mâchefers valorisables, utilisés ici selon la législation en vigueur, subissent plusieurs traitements en sortie de four. Ils sont tout d'abord refroidis, le plus souvent par lavage à l'eau. Ensuite, les grosses pièces imbrûlées sont éliminées par criblage. Un premier déferraillage, par tri magnétique, peut également intervenir selon la qualité du mâchefer Après ce premier traitement, les mâchefers sont entreposés dans l'attente d'une évacuation vers des installations de traitement, dites " installations de maturation et d'élaboration " (IME). Les lots de mâchefers d'UIOM sont stockés par lots, identifiés par usine de production. Deux opérations interviennent : la maturation et l'élaboration du mâchefer valorisable. Une maturation intervient qui permet de stabiliser les caractéristiques chimiques : oxydation naturelle du mâchefer, carbonation de la chaux, baisse du potentiel d'hydrogène réduisant ainsi le potentiel polluant du mâchefer. L'élaboration, ou la préparation proprement dite, qui a pour but de donner une homogénéité au mâchefer et de retirer, soit les éléments indésirables, soit au contraire les éléments valorisables. Comme on peut le constater en , les cendres de fond traitées utilisées dans le cadre du procédé de l’invention sont les cendres valorisables 3. Elles se présentent sous la forme de particules dont le diamètre est sensiblement inférieur ou égal à 2 mm. Ces cendres de fond sont une partie de ce que l’on appelle du MIOM ou « Mâchefer d’Incinération d’Ordures Ménagère » Conformément au procédé, ces cendres 3 (cendres de fond traitées et valorisables des MIOM) sont d’abord broyées, dans un broyeur à anneaux 5, pendant environ 30 secondes, pour obtenir une poudre de cendre dont la texture se rapproche le plus possible de celle de la poudre de ciment. Le broyeur à anneau 5 qui est utilisé est un broyeur à anneaux du commerce : usuellement, un broyeur à anneaux sert à réduire en poudre un produit sec ou humide. Il comporte une cuve fermée, dans laquelle sont placés des anneaux que l’on fait vibrer, les anneaux en vibration rentrant en contact les uns avec les autres de façon à réduire en poudre le produit se trouvant dans la cuve. La cuve peut également être entrainée en rotation. Les cendres de fond 3 qui sont utilisées présentent une granulométrie de diamètre sensiblement inférieur ou égal à 2 mm : des études ont montré que le temps de broyage le plus court, pour obtenir un produit de qualité à partir d’une telle granulométrie, doit être de sensiblement de 30 secondes. Si la granulométrie était différente (par exemple plus importante) ou la nature des cendres était différente, on pourrait augmenter le temps de broyage jusqu’à 1 minute. Il a été constaté, lors de test de différents mâchefers issus d’incinération d’ordures ménagères, que le broyage pouvait durer entre 20 secondes et 1 minute suivant la nature et la granulométrie du mâchefer, et qu’un broyage entre 20 secondes et 40 secondes était suffisant pour obtenir une texture de produit qui est adaptée pour la mise en œuvre du procédé conforme à l’invention. A l’issue du broyage, le produit obtenu est un broyat de mâchefer 6 (ou broyat de MIOM 6), dont les particules sont aussi fines, voire plus fines, que les particules d’un ciment. Le broyat de mâchefer 6 obtenu est alors analysé (référence 7) afin de déterminer à quel type de mortier il va être destiné : en effet, suivant la composition du MIOM (qui est très aléatoire, car les ordures ménagères ont des contenus variables), le broyat obtenu contient des particules de différentes natures, et notamment un taux d’aluminium qui varie. La présence d’aluminium dans le broyat de MIOM 6, et plus généralement dans le produit sec permettant de créer un béton ou un mortier, est à l’origine d’un gonflement dû à un nombre de cavités importantes. Ainsi, suivant la quantité d’aluminium présente dans le broyat de MIOM, le mortier ou le béton obtenu gonflera plus ou moins et sera destiné à telle ou telle application. Ainsi, en testant la quantité d’aluminium présente dans le broyat de MIOM 6 (test schématisé par la référence 7 en figures 1 et 2), on obtient une information I 1 relative au taux d’aluminium présent dans le broyat de MIOM 6 (voir ). Une table ou un tableau 8 a été créé par le demandeur et répertorie, pour chaque taux T d’aluminium I 0 , I 1 ou I n une composition de mortier spécifique M portant la référence M 0 , M ou M n (respectivement) et un posttraitement A à appliquer pour chaque composition de mortier M, respectivement un posttraitement A 0 , A 1 , A n . Dès lors, on adapte la formulation (c’est-à-dire le mortier ou le béton) pour ce que l’on veut en faire. La illustre schématiquement les étapes de réalisation du mortier conforme à l’invention, suivant le procédé conforme à l’invention. Le procédé comporte deux étapes préalables, visant chacune à réaliser deux préparations distinctes : une première préparation 10 comporte un mélange de broyat de MIOM 6 et de ciment 9, une seconde préparation 12 comporte une quantité d’eau 11, éventuellement additionnée d’un adjuvant 13. La première préparation comporte, conformément à un mode de réalisation préféré de l’invention, 30% en poids (ou sensiblement 30% en poids) du broyat de MIOM 6 et, par déduction, 70% en poids (ou sensiblement 70% en poids) de ciment 9. Le ciment 9 est un ciment portland. Il devra être compris que la première préparation pourrait comporter des proportions différentes de broyat de MIOM 6 et de ciment portland (ou non portland) sans toutefois sortir du cadre de l’invention : en effet, la quantité massique de broyat de MIOM 6 peut varier entre sensiblement 10 et 45 % dans la première préparation. La seconde préparation comporte 100 % d’eau suivant un premier mode de réalisation. Conformément à l’invention, les première et seconde préparations sont réalisées pour être mélangées ensemble, afin de former un mélange 14. Suivant un mode de réalisation conforme à l’invention, dans le cadre de cet exemple, les proportions de première et de seconde préparations sont respectueuses de l’invention : le rapport massique entre la quantité de la seconde préparation et la quantité de la première préparation est de 0,33. En effet, et pour mémoire, pour mettre en œuvre le procédé conforme à l’invention, le rapport entre la quantité massique de la seconde préparation et la quantité massique de la première préparation est compris entre 0,3 et 0,5. Ainsi, pour réaliser un mélange dont la masse fait 910 g, on a mélangé 225 g de la seconde préparation (d’eau 11) avec 685 g de la première préparation (mélange à 70 % de ciment et à 30 % de broyat de MIOM 6). Suivant une variante de réalisation, il est possible d’ajouter à l’eau 11 un adjuvant 13, comme montré en , pour réaliser la seconde préparation 12. Dans le cadre de cette variante de réalisation, l’adjuvant est un superplastifiant à l’eau pour obtenir la seconde préparation 12. Le superplastifiant choisi est commercialisé sous le nom Chryso® Fluid optima 100 et la quantité ajoutée à l’eau est comprise entre 1 et 3% en poids ou sensiblement entre 1 et 3% en poids, et de préférence 2,4%. Dans le cadre de ce second mode de réalisation, le rapport massique entre la seconde préparation 12 et la première préparation 10 est de 0,33. Le mélange 14 obtenu est à son tour mélangé avec soit du sable 15 (pour réaliser du mortier), soit du gravier ou des granulats de taille plus importante que celle du sable, pour obtenir le mortier 16 prêt à être imprimé en 3D. Dans le cadre de ce mode de réalisation, la quantité de sable ajouté au mélange pour réaliser le mortier 16 est de plus de deux fois la quantité massique de la première préparation 10. Conformément à l’invention, une quantité massique de sable ou de granulat ajoutée peut aller jusqu’à quatre fois la quantité massique de la première préparation 10. Pour la réalisation d’un béton, à la place du mortier, il suffit d’ajouter au mélange 14 une certaine quantité de granulats autre que du sable (par exemple des gravillons), jusqu’à obtention d’une consistance de béton permettant son impression 3D. La quantité en poids de granulats ajoutée peut aller jusqu’à quatre fois le poids de la première préparation. On comprend de la description qui précède comment l’invention permet de réaliser un mortier ou un béton conforme à l’invention, imprimable en 3D et comprenant dans sa composition des broyats de mâchefer (MIOM), permettant ainsi de recycler une partie des résidus de déchets ménagers en remplaçant une partie du ciment portland usuellement utilisé. Il devra être compris que l’invention n’est pas limitée aux quantités spécifiquement choisies et données à titre d’exemple dans les modes de réalisation présentés, et que les quantités pourraient être différentes à partir du moment où elles respectent les conditions spécifiques à l’invention. Procédé pour réaliser un béton ou un mortier (16) imprimable en 3D, ledit procédé comprenant les étapes suivantes : - réalisation d’une première préparation (10) comprenant entre 10% et 45% en poids d’un broyat (6) d’un mâchefer d’incinération d’ordures ménagères et, respectivement, entre 90% et 55% en poids d’un ciment portland (9), - réalisation d’une seconde préparation (12) comprenant de l’eau, - mélange d’une première quantité de ladite première préparation (10) et d’une seconde quantité de ladite seconde préparation (12) pour obtenir un mélange (14), le rapport entre ladite seconde quantité de ladite seconde préparation (12) et ladite première quantité de ladite première préparation (10) étant compris entre 0,3 et 0,5, - ajout d’une quantité de sable ou de granulats (15) audit mélange (14), ladite quantité de sable ou de granulats représentant jusqu’à six fois la quantité massique de ladite première préparation. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite première préparation (10) comporte 30% en poids dudit broyat (6) de mâchefer d’incinération d’ordures ménagères et 70% en poids d’un ciment portland (9). Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit broyat (6) de mâchefer d’incinération d’ordures ménagères comprend uniquement des cendres de fond (3) résiduelles de mâchefer d’incinération d’ordures ménagères. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l’on réalise un prétraitement des cendres de fond (3) en appliquant un courant de Foucault pour débarrasser la cendre de fond (3) des impuretés. Procédé selon l’une quelconque des revendications 3 ou 4, caractérisé en le broyat (6) de mâchefer d’incinération d’ordures ménagères est obtenu par broyage des cendres de fond (3) de mâchefer d’incinération d’ordures ménagères dans un broyeur à anneaux (5) pendant un intervalle de temps compris entre 20 secondes et 1 minute, de préférence entre 20 secondes et 40 secondes. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le broyat (6) de mâchefer d’incinération de déchets d’ordures ménagères est préparé à partir de cendres de fond (3) d’un mâchefer d’incinération d’ordures ménagères présentant une granulométrie dont le diamètre est inférieur ou égal à 2 mm qui est broyé dans un broyeur à anneaux (5) de préférence pendant 30 secondes. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite seconde préparation (12) comporte un superplastifiant (13). Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit superplastifiant (13) est à base de phosphonate modifié et représente entre 1 et 3% en poids de la masse de ladite seconde préparation (12), de préférence 2,4% en poids. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comporte une étape visant à déterminer un posttraitement du broyat (6) en fonction d’un taux d’aluminium présent dans le broyat (6) de mâchefer d’incinération de déchets d’ordures ménagères, ladite étape comprenant les sous-étapes suivantes : - on détermine une information (I) concernant le taux d’aluminium présent dans le broyat (6) de mâchefer d’incinération de déchets d’ordures ménagères, - on identifie un posttraitement dudit broyat (6) en comparant l’information (I) concernant le taux d’aluminium déterminé à des informations (I 0 -I n ) concernant des taux d’aluminium répertoriés dans une base de données (8) d’informations, ladite base de données (8) associant à chaque information (I 0 -I n ) de taux d’aluminium répertorié à un posttraitement, chaque posttraitement répertorié étant associé à une application d’un béton. Mortier ou béton (16) imprimable en 3D obtenu par ledit procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes.