Brevet FR3125526A1 — publié le 20230127

La présente invention porte sur une composition pour l’impression 3D de matériaux de construction comprenant : - une matrice colloïdale minérale composée d’eau et d’inclusions granulaires, l’eau représentant 30 à 50 % de la masse des inclusions granulaires, et - de 1 à 30 %, de préférence de 3 à 20%, et plus préférentiellement encore de 5 à 10 % en masse par rapport à la masse des inclusions granulaires de cire d’origine naturelle, elle porte également sur un procédé d’impression 3D mettant en œuvre cette composition et sur des matériaux de construction rigidifiés obtenus par ce procédé. Matériau à base de colloïdes naturels et de cire d’origine naturelle à changement de phase liquide-solide La présente invention concerne une composition pour l’impression 3D de matériaux de construction, son procédé d’impression ainsi que le matériau de construction imprimé, et notamment à une composition à base d’une matrice colloïdale minérale composée d’eau et d’inclusions granulaires pour l’impression 3D de matériaux de construction et son procédé d’impression. Un matériau de construction est un matériau utilisé à des fins de construction, par exemple pour la construction de bâtiments. Le bois, le ciment, les métaux, les briques, le béton, l'argile sont les types de matériaux de construction les plus couramment utilisés actuellement. Le choix de ces matériaux est généralement basé sur leur rentabilité pour les projets de construction. De nombreuses substances d'origine naturelle, telles que l'argile, le sable, le bois et les roches, et même les fibres végétales et granulats végétaux ont été utilisées pour construire des bâtiments. Outre les matériaux naturels, de nombreux produits, plus ou moins synthétiques, fabriqués par l'homme, sont utilisés. Les matériaux de construction peuvent généralement être classés en deux catégories : les matériaux naturels et les matériaux dérivés de l'industrie pétrochimique, pouvant être désignés comme matériaux synthétiques. Les matériaux naturels sont ceux qui ne sont pas ou peu transformés par l'industrie, comme le bois, le liège, la pierre. Les matériaux naturels sont plus respectueux de l’environnement et de la santé des êtres vivants car ils ne répandent pas de substances dangereuses dans l'environnement de construction. Peu de matériaux disponibles sur le marché international sont 100% naturels. Les matériaux synthétiques sont fabriqués dans des installations industrielles après de nombreuses manipulations humaines, comme les plastiques et les peintures à base de pétrole. Le plus souvent, ces matériaux sont dérivés de ressources vierges qui ne sont pas renouvelables. Aujourd'hui, l'état de l'art comprend toutes sortes de matériaux de construction, mais les plus courants sont la brique, le béton, le métal, le verre et l’argile. Une brique est un bloc fait d'un matériau cuit au four, généralement de l'argile ou du schiste. Les briques d'argile sont formées dans un moule ou plus fréquemment par extrusion à travers une filière et en les découpant ensuite au fil de fer à la taille appropriée dans la fabrication commerciale. Le béton est un matériau de construction composite fabriqué à partir de la combinaison de granulats et d'un liant hydraulique tel que le ciment. La forme la plus courante de béton est le béton de ciment Portland, qui se compose de granulats de minerais, généralement du gravier et du sable, de ciment Portland et d'eau. Le béton n’est pas un matériau renouvelable et son impact environnemental est très important. Ces dernières années, dans le monde entier, de plus en plus d'immeubles de grande hauteur sont construits en bois en raison des qualités techniques de ce matériau et des possibilités techniques modernes de façonnage, de son faible coût, de sa facilité d'entretien, de sa faible énergie intrinsèque, de son caractère renouvelable. De plus, le bois n'est pas un déchet dangereux. La construction moderne est une industrie de plusieurs milliards de dollars, et la production de matières premières pour des fins de construction se fait à l'échelle mondiale. C'est souvent un point clé gouvernemental et commercial entre les nations. Les préoccupations environnementales deviennent également un sujet mondial majeur concernant la disponibilité et la durabilité de certains matériaux et l'extraction de si grandes quantités nécessaires à l'habitat humain. Le secteur de la construction est le troisième secteur le plus polluant au monde, Il est responsable de 40 % de la consommation d'énergie, produit 36 % du CO 2 rejeté dans l'air, utilise 50 % des matières premières et 21% de l'eau potable mondiale. Aujourd'hui, pour la construction ou la rénovation de leur maison beaucoup privilégient l’utilisation de matériaux de construction écologiques. Un matériau de construction respectueux de l'environnement est un matériau qui diminue le besoin en énergie et réduit l'impact sur le bien-être humain et l'environnement. Il existe de nombreux matériaux différents qui peuvent être utilisés dans l'industrie de la construction qui sont écologiques ; des fondations à l'isolation, en passant par les revêtements muraux intérieurs et extérieurs, les revêtements de sol et les plans de travail. Un matériau de construction écologique est un produit qui a été conçu pour nuire le moins possible à l'environnement. Un matériau en soi peut être écologique, par exemple le bois. Ou même des matériaux conventionnels peuvent devenir écologiques en fonction de la technique de construction utilisée. Les différentes caractéristiques que présentent des matériaux et techniques écologiques sont les suivantes : renouvellement, réutilisation des déchets, disponibilité locale, réduction de la pollution (air, terre, eau), biodégradabilité, durabilité et efficacité énergétique. Il est difficile d'obtenir un matériau qui possède toutes ces propriétés. Les matériaux de construction à base de colloïdes naturels sont des géomatériaux de construction écologiques. Ce sont des matières premières disponibles en grande quantités, comme l’argile, limons fins, les boues, les alluvions sédimentaires. Ces colloïdes naturels, comme l’argile, nécessitent la présence d’eau pour être mis en forme. Ils sont considérés comme collants et visqueux après l’addition d’eau et sont donc difficilement manipulables et malléables. Les argiles présentent toutefois un défaut majeur lié au séchage, le volume d’eau au sein du matériau qui diminue laisse des espaces vides, entrainant alors un retrait volumique conséquent du matériau induisant une fragilité du matériau lorsqu’il est utilisé comme matériau de construction. De plus, ces matériaux présentent l’inconvénient de mettre plusieurs jours à sécher à température ambiante, rendant donc leur utilisation comme matériaux de construction désavantageuse par rapport au ciment ou au béton ayant une rigidification rapide et permettant une cadence de construction élevée. Ces géomatériaux présentent en outre une grande sensibilité à l’eau induisant alors une perte non négligeable de résistance mécanique : cette maitrise de la sensibilité à l’eau est un aspect clé pour envisager leur utilisation en tant que matériaux de construction à large échelle. Il est ainsi recherché de nouvelles techniques permettant de contrecarrer les défauts inhérents à l’utilisation de matériaux à base de colloïdes naturels, notamment le séchage long et l’altération des propriétés au contact de l’eau. Une telle modernisation permettra ainsi l’utilisation des matériaux à base de colloïdes naturels de différentes manières, que ce soit comme brique, comme éléments préfabriqués ou comme matériaux de construction. Il existe aussi un besoin de moderniser les techniques de construction, afin d’adapter les méthodes de construction à ces nouveaux matériaux par exemple via l’utilisation de l’impression 3D, aussi appelée fabrication additive par extrusion, ou encore par moulage dynamique via un dispositif d’extrusion chauffant adapté. La demande de brevet WO2019/155143A1 décrit par exemple un procédé de réalisation de matériau de construction utilisable dans le cadre d’une construction par impression 3D. Plus précisément, le document divulgue un procédé comprenant le mélange d’un produit argileux avec l’eau. Le mélange est ensuite chauffé et mélangé avec un acide organique, l’acide phytique, afin de complexer les ions métalliques présents à l’intérieur de l’argile. Le mélange est ensuite neutralisé en apportant une base, de la soude, pour condenser les complexes à base d’ions métalliques. De la cire est ajoutée au mélange en tant que produit thermo-réactif et le mélange est chauffé de telle manière à ce que le produit thermo-réactif soit liquide. Le mélange est ensuite imprimé par extrusion et le durcissement du produit thermo-réactif permet le maintien des caractéristiques géométriques du matériau imprimé. La demande de brevet EP3778238A1 décrit un système et un procédé de préparation d’éléments de construction écologiques. Plus précisément, le document divulgue un système composé d’argile, d’eau, de ciment, de charge à base de déchets de l’industrie de production de riz et d’additifs. Le système permet la production d’éléments de construction par un procédé comprenant la réalisation du système à base de déchets de l’industrie de production du riz. Ce mélange est ensuite extrudé au travers d’une buse dans un système de coordonnées 3D prédéfini. Ce procédé permet l’impression de murs couche par couche, chaque couche étant déposée après le séchage de la précédente. Les additifs présents dans le système permettent d’apporter des propriétés supplémentaires à l’élément de construction imprimé. Ainsi l’ajout de cire dans le système permet de conférer à l’élément de construction des propriétés d’imperméabilité et d’insensibilité à l’eau. Il existe donc toujours un besoin pour une composition à base de produits d’origine totalement naturelle permettant l’impression 3D de matériaux écologiques simple à produire et à manipuler qui présentent d’excellentes propriétés mécaniques, qui soient insensibles à l’eau et perspirants, afin que le matériau imprimé soit utilisable comme matériau de construction tout en ayant un bilan environnemental positif. Résumé La présente invention propose donc, selon un premier aspect, une composition pour l’impression 3D de matériaux de construction comprenant : - une matrice colloïdale minérale composée d’eau et d’inclusions granulaires, et - de 1 à 30 %, de préférence de 3 à 20%, et plus préférentiellement encore de 5 à 10 % de cire d’origine naturelle en masse par rapport à la masse des inclusions granulaires. Selon un autre aspect, il est proposé un procédé d’impression 3D de matériaux de construction comprenant les étapes suivantes : - l’incorporation de la composition selon le premier aspect de la présente invention dans un dispositif d’impression 3D, - le chauffage du mélange à une température inférieure à 100°C et supérieure ou égale à la température de fusion de la cire d’origine naturelle, et - l’impression du matériau dans un système de coordonnées 3D prédéfini. Selon un autre aspect, il est proposé un matériau de construction rigidifié à base d’une matrice colloïdale d’eau et d’inclusions granulaires comprenant de 1 à 30 %, de préférence de 3 à 20%, et plus préférentiellement encore de 5 à 10 % en masse par rapport à la masse des inclusions granulaires de cire d’origine naturelle. Selon un autre aspect, il est proposé un élément de construction imprimé selon le procédé du deuxième aspect de la présente invention. D’autres caractéristiques, détails et avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, et à l’analyse des dessins annexés, sur lesquels : montre un matériau imprimé selon un mode de réalisation montre l’évolution du seuil de cisaillement en fonction de la température de matériaux imprimés selon un mode de réalisation. montre l’évolution de la détérioration des propriétés mécaniques due à la présence d’eau, de matériaux imprimés selon un mode de réalisation en fonction de la quantité de cire d’origine naturelle. Composition pour l’impression 3D de matériaux de construction comprenant : - une matrice colloïdale minérale composée d’eau et d’inclusions granulaires, l’eau représentant 30 à 50 % de la masse des inclusions granulaires, et - de 1 à 30 %, de préférence de 3 à 20%, et plus préférentiellement encore de 5 à 10 % en masse par rapport à la masse des inclusions granulaires de cire d’origine naturelle. Composition pour l’impression 3D de matériaux de construction selon la revendication 1, ne comprenant pas d’agent de durcissement autre que la cire. Composition pour l’impression 3D de matériaux de construction selon l’une quelconque des revendications précédentes, ne comprenant pas de matériaux à base de riz. Composition pour l’impression 3D de matériaux de construction selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les inclusions granulaires sont choisies parmi l’argile, le calcaire, le limon, les alluvions sédimentaires, la boue de sédimentation et leur mélange. Composition pour l’impression 3D de matériaux de construction selon la revendication 4 dans laquelle l’argile est le kaolin. Composition pour l’impression 3D de matériaux de construction selon l’une quelconque des revendications précédentes dans laquelle la cire d’origine naturelle est choisie parmi la cire de soja, la cire de colza, la cire de chanvre, la cire de tournesol, la cire de palme, la cire de carnuba, la cire de coco, la cire de candelia, la cire d’abeille et leur mélange. Composition pour l’impression 3D de matériaux de construction selon l’une quelconque des revendications précédentes comprenant en outre une charge d’origine minérale ou végétale, ladite charge étant choisie parmi le sable, le gravier, les copeaux de bois, les fibres de lin ou la chènevotte et leur mélange. Procédé d’impression 3D de matériaux de construction comprenant les étapes suivantes : - l’incorporation d’une composition selon l’une quelconque des revendications 1 à 7 dans un dispositif d’impression 3D, - le chauffage du mélange à une température inférieure à 100°C et supérieure ou égale à la température de fusion de la cire, et - l’impression du matériau dans un système de coordonnées 3D prédéfini. Procédé d’impression 3D de matériaux de construction selon la revendication 8 dans lequel l’étape d’impression comprend le refroidissement de la composition chauffée par un dispositif de refroidissement à base d’azote liquide en sortie du dispositif d’impression 3D, d’un système de refroidissement actif par air tel qu’un ventilateur ou un système de refroidissement par échange thermique forcé. Procédé d’impression 3D de matériaux de construction selon la revendication 8 ou 9, dans lequel le dispositif d’impression 3D est un dispositif d’extrusion. Matériau de construction rigidifié à base d’une matrice colloïdale minérale composée d’eau et d’inclusions granulaires comprenant : - de 1 à 30 %, de préférence de 3 à 20%, et plus préférentiellement encore de 5 à 10 % en masse par rapport à la masse des inclusions granulaires de cire d’origine naturelle. Matériau de construction rigidifié à base d’une matrice colloïdale minérale composée d’eau et d’inclusions granulaires selon la revendication 11 caractérisé en ce que le matériau présente au moins l’une des propriétés suivantes : une résistance à la compression supérieure à 4MPa, une insensibilité à l’eau ou une propriété de perspirance. Elément de construction imprimé selon le procédé de l’une quelconque des revendications 8 à 10