Brevet FR3127215A1 — publié le 20230324

L’invention a pour objet une mousse minérale obtenue par hydratation et durcissement d’une composition hydraulique comprenant un ciment sursulfaté, la masse volumique de ladite mousse minérale étant inférieure à 480 kg/m 3 . Mousse minérale L’invention se rapporte au domaine de la construction. Elle concerne plus particulièrement la fabrication de matériaux thermiquement isolants. En plus de ses avantages en termes de confort et d’économie, l’isolation thermique des bâtiments, aussi bien en construction qu’en rénovation, constitue un enjeu primordial dans la lutte contre le réchauffement climatique. Il est donc essentiel que les éléments de construction possèdent la plus faible conductivité thermique possible. Pour répondre à cette problématique, un grand nombre de solutions techniques ont été proposées, qui mettent en œuvre des éléments isolants divers (laines minérales, mousses organiques etc…) associés à des éléments structurels (murs, toitures etc…). L’invention vise à proposer de nouveaux matériaux isolants et de nouvelles techniques de construction. Elle vise en particulier à proposer des matériaux non seulement performants mais aussi à plus faible empreinte carbone. A cet effet, l’invention a pour objet une mousse minérale obtenue par hydratation et durcissement d’une composition hydraulique comprenant un ciment sursulfaté, la masse volumique de ladite mousse minérale étant inférieure à 480 kg/m 3 . Un autre objet de l’invention est un procédé d’obtention d’une telle mousse minérale, comprenant le mélange d’une composition hydraulique comprenant un ciment sursulfaté avec de l’eau afin d’obtenir une pâte, puis le mélange de la pâte obtenue avec une mousse aqueuse ou avec une solution contenant un agent générateur de gaz. L’invention a aussi pour objet un élément de construction comprenant au moins une cavité remplie au moins partiellement par une mousse minérale selon l’invention. On entend par « mousse minérale » un matériau minéral alvéolaire ou cellulaire. Les alvéoles ou cellules sont de préférence remplies d’air. La taille des alvéoles ou cellules est de préférence d’au plus 400 µm, notamment au plus 250 µm. La proportion volumique d’air dans la mousse est de préférence comprise entre 40 et 95%, notamment entre 50 et 80% (en ne prenant pas en compte l’air compris dans les éventuels granulats légers poreux décrits dans la suite du texte). Un ciment sursulfaté est un liant hydraulique à base de laitier de haut-fourneau granulé broyé et d’une source de sulfate de calcium. De manière surprenante, l’utilisation d’un tel ciment s’est révélée particulièrement adaptée à la fabrication de mousses minérales. Sans vouloir être liés par une quelconque théorie scientifique, il semblerait que, grâce à une prise plus rapide que celle des ciments Portland, il soit possible d’obtenir une mousse plus stable et donc d’obtenir plus aisément des masses volumiques particulièrement faibles. Le ciment sursulfaté comprend (notamment consiste en) de préférence de 75 à 85% en poids, notamment de 80 à 85% en poids, de laitier de haut-fourneau granulé broyé, de 10 à 25% en poids, notamment de 10 à 20% en poids, d’une source de sulfate de calcium et de 0 à 5% en poids, notamment de 1 à 5% en poids, d’un activateur. Le ciment sursulfaté comprend de préférence au moins 80% en poids de laitier de haut-fourneau granulé broyé, au plus 20% en poids d’une source de sulfate de calcium et de 1 à 5% en poids d’activateur. Le laitier de haut-fourneau granulé broyé possède de préférence une finesse Blaine comprise entre 3000 et 15000 cm²/g. Les laitiers plus fins (donc de finesse Blaine plus élevée) permettent de réduire le temps de prise, mais leur empreinte carbone est plus élevée, du fait d’un temps de broyage plus élevé. La source de sulfate de calcium est de préférence choisie parmi le gypse, l’anhydrite, l’hémihydrate et les mélanges de deux ou plus de ces composés. L’activateur est de préférence choisi parmi le clinker Portland, la chaux et les mélanges de ces composés. Le ciment sursulfaté est normalement le seul liant hydraulique compris dans la composition hydraulique. Selon un mode de réalisation préféré, la composition hydraulique ne comprend pas de granulats. En d’autres termes, la composition hydraulique est constituée de ciment sursulfaté et d’éventuels additifs, qui seront décrits dans la suite du texte. Selon un autre mode de réalisation, la composition hydraulique comprend en outre des granulats légers, c’est-à-dire ayant une masse volumique apparente inférieure à 400 kg/m 3 , notamment inférieure à 300 kg/m 3 , voire inférieure à 200 kg/m 3 . La teneur en granulats légers est notamment comprise entre 1 et 50% en poids, notamment de 2 à 30% en poids, voire de 5 à 25% en poids. La composition hydraulique est de préférence exemple de granulats lourds, c’est-à-dire de granulats ayant une masse volumique apparente de 200 kg/m 3 et plus. Les granulats légers sont de préférence choisis parmi la perlite, la vermiculite, les billes de verre expansé, les billes de polystyrène expansé, les cénosphères, les silicates expansés, les aérogels et les mélanges de deux ou plus de ces composés. Pour assurer une bonne stabilité de la mousse, la taille maximale des granulats est avantageusement d’au plus 1 mm, voire d’au plus 0,1 mm. La taille maximale peut être vérifiée par exemple par tamisage. La composition hydraulique peut en outre comprendre au moins un additif, notamment choisi parmi les plastifiants, les superplastifiants, les épaississants, les accélérateurs, les retardateurs, les agents moussants et les polymères redispersables. La teneur en superplastifiants est de préférence d’au plus 1% en poids, par exemple comprise entre 0,01 et 0,5% en poids, par rapport à la quantité de ciment sursulfaté. Les accélérateurs et retardateurs permettent d’ajuster le temps nécessaire à la prise et au durcissement du liant hydraulique. L’éventuel retardateur est par exemple choisi parmi les acides carboxyliques, notamment l’acide tartrique ou l’acide citrique. Les accélérateurs sont notamment de chlorures de calcium, des nano-cristaux de silicate de calcium hydraté, ou encore du gypse finement broyé. La teneur en accélérateurs est de préférence d’au plus 5% en poids, par exemple comprise entre 0,1 et 3% en poids, par rapport à la quantité de ciment sursulfaté. La teneur en retardateurs est de préférence d’au plus 5% en poids, par exemple comprise entre 0,1 et 3% en poids, par rapport à la quantité de ciment sursulfaté. Les polymères redispersables sont par exemple des (co)polymères vinyliques et/ou acryliques, par exemple des copolymères styrène-acrylique. Les polymères redispersables permettent d’améliorer la cohésion de la matrice minérale et donc la résistance à l’abrasion et à la traction, ainsi que de conférer des caractéristiques hydrophobes. La teneur en polymères redispersables est de préférence d’au plus 50% en poids, par exemple comprise entre 2 et 10% en poids, par rapport à la quantité de ciment sursulfaté. La masse volumique de la mousse minérale est de préférence inférieure ou égale à 400 kg/m 3 , notamment inférieure ou égale à 350 kg/m 3 , voire inférieure ou égale à 300 kg/m 3 , et même inférieure ou égale à 250 kg/m 3 ou encore inférieure ou égale à 200 kg/m 3 . Il s’agit ici de la masse volumique après durcissement complet, généralement après 28 jours. La masse volumique de la mousse est généralement supérieure ou égale à 50 kg/m 3 , voire supérieure ou égale à 100 kg/m 3 . Le procédé selon l’invention comprend le mélange d’une composition hydraulique comprenant un ciment sursulfaté avec de l’eau (dite « eau de gâchage ») afin d’obtenir une pâte, puis le mélange de la pâte obtenue avec une mousse aqueuse ou avec une solution contenant un agent générateur de gaz. Le rapport massique entre la quantité d’eau de gâchage et la quantité de ciment sursulfaté est de préférence comprise entre 0,3 et 0,6. Selon un premier mode de réalisation, l’obtention de la mousse minérale comprend une étape d’obtention d’une mousse aqueuse puis une étape de mélange de ladite mousse aqueuse avec la pâte. Dans ce cas la mousse minérale est obtenue par le mélange de la pâte malaxée et de la mousse aqueuse. La mousse aqueuse est par exemple obtenue en mélangeant de l’eau et un agent moussant (ou un agent stabilisateur de mousse) puis en introduisant un gaz, notamment de l’air, par agitation, bullage ou encore injection sous pression. Le diamètre médian des bulles de la mousse aqueuse est de préférence d’au plus 400 µm, notamment d’au plus 250 µm. L’agent moussant est par exemple un tensioactif. La mousse aqueuse comprend donc de préférence des tensioactifs. Selon un exemple préféré, les tensioactifs sont des tensioactifs anioniques, notamment choisis parmi les alkylsulfates, les alkylsulfonates, les alkylethersulfates et les alkylarylsulfates. Ces tensioactifs se sont révélés particulièrement efficaces car ils n’influent pas négativement sur le temps de prise. Le tensioactif est par exemple un alkylethersulfate de sodium. D’autres exemples de tensioactifs sont les tensioactifs issus de protéines ou d’acides aminés ou les tensioactifs cationiques (comme le CTAB, bromure de cétyltriméthylammonium). Ces tensioactifs sont toutefois moins préférés car ils retardent fortement la prise du ciment. Le mélange de la pâte et de la mousse aqueuse est de préférence réalisé dans un mélangeur statique, notamment de type hélicoïdal. Le rapport entre le volume de mousse aqueuse ajoutée et le volume de pâte est de préférence compris entre 5 et 20, notamment entre 6 et 15. Par exemple, pour une masse volumique après durcissement de 100 kg/m 3 , le rapport entre le volume de mousse aqueuse ajoutée et le volume de pâte minérale est typiquement de l’ordre de 10. Selon un deuxième mode de réalisation, l’obtention de la mousse minérale comprend le mélange de la pâte avec une solution contenant un agent générateur de gaz. Un tel agent générateur de gaz est par exemple une poudre métallique (par exemple d’aluminium, zinc, silicium…) capable de réagir avec l’eau et les hydroxydes. De manière préférée, l’agent générateur de gaz est un peroxyde, par exemple le peroxyde d’hydrogène. Le peroxyde est de préférence mis en contact avec un catalyseur afin de générer de l’oxygène gazeux. Le catalyseur est notamment un sel de métal de transition, en particulier de manganèse (permanganates, manganates…), ou encore de fer, de cobalt, de cuivre, de molybdène, de tungstène ou de chrome. Le catalyseur ou un précurseur de ce catalyseur peut être présent dans la composition hydraulique, ou être ajouté en solution, avec l’eau de gâchage ou encore avec la solution de peroxyde. Le mélange de la pâte et de la solution contenant un agent générateur de gaz est de préférence réalisé dans un mélangeur statique, notamment de type hélicoïdal. L’élément de construction selon l’invention comprend au moins une cavité remplie au moins partiellement (et de préférence totalement) par la mousse minérale. Un tel élément est par exemple un mur ou un élément de mur, ou encore un plancher ou élément de plancher. Les éléments de construction peuvent être des éléments préfabriqués, destinés à être assemblés sur le chantier de construction, par exemple au moyen d’un mortier, afin de former les murs extérieurs ou intérieurs (par exemple les murs de refend) d’un bâtiment. La fabrication de l’élément de construction comprend une étape de remplissage au moins partiel d’au moins une cavité par la mousse selon l’invention. Cette étape sera normalement réalisée avant prise, de manière à pouvoir couler ou encore projeter la mousse encore à l’état fluide (pâteux ou liquide) à l’intérieur de la cavité. L’étape de remplissage peut être continue ou discontinue. Dans le cas d’un procédé continu, la composition hydraulique mélangée à l’eau de gâchage est malaxée et pompée, puis la mousse aqueuse ou la solution contenant un agent générateur de gaz est ajoutée, notamment dans un mélangeur statique, et le mélange obtenu est pompé et acheminé vers un dispositif de coulage ou de projection déplacé manuellement ou automatiquement. Le remplissage de la ou de chaque cavité par la mousse minérale selon l’invention permet d’atteindre d’excellentes propriétés d’isolation thermique. De par la présence d’une importante quantité de gaz, en particulier d’air, emprisonnée dans une matrice minérale (ciment ou mortier), la mousse présente une faible conductivité thermique, notamment en réduisant les transferts thermiques par convection et par conduction. La conductivité thermique de la mousse minérale (après durcissement) est de préférence d’au plus 0,10 W/m.K, notamment d’au plus 0,08 W/m.K, par exemple comprise entre 0,030 et 0,060 mW/m.K. La ou chaque cavité est avantageusement délimitée par des parois en mortier ou béton obtenues par fabrication additive. Dans ce cas l’étape de remplissage des cavités par la mousse peut être intégrée à la fabrication des parois, par exemple réalisée au moyen du même robot. Les exemples qui suivent illustrent l’invention de manière non-limitative. Une composition hydraulique a été obtenue en mélangeant 80% de laitier de haut-fourneau granulé broyé (Ecocem, finesse Blaine de 12000 cm²/g), 15% d’hémihydrate de sulfate de calcium (Molda 3, Saint-Gobain Formula) et 5% de ciment Portland 52.5R (Lafarge, finesse Blaine de 4500 cm²/g). Cette composition a ensuite été gâchée avec de l’eau avec un taux de gâchage de 35% (c’est-à-dire avec un rapport massique eau/composition de 0,35) et malaxée pendant 2 minutes. La pâte obtenue a ensuite été mélangée (pendant 1 minute) avec une mousse aqueuse comprenant 3% de tensioactifs anioniques (alkylétherssulfates ; Steol® DES 32). La mousse aqueuse a été obtenue dans un mélangeur à rotor-stator, la densité de la mousse étant réglée par la quantité d’air introduite dans le mélangeur. Le rapport entre la masse de mousse aqueuse ajoutée et la masse de la pâte (composition hydraulique après gâchage) était de 0,26. Le temps de prise était de 10 minutes, soit le même temps qu’en absence de tensioactifs. A titre de comparaison, les temps de prise avec des tensioactifs à base de protéine (Propump 26) étaient beaucoup plus longs. Le tableau 1 ci-après indique pour chacun des exemples 1 à 3 selon l’invention la densité de la mousse aqueuse (en g/L), la conductivité thermique de la mousse obtenue (en mW/m.K) et la masse volumique de la mousse obtenue (en kg/m 3 ), après durcissement de 28 jours sous une humidité relative de 50%. 1 2 3 Densité mousse aqueuse 50 75 100 Conductivité thermique 48 67 94 Masse volumique 125 180 250 Mousse minérale obtenue par hydratation et durcissement d’une composition hydraulique comprenant un ciment sursulfaté, la masse volumique de ladite mousse minérale étant inférieure à 480 kg/m 3 . Mousse minérale selon la revendication 1, telle que la composition hydraulique ne comprend pas de granulats. Mousse minérale selon la revendication 1, telle que la composition hydraulique comprend en outre des granulats légers, notamment choisis parmi la perlite, la vermiculite, les billes de verre expansé, les billes de polystyrène expansé, les cénosphères, les silicates expansés, les aérogels et les mélanges de deux ou plus de ces composés. Mousse minérale selon la revendication précédente, telle que la taille maximale des granulats est d’au plus 1 mm, notamment d’au plus 0,1 mm. Mousse minérale selon l’une des revendications précédentes, telle que le ciment sursulfaté comprend de 75 à 85% en poids de laitier de haut-fourneau granulé broyé, de 10 à 25% en poids d’une source de sulfate de calcium et de 0 à 5% en poids d’un activateur. Mousse minérale selon l’une des revendications précédentes, dont la masse volumique est inférieure ou égale à 400 kg/m 3 , notamment est inférieure ou égale à 300 kg/m 3 . Mousse minérale selon la revendication précédente, donc la masse volumique est inférieure ou égale à 200 kg/m 3 . Procédé d’obtention d’une mousse minérale selon l’une des revendications précédentes, comprenant le mélange d’une composition hydraulique comprenant un ciment sursulfaté avec de l’eau afin d’obtenir une pâte, puis le mélange de la pâte obtenue avec une mousse aqueuse ou avec une solution contenant un agent générateur de gaz. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel la mousse aqueuse comprend des tensioactifs, notamment des tensioactifs anioniques. Elément de construction comprenant au moins une cavité remplie au moins partiellement par une mousse minérale selon l’une des revendications 1 à 7.