Brevet FR3151326A1 — publié le 20250124

L’invention a pour objet une composition de mortier sec comprenant de la terre crue et un liant, ledit liant comprenant un polysaccharide et un agent de défloculation. Mortier pour fabrication additive comprenant de la terre crue, un polysaccharide et un agent de défloculation L’invention se rapporte au domaine de la construction. Elle concerne plus particulièrement la fabrication d’éléments de construction par une technique de fabrication additive. Les techniques de fabrication additive connaissent aujourd’hui des développements prometteurs dans un grand nombre de domaines techniques. Également appelée « impression 3D », la fabrication additive est une méthode dans laquelle un robot contrôlé par ordinateur fabrique des objets tridimensionnels en déposant de manière continue un matériau couche après couche. Ces techniques permettent en particulier de fabriquer des objets présentant des formes complexes. La fabrication additive a par exemple été employée pour fabriquer des éléments structurels tels que des murs en béton. La fabrication additive d’éléments de construction, par exemple en béton ou mortier, permet d’intégrer les processus de conception, de planification et de construction et d’automatiser et rationaliser ce dernier. D’autres avantages de cette technologie sont notamment une réduction du coût de main d’œuvre, une réduction des pertes et de la consommation en matériau, la suppression des coffrages et la réduction de la durée des projets et des investissements. Selon un procédé connu, un mortier humide, obtenu en mélangeant un mortier sec et de l’eau de gâchage, est pompé et convoyé vers une tête d’impression solidaire d’un robot ou d’un portique dont le mouvement est contrôlé par ordinateur. Une couche de mortier humide est déposée sur une couche de mortier précédemment déposée, généralement en étant extrudée au travers d’une buse. La tête d’impression est continument déplacée selon un schéma prédéterminé afin de fabriquer l’objet final. Pour que l’élément de construction final ait une bonne résistance mécanique, il est important d’assurer une bonne adhésion entre les couches de mortier successives. Il est toutefois important que les couches de mortier conservent leur forme et puissent supporter les couches sus-jacentes. Il est également essentiel d’assurer à tout moment un bon fonctionnement du procédé et notamment de garantir que le mortier humide reste suffisamment fluide pendant son transport vers la buse d’impression, pour permettre de le pomper dans de bonnes conditions et éviter tout blocage. Ces différentes exigences sont à certains égards contradictoires, de sorte qu’il est difficile de trouver des compositions qui les satisfassent. L’invention a pour but de proposer des compositions de mortier à base de terre crue qui, en répondant à l’ensemble des exigences susmentionnées, sont particulièrement bien adaptées au procédé de fabrication additive précédemment décrit. A cet effet l’invention a pour objet une composition de mortier sec comprenant de la terre crue et un liant, ledit liant comprenant un polysaccharide et un agent de défloculation. Un autre objet de l’invention est un procédé de fabrication additive d’éléments de construction comprenant le mélange d’une telle composition de mortier sec avec de l’eau pour obtenir un mortier humide, le pompage et le transport dudit mortier humide vers une tête d’impression comprenant une buse, et le dépôt successif de couches de mortier humide superposées par extrusion au travers de ladite buse. L’invention a encore pour objet un élément de construction obtenu (ou simplement susceptible d’être obtenu) par la mise en œuvre d’un tel procédé. Dans le présent texte, on entend par mortier sec un mélange pulvérulent et par mortier humide la pâte obtenue par gâchage de ce mortier sec avec un liquide de gâchage, généralement de l’eau ou une composition aqueuse. Les inventeurs ont pu mettre en évidence que l’utilisation en combinaison d’un polysaccharide avec un agent de défloculation permettait d’obtenir un mortier humide dont l’évolution de la rhéologie avec le temps est optimale, permettant à la fois un pompage aisé du mortier humide et une bonne stabilité de la structure. En particulier, les compositions selon l’invention permettent d’atteindre des vitesses d’augmentation du seuil de cisaillement particulièrement bien adaptées au procédé de fabrication additive. Le seuil de cisaillement correspond à la contrainte de cisaillement nécessaire pour initier l’écoulement du matériau. La vitesse (V) d’augmentation de ce seuil de cisaillement permet en particulier de quantifier la vitesse à laquelle le matériau se rigidifie. Une vitesse trop faible conduit à des structures qui ne sont pas stables car les couches ne sont pas aptes à supporter le poids des couches sus-jacentes. Inversement, une vitesse trop élevée entraîne une mauvaise adhésion entre les différentes couches et peut conduire à rendre difficile le transport du mortier humide, voire à des blocages. Les compositions selon l’invention permettent également d’obtenir des seuils de cisaillement initiaux (quelques minutes après le gâchage) adaptées au pompage du mortier humide. Le polysaccharide est de préférence un polysaccharide gélifiant à température ambiante. Il est donc de préférence un alginate, notamment l’alginate de sodium. L’agent de défloculation est de préférence un phosphate, particulièrement un polyphosphate, notamment l’hexamétaphosphate de sodium. D’autres (poly)phosphates sont par exemple le tripolyphosphate de sodium et l’orthophosphate de sodium. Alternativement, l’agent de défloculation peut être un surfactant non-ionique, comme un éther de polyoxyéthylène, ou un composé anionique, par exemple choisi parmi les carbonates, les sulfonates, les lignosulfonates et les polyacrylates. L’agent de défloculation peut également être une amine. De préférence, le liant comprend en outre un sel de calcium soluble dans l’eau, par exemple du chlorure de calcium ou du bicarbonate de calcium. Ce mode de réalisation est particulièrement préféré en combinaison avec un agent de défloculation qui est un polyphosphate. Il a en effet été observé que la réaction entre les polyphosphates et le calcium permettait de réguler le début de la gélification. Le rapport massique entre le sel de calcium et le polysaccharide (en particulier l’alginate) est de préférence compris entre 1/100 et 1/20. La quantité de liant est de préférence comprise entre 0,5% et 5%, notamment entre 0,8 et 4%, par rapport au poids de composition de mortier sec. La quantité d’agent de défloculation est de préférence comprise entre 0,05 et 1,0%, notamment entre 0,1 et 0,6%, par rapport au poids de composition de mortier sec. La quantité de polysaccharide est de préférence comprise entre 0,4 et 4,9%, notamment entre 0,7 et 3,9%, par rapport au poids de composition de mortier sec. De préférence, le liant consiste en un polysaccharide (notamment un alginate), un agent de défloculation (notamment un polyphosphate) et un sel de calcium soluble dans l’eau. L’utilisation de terre crue permet à la fois de réduire les émissions de gaz à effet de serre et la déplétion de ressources abiotiques. La terre crue est de préférence issue de l’excavation de sols situés sur le chantier ou à proximité du chantier, de sorte qu’elle ne nécessite pas ou peu de transport. On peut notamment utiliser, pour réaliser les murs d’un bâtiment, la terre excavée en vue de la réalisation des fondations dudit bâtiment. Alternativement, la terre crue peut provenir de chantiers voisins, par exemple de chantiers de travaux publics (réalisation de tunnels pour moyens de transport souterrains etc…). Le procédé permet donc de recycler ces terres excavées (réduisant ainsi les déchets générés par le chantier) et de réduire le besoin en béton ou en matériaux préfabriqués ainsi que leur transport. La terre crue contient typiquement des sables, des argiles et du limon, en des teneurs variables selon le lieu où elle est excavée. La terre crue peut en outre avoir subi des opérations de préparation à la mise en œuvre du procédé, notamment mais pas uniquement une opération de criblage. Lorsque des opérations de préparation sont réalisées, elles le sont de préférence sur le lieu d’excavation, ce dernier étant de préférence le lieu de construction. La teneur en terre crue est de préférence comprise entre 15 et 90%, notamment entre 20 et 50% par rapport au poids de composition de mortier sec. La composition de mortier sec peut en outre comprendre des granulats, tels que des sables, des argiles, des fillers, des granulats légers et/ou des fibres. L’ajout de sables et/ou d’argiles permet notamment d’ajuster la consistance du mortier humide, en fonction de la composition de la terre crue utilisée. La composition de mortier sec comprend avantageusement des argiles, par exemple de la kaolinite, lorsque la teneur en argile dans la terre crue est faible. Les granulats légers sont de préférence choisis parmi la pouzzolane, la perlite, la vermiculite, les billes de verre expansé, les microsphères creuses de verre, les cénosphères, les silicates expansés, les argiles expansées, les billes de polystyrène expansé, le liège et leurs mélanges. Les fibres sont de préférence des fibres naturelles (végétales ou animales), notamment des fibres végétales, telles que des fibres de chanvre, de lin ou de bois. Les granulats peuvent comprendre des granulats recyclés, par exemple issus de la démolition de bâtiments ou d’infrastructures, des sous-produits industriels, et/ou des sables issus de concassage de roche. Il peut par exemple s’agir de déchets de démolition concassés, de sables de fonderie et/ou de verre broyé. Les déchets de démolition sont par exemple des morceaux de béton, de mortier, de gypse ou encore de verre. La composition de mortier sec peut en outre comprendre des additifs (ou adjuvants), choisis notamment parmi les agents rhéologiques (en particulier des éthers de cellulose), les agents rétenteurs d’eau, les plastifiants et superplastifiants, les agents entraîneurs d’air, les agents épaississants, les agents de protection biocides, les agents dispersants, les pigments, les accélérateurs et/ou les retardateurs et les résines polymériques. La teneur totale en additifs et adjuvants varie de préférence entre 0,001 et 5% en poids par rapport au poids total de la composition. Le taux de gâchage, c’est-à-dire la quantité d’eau rapportée à la quantité de mortier sec est de préférence comprise entre 11 et 28%, notamment entre 14 et 19%. L’ajustement de la teneur en eau permet en particulier d’ajuster, pour un liant donné, la vitesse d’augmentation de la contrainte au seuil d’écoulement. Le mortier humide, de consistance pâteuse, peut être pompé et transporté vers la tête d’impression d’une imprimante. Le pompage est par exemple réalisé au moyen d’une pompe à vis. Le transport se fait typiquement dans un tuyau. La tête d’impression comprend notamment une buse à travers laquelle le mortier humide est extrudé. La buse d’extrusion est de préférence située à moins de 100 mm de la couche de mortier sous-jacente. De préférence, la tête d’impression ne comprend pas de moyens de cisaillement, en particulier de moyens de cisaillement actifs, tels qu’une vis entraînée par un moteur. L’imprimante est par exemple un robot industriel ou un portique, portant la tête d’impression, et dont le mouvement est piloté par un ordinateur. L’ordinateur comprend notamment un support d’enregistrement dans lequel est stocké un ensemble de données ou modèle 3D ainsi que des instructions, qui lorsqu’elles sont exécutées par l’ordinateur conduisent ce dernier à contrôler le déplacement (trajectoire, vitesse…) de la tête d’impression ainsi que d’autres paramètres du procédé, par exemple le taux de gâchage (c’est-à-dire le rapport entre la quantité d’eau de gâchage et la quantité de mortier sec). La vitesse d’impression est typiquement de 30 à 1000 mm/s, notamment de 50 à 300 mm/s. L’épaisseur (ou hauteur, puisqu’il s’agit ici de la dimension dans la direction verticale) des couches de mortier est de préférence comprise entre 5 et 40 mm, notamment entre 10 et 20 mm. La largeur des couches de mortier est de préférence comprise entre 10 et 300 mm, notamment entre 20 et 100 mm. L’élément de construction sera le plus souvent un mur ou un élément de mur, en particulier pour un mur de façade ou de refend. 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. Les éléments peuvent aussi être fabriqués directement sur le chantier de construction et former le mur complet du bâtiment. Les dimensions latérales de l’élément de construction sont de préférence comprises entre 1 et 4 m, notamment entre 1 et 3 m. L’épaisseur est de préférence d’au plus 70 cm, notamment comprise entre 20 et 50 cm. Exemples Les exemples non-limitatifs qui suivent permettent d’illustrer l’invention. Des compositions de mortier sec ont été obtenues en mélangeant du sable, des argiles (kaolinite), de la terre crue, de l’alginate de sodium (commercialisé sous la référence Cimalgin ® HS 4 par la société Vinpai et contenant un ajout de chlorure de calcium) et de l’hexamétaphosphate de sodium (HMP). Un mortier humide a ensuite été obtenu en mélangeant ces compositions avec de l’eau. Le tableau 1 ci-après indique pour chaque composition les teneurs en constituant en pourcents par rapport au poids de composition de mortier sec, ainsi que le taux de gâchage. Le tableau 1 indique également le seuil de cisaillement initial (τ 0i ) ainsi que la vitesse d’augmentation du seuil de cisaillement (notée V). La vitesse d’augmentation du seuil de cisaillement a été calculée en mesurant le seuil de cisaillement à intervalles réguliers (toutes les 5 minutes) pendant 1 heure après le gâchage. Le seuil de cisaillement (τ 0 ) a été calculé à partir de mesures réalisées à l’aide d’un pénétromètre à cône, en utilisant la formule suivante, m étant la masse du cône (en kg), θ l’angle du cône, et h l’enfoncement du cône (en m) : C1 1 2 3 4 5 Sable - - - - 61,7 61,7 Argile - - - - 7,4 7,4 Terre crue 97,2 97,0 96,8 96,7 29,6 29,6 Alginate 2,8 2,8 2,8 2,8 1,1 1,1 HMP - 0,23 0,35 0,46 0,2 0,2 Eau 25,5 25,5 25,5 25,5 16,8 14,8 τ 0i (Pa) 13000 1000 1000 1000 400 644 V (Pa/s) 5,4 21,3 9,2 2,4 15 Les compositions ont également été testées quant à leur capacité à être imprimées dans de bonnes conditions. La composition de l’exemple comparatif C1, exempte d’agent de défloculation, présente un seuil de cisaillement initial très élevé, rendant difficile le pompage du mortier humide. En revanche, les compositions des exemples selon l’invention 1 à 5 ont permis d’obtenir à la fois des seuils de cisaillement initiaux adaptés et des vitesses d’augmentation du seuil de cisaillement convenables, suffisamment élevées pour permettre de supporter les couches déposées ultérieurement, mais sans gêner le pompage et le transport du mortier humide. Leur capacité à être imprimées était bonne. Composition de mortier sec comprenant de la terre crue et un liant, ledit liant comprenant un polysaccharide et un agent de défloculation. Composition selon la revendication 1, dans laquelle le polysaccharide est un alginate, notamment est un alginate de sodium. Composition selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle l’agent de défloculation est un phosphate, notamment est de l’hexamétaphosphate de sodium. Composition selon l’une des revendications précédentes, comprenant en outre un sel de calcium soluble dans l’eau. Composition selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle la quantité de liant est comprise entre 0,5% et 5%, notamment entre 0,8 et 4%, par rapport au poids de composition de mortier sec. Composition selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle la quantité d’agent de défloculation est comprise entre 0,05 et 1,0%, notamment entre 0,1 et 0,6%, par rapport au poids de composition de mortier sec. Composition selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle la teneur en terre crue est comprise entre 15 et 90% par rapport au poids de composition de mortier sec. Composition selon l’une des revendications précédentes, comprenant en outre des granulats, notamment des sables, des argiles, des fillers, des granulats légers et/ou des fibres. Procédé de fabrication additive d’éléments de construction comprenant le mélange d’une composition de mortier sec selon l’une des revendications précédentes avec de l’eau pour obtenir un mortier humide, le pompage et le transport dudit mortier humide vers une tête d’impression comprenant une buse, et le dépôt successif de couches de mortier humide superposées par extrusion au travers de ladite buse. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel la quantité d’eau rapportée à la quantité de mortier sec est comprise entre 11 et 28%, notamment entre 14 et 19%. Procédé selon l’une des revendications 9 ou 10, dans lequel la tête d’impression ne comprend pas de moyens de cisaillement. Elément de construction obtenu par la mise en œuvre d’un procédé selon l’une des revendications 9 à 11.