Brevet FR3160175A1 — publié le 20250919

L’invention concerne un liant hydraulique comprenant 50 à 85% en poids d’une source de sulfate de calcium, 5 à 35% en poids de laitier de poche et 0 à 30% en poids d’un matériau pouzzolanique. Liant hydraulique L’invention concerne le domaine des matériaux de construction. Elle porte plus particulièrement sur des liants hydrauliques ainsi que sur des compositions sèches de mortier comprenant lesdits liants hydrauliques. Les compositions sèches de mortier sont généralement des mélanges pulvérulents comprenant un liant hydraulique et des granulats. Après mélange (« gâchage ») avec de l’eau, on obtient une pâte (mortier humide ou frais) capable d’être mise en forme puis de durcir pour former un mortier durci. De tels mortiers peuvent avoir diverses applications : enduits de façade, colles à carrelages, produits de sol tels que des chapes, mortiers de jointoiement, mortiers de maçonnerie et bien d’autres. Selon les applications visées, les compositions sèches de mortier doivent répondre à un grand nombre d’exigences, portant aussi bien sur leur capacité à être mises en œuvre (étalement, ouvrabilité, maniabilité, pompabilité, rhéologie…) que sur le mortier durci (notamment sa résistance mécanique, par exemple la résistance à la compression). Pour les produits de sol en particulier, tels que les chapes, plusieurs propriétés sont importantes. L’étalement du mortier frais doit être élevé afin d’obtenir des propriétés autonivelantes. Le mortier doit en outre être capable de durcir rapidement afin de réduire les temps de chantier. La résistance à la compression doit en outre être élevée. La stabilité dimensionnelle du mortier est également importante, pendant le durcissement, mais aussi après, par exemple si le mortier durci se retrouve en contact avec de l’eau. L’invention a pour but de proposer un liant hydraulique adapté à l’obtention de mortiers, notamment pour les produits de sol, en présentant à la fois des propriétés autonivelantes, un durcissement rapide et une bonne stabilité dimensionnelle, en particulier après exposition à l’eau. A cet effet l’invention a pour objet un liant hydraulique comprenant 50 à 85% en poids d’une source de sulfate de calcium, 5 à 35% en poids de laitier de poche et 0 à 30% en poids d’un matériau pouzzolanique. Le liant hydraulique est de préférence un liant hydraulique pour composition de mortier, notamment pour l’obtention de produits de sol. La source de sulfate de calcium est de préférence choisie parmi l’hémihydrate (notamment le β-hémihydrate), le gypse et l’anhydrite, seuls ou en mélange. Un laitier est un sous-produit d’un procédé industriel mettant en œuvre la fusion d’une matière de départ, fusion destinée à séparer des métaux d’une phase d’oxydes, cette dernière étant appelée « laitier ». Les laitiers de poche sont des laitiers sidérurgiques, issus de la métallurgie secondaire de l’acier. Plus précisément, l’acier de conversion (issu d’une aciérie de conversion de la fonte, notamment dans un convertisseur à oxygène) ou l’acier dit électrique (issu d’une aciérie électrique, notamment par la fusion de ferrailles dans un four à arc) est coulé en poche et transféré dans une installation appelée « four poche ». Généralement équipé de trois électrodes de graphite, le four poche permet la mise à nuance désirée par des compléments d’addition et de désoxydation et assure le maintien de la température. L’homogénéisation de l’acier liquide est assurée par un brassage gazeux à l’argon ou à l’azote. Le laitier de poche est le laitier issu du four poche. Les laitiers de poche se distinguent, par leur composition chimique et minéralogique, des autres laitiers sidérurgiques, à savoir les laitiers de haut-fourneau et les autres laitiers d’aciérie que sont les laitiers d’aciérie de conversion (souvent appelés « laitiers LD ») et les laitiers d’aciérie électrique. Par exemple, les laitiers de haut-fourneau utilisés dans les liants hydrauliques sont généralement amorphes (vitreux) car ils ont été « granulés », c’est-à-dire refroidis brutalement par arrosage. Les laitiers de poche sont en outre plus basiques que les laitiers d’aciérie électrique. On notera toutefois que les laitiers de poche ont des compositions chimiques et minéralogiques différentes selon leur provenance, en fonction notamment des compléments d’addition et de désoxydation employés. Du fait de l’ajout complémentaire de chaux ou de dolomie dans la poche, le laitier de poche est très riche en chaux. Il est également riche en alumine. Le laitier de poche présente de préférence une composition chimique comprenant les constituants suivants, dans les limites ci-après exprimées en pourcentages pondéraux : - SiO 2 : 1-20%, notamment 5-15%, particulièrement 7-12%, - CaO : 30-65%, notamment 40-60, particulièrement 45-55% - Al 2 O 3 : 15-50%, notamment 19-45%, voire 20-42%, particulièrement 25-40%. Le laitier de poche peut également comprendre de la magnésie (MgO), notamment en une teneur comprise entre 2 et 10%, voire entre 3 et 8%. Afin de ne pas impacter négativement le temps de prise, la teneur en oxyde de fer dans le laitier de poche est de préférence inférieure à 10% en poids, notamment inférieure à 5% en poids, et même inférieure à 2% en poids. Le laitier de poche est de préférence cristallisé à au moins 30%, notamment à au moins 50% ou 60%, voire à au moins 70% ou 75% en poids. Le taux de cristallisation peut être évalué par diffraction des rayons X par la méthode de Rietveld. Le taux de cristallisation dépendra en particulier de la vitesse de refroidissement du laitier, un laitier refroidi plus lentement développant plus de phases cristallines. De manière particulièrement avantageuse pour l’application visée, le laitier de poche comprend avantageusement au moins une phase cristalline de type aluminate de calcium (notamment de type de C3A et/ou C12A7, cette dernière phase étant appelée mayénite, ou/et C4AF), notamment en une teneur pondérale d’au moins 10%, voire d’au moins 15% et même d’au moins 20%, notamment comprise entre 10 et 60%, voire entre 30 et 55%. De préférence, le laitier de poche comprend à la fois une phase C3A et une phase C12A7, en une teneur pondérale totale d’au moins 20%, notamment d’au moins 30%, en particulier comprise entre 35 et 60%. La réactivité du laitier de poche est en outre améliorée s’il comprend en outre de préférence des phases cristallines de type silicate de calcium (notamment de type C2S et/ou C3S). De préférence, la teneur totale en phases cristallines de type aluminate de calcium est toutefois supérieure à la teneur totale en phases cristallines de type silicate de calcium. De préférence, le laitier de poche présente une distribution granulométrique en volume telle que le D50 est inférieur à 50 µm, de préférence inférieur à 20 µm, et notamment compris entre 8 et 15 µm. Le D50 est la taille telle que 50% en volume des particules ont une taille inférieure à cette valeur D50. La distribution granulométrique en volume est de préférence déterminée par granulométrie laser (aussi appelée granulométrie par diffraction laser). Cette finesse des particules permet notamment de donner au laitier une bonne réactivité lui permettant d’être utilisé dans une composition de mortier et d’obtenir les propriétés attendues en termes de temps de prise et de résistance mécanique. Le D90 est de préférence inférieur à 100 µm, notamment inférieur à 60 µm. Le matériau pouzzolanique est de préférence choisi parmi les cendres volantes, les argiles calcinées, les fumées de silice, les schistes calcinés et les pouzzolanes naturelles ou calcinées. L’argile calcinée est avantageusement du métakaolin. Le matériau pouzzolanique permet de réduire les variations dimensionnelles du mortier après exposition à l’eau. Sa présence est toutefois optionnelle. De préférence, la teneur totale en source de sulfate de calcium, laitier de poche et matériau pouzzolanique est d’au moins 80% en poids, notamment d’au moins 85% en poids, voire d’au moins 90% en poids, et même d’au moins 95% en poids. Selon un mode de réalisation, le liant hydraulique est constitué de la source de sulfate de calcium, de laitier de poche et de matériau pouzzolanique. Selon un autre mode de réalisation, le liant hydraulique est constitué de la source de sulfate de calcium et de laitier de poche. De préférence, le liant comprend peu, voire ne comprend pas de ciments. La teneur en ciments est avantageusement inférieure à 5% en poids, et de préférence la teneur en ciments est nulle. Les ciments comprennent en particulier les ciments Portland, les ciments bélitiques, les ciments alumineux, et les ciments sulfoalumineux. Par « teneur en ciments », on entend la teneur totale en ciments éventuellement contenus dans le liant. La teneur en source de sulfate de calcium est de préférence comprise entre 55 et 80% en poids, notamment entre 60 et 75% en poids, voire entre 65 et 72% en poids. La teneur en laitier de poche est de préférence comprise entre 8 et 30% en poids, notamment entre 10 et 25% poids, voire entre 15 et 22% en poids. La teneur en matériau pouzzolanique est de préférence comprise entre 0 et 25% en poids, notamment entre 0 et 20% en poids, ou entre 1 et 20% en poids, voire entre 2 et 15% en poids, ou encore entre 3 et 10% en poids. Selon un mode de réalisation, cette teneur en nulle. Toutes les combinaisons entre ces gammes de teneurs préférées sont bien entendu possibles, mêmes si elles ne sont pas toutes listées ici pour des raisons de concision. A titre d’exemple préféré, le liant peut avantageusement comprendre 55 à 80% en poids d’une source de sulfate de calcium, 8 à 30% en poids de laitier de poche et 0 à 25% en poids d’un matériau pouzzolanique. Selon un autre exemple préféré, le liant comprend 60 à 75% en poids d’une source de sulfate de calcium, 10 à 25% en poids de laitier de poche et 0 à 20% en poids d’un matériau pouzzolanique. Selon encore un autre exemple préféré, le liant comprend 60 à 75% en poids d’une source de sulfate de calcium, 10 à 25% en poids de laitier de poche et 1 à 20% en poids d’un matériau pouzzolanique. L’invention a aussi pour objet une composition sèche de mortier comprenant un liant hydraulique selon l’invention et des granulats. La composition est désignée comme sèche puisque la majorité, voire la totalité, de ces constituants sont sous forme pulvérulente. Les pourcentages de chacun des constituants sont donnés en pourcentages massiques par rapport à la totalité des composants de ladite composition. Les granulats utilisés généralement dans les compositions de mortier ont un diamètre inférieur à 8 mm, de préférence inférieur à 4 mm, voire inférieur à 3 mm, ce qui distingue les compositions de mortier des compositions de béton, qui elles contiennent des granulats grossiers. Les granulats peuvent comprendre des fillers, qui sont des matières minérales inertes finement broyées, généralement de type calcaires ou siliceuses. De préférence, les granulats comprennent des sables, notamment des sables siliceux et/ou des fillers, notamment des fillers calcaires ou dolomitiques. Les granulats peuvent également comprendre des granulats légers choisis parmi la perlite, la vermiculite, les billes de verre expansé, les billes de polystyrène expansé, les cénosphères, les silicates expansés, les aérogels et leurs mélanges. La teneur totale en granulats est de préférence comprise entre 40 et 90%, notamment entre 50 et 80%, voire entre 60 et 75% en poids par rapport au poids de composition sèche de mortier. La teneur en liant hydraulique est de préférence comprise entre 10 et 55%, notamment entre 20 et 50%, voire entre 25 et 38% en poids par rapport au poids de composition sèche de mortier. Le liant hydraulique selon l’invention est de préférence le seul liant hydraulique compris dans la composition sèche de mortier. Les teneurs précitées valent donc pour le liant hydraulique selon l’invention. La composition sèche de mortier peut également comprendre un ou plusieurs additifs, notamment choisis parmi les agents rhéologiques, les agents plastifiants ou superplastifiants, les agents rétenteurs d’eau, les agents entraîneurs d’air, les agents épaississants, les agents de protection biocides, les agents dispersants, les pigments, les accélérateurs et/ou retardateurs de prise ou de durcissement, les résines polymériques et les agents anti-mousses. 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 sèche. De préférence, en particulier pour une application comme produit de sol, la composition sèche comprend des agents superplastifiants et des retardateurs. Le retardateur est de préférence un acide carboxylique ou un sel d’acide carboxylique, notamment l’acide tartrique. La présence de ces différents additifs permet, notamment mais pas uniquement, d’adapter le temps de prise ou la rhéologie de la composition de mortier humide, c’est-à-dire après gâchage avec de l’eau, de façon à répondre aux attentes en fonction du produit souhaité. L’invention a aussi pour objet un procédé d’obtention d’un produit de sol comprenant le gâchage avec de l’eau d’une composition sèche de mortier selon l’invention pour obtenir un mortier humide et le dépôt dudit mortier humide sur un substrat. La teneur pondérale en eau ajoutée, par rapport au poids total de liant hydraulique est de préférence comprise entre 0,4 et 0,7, notamment entre 0,5 et 0,6. Le produit de sol est notamment une chape autonivelante. Les produits de sol seront traditionnellement obtenus par durcissement à l’air et à température ambiante du mortier obtenu après gâchage. Par exemple, les chapes sont obtenues par gâchage de la composition sèche de mortier avec de l’eau, puis par coulage sur un substrat du liquide obtenu de manière à obtenir une couche qu’on laisse ensuite durcir à l’air et à température ambiante. Le substrat est par exemple une dalle ou un plancher en béton. Le liant hydraulique n’est toutefois pas limité à l’obtention de produits de sol, mais peut également être avantageusement utilisé dans tous types de compositions de mortiers, tels que des enduits de façade, des colles à carrelages, des mortiers de jointoiement, des mortiers de réparation, des mortiers pour fabrication additive ou encore des mortiers de maçonnerie. Exemples Les exemples qui suivent illustrent l’invention de manière non-limitative. Des compositions sèches de mortier ont été obtenues en mélangeant les composants indiqués dans le tableau 1 ci-après, lequel précise les teneurs en pourcentages pondéraux. C1 C2 1 β-hémihydrate 25 25 25 Ciment Portland 7 0 0 Laitier de haut-fourneau 0 7 0 Laitier de poche 0 0 7 Métakaolin 5 5 5 Filler calcaire 13 13 13 Sable siliceux 50 50 50 Superplastifiant 0,4 0,6 0,6 Retardateur 0,06 0 0,02 Les exemples C1 et C2 sont des exemples comparatifs, utilisant respectivement du ciment Portland et du laitier de haut-fourneau granulé broyé en lieu et place du laitier de poche. Dans l’exemple 1 selon l’invention, le laitier de poche comprenait 9% de silice, 49% de chaux, 32% d’alumine, 6% de magnésie et 1% d’oxyde de fer (en pourcentages pondéraux). En termes de minéralogie, le laitier de poche comprenait 30% en poids de phase C12A7, 16% en poids de phase C3A et 14% en poids de phase C2S. Le retardateur de prise et de durcissement était de l’acide tartrique. Le gâchage des compositions a été réalisé en ajoutant de l’eau, en une quantité telle que le rapport entre la quantité d’eau et le poids total de liant et de fillers était de 0,4. Le tableau 2 ci-après indique pour chacun des mortiers humides, la valeur d’étalement ainsi que le temps de prise. La valeur d’étalement, exprimée en mm, correspond à une moyenne de 3 mesures réalisées après 3 minutes, en utilisant un anneau de 68 mm de diamètre et 35 mm de hauteur. C1 C2 1 Etalement (mm) 219 130 212 Temps de prise (min) 76 294 79 Ces résultats montrent que le liant selon l’invention se comporte comme le liant à base de ciment Portland en termes de rhéologie et de cinétique de durcissement. En revanche, l’utilisation de laitier de haut-fourneau donne des résultats nettement moins bons par rapport au laitier de poche. La stabilité dimensionnelle et la résistance mécanique des mortiers durcis ont été évaluées après immersion dans l’eau à 5°C. L’exemple 1 selon l’invention n’a montré aucune variation dimensionnelle, y compris après 90 jours d’immersion. En revanche, l’exemple comparatif C1 a présenté un très fort gonflement, avec une très forte variation dimensionnelle, supérieure à 5 mm/m après 5 jours d’immersion, et à 20 mm/m après 30 jours d’immersion, conduisant à la destruction de l’échantillon. L’exemple comparatif C2 présentait une variation dimensionnelle acceptable, inférieure à 5 mm/m après 3 mois d’immersion. En termes de résistance à la compression, l’exemple selon l’invention présentait des résistances supérieures à 15 MPa après trois mois d’immersion. En revanche, la résistance à la compression des exemples comparatifs C1 et C2 était inférieure à 5 MPa déjà après 1 mois d’immersion. Le liant selon l’invention permet par conséquent d’obtenir des mortiers à prise rapide, présentant un étalement élevé, et conservant de très bonnes propriétés après immersion dans l’eau froide. Liant hydraulique comprenant 50 à 85% en poids d’une source de sulfate de calcium, 5 à 35% en poids de laitier de poche et 0 à 30% en poids d’un matériau pouzzolanique. Liant hydraulique selon la revendication 1, dans lequel la source de sulfate de calcium est choisie parmi l’hémihydrate, le gypse et l’anhydrite, seuls ou en mélange. Liant hydraulique selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le matériau pouzzolanique est choisi parmi les cendres volantes, les argiles calcinées, les fumées de silice, les schistes calcinés et les pouzzolanes naturelles ou calcinées. Liant hydraulique selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la teneur totale en source de sulfate de calcium, laitier de poche et matériau pouzzolanique est d’au moins 80% en poids, et même d’au moins 95% en poids. Liant hydraulique selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la teneur en ciments est inférieure à 5% en poids, et de préférence dans lequel la teneur en ciments est nulle. Liant hydraulique selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la teneur en source de sulfate de calcium est comprise entre 55 et 80% en poids, notamment entre 60 et 75% en poids. Liant hydraulique selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la teneur en laitier de poche est comprise entre 8 et 30% en poids, notamment entre 10 et 25% en poids. Liant hydraulique selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la teneur en matériau pouzzolanique est comprise entre 0 et 20% en poids. Composition sèche de mortier comprenant un liant hydraulique selon l’une des revendications précédentes et des granulats. Composition sèche de mortier selon la revendication précédente, dans laquelle la teneur totale en granulats est comprise entre 40 et 90% en poids et la teneur en liant hydraulique est comprise entre 10 et 55% en poids par rapport au poids de composition sèche de mortier. Procédé d’obtention d’un produit de sol, notamment d’une chape autonivelante, comprenant le gâchage avec de l’eau d’une composition sèche de mortier selon l’une des revendications 9 ou 10 pour obtenir un mortier humide et le dépôt dudit mortier humide sur un substrat.