Brevet FR3161432A1 — publié le 20251024

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 cendres de biomasse 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. On connaît des liants hydrauliques pour produits de sols à base de ciment Portland. L’empreinte environnementale des ces liants est toutefois élevée car les procédés de fabrication de clinker Portland nécessitent des opérations de décarbonatation, de calcination et de clinkérisation par chauffage, notamment à des températures très élevées de l’ordre de 1450°C. Les ciments Portland sont par exemple à l’origine d’émissions d’environ 800 kg de CO 2 par tonne de ciment produit. Ils sont également consommateurs de ressources énergétiques et naturelles. L’invention a pour but d’obvier à ces inconvénients en proposant un liant hydraulique à faible empreinte environnementale et adapté à l’obtention de mortiers, notamment pour les produits de sol, en présentant 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 cendres de biomasse et 0 à 30% en poids d’un matériau pouzzolanique. La source de sulfate de calcium est de préférence choisie parmi l’hémihydrate, le gypse et l’anhydrite, seuls ou en mélange. Les cendres de biomasse sont des cendres formées par la combustion de biomasse, utilisée par exemple pour produire de l’électricité, de la vapeur et/ou de la chaleur. La biomasse peut provenir par exemple de produits agricoles, de produits forestiers, de déchets ménagers et municipaux, de l'industrie du papier ou de la pâte à papier et/ou de cultures à des fins de production d'énergie. De préférence, les cendres de biomasse comprenant, voire consistent en, des cendres obtenues par combustion de déchets (ou de résidus, ou de sous-produits) de l’industrie du papier ou de la pâte à papier. Ces cendres se sont révélées particulièrement réactives. Par exemple, ces déchets peuvent être produits lors de la production de papier ou de carton à partir de papier ou de carton recyclé. Ces déchets peuvent par exemple être récupérés lors de l'étape de dépulpage, au cours de laquelle de l'eau et des produits chimiques tels que le peroxyde d'hydrogène, l'hydroxyde de sodium et le silicate de sodium sont ajoutés au papier déchiqueté afin de séparer les fibres de cellulose, et/ou lors des étapes de criblage. Selon d’autres modes de réalisation, les cendres de biomasse comprennent, ou consistent en, des cendres obtenues par combustion de bois et de résidus de l’industrie du papier ou de la pâte à papier. Selon d’autres modes de réalisation, les cendres de biomasses comprennent, ou consistent en, des cendres de bois. Les cendres de bois sont générées par combustion de bois ou de produits forestiers. Les cendres de bois sont notamment obtenues par combustion de déchets forestiers, de déchets (écorce, sciure) de bois, de résidus de bois ou de résidus de l’industrie de la pâte à papier ou du bois. La biomasse peut par exemple être produite lors d'activités d'exploitation forestière pour l'industrie de la pâte à papier ou d'autres industries liées au bois et lors du nettoyage des forêts pour la prévention des incendies de forêt. Par exemple, les cendres de biomasse peuvent comprendre, ou consister en, des cendres volantes obtenues par combustion de bois, d’écorce, de résidus forestiers et/ou de résidus de bois. Le bois est par exemple choisi parmi le pin et l’eucalyptus. Le bois peut aussi provenir de chantiers de démolition ou de déchets de bois ménager. Quelle que soit la source de biomasse, la combustion est de préférence réalisée par combustion en lit fluidisé, en particulier par combustion en lit fluidisé bouillonnant. D'autres procédés de combustion sont la combustion en lit fixe ou la combustion en lit fluidisé circulant. Quel que soit le procédé de combustion, les cendres de biomasse utilisées dans la présente invention sont de préférence récupérées dans les gaz de combustion (par exemple par filtration), par opposition aux cendres récupérées au fond de la chaudière, lesquelles contiennent fréquemment des matières indésirables tels que des métaux lourds. Les cendres de biomasse peuvent présenter des réactivités différentes selon leur composition chimique et/ou minéralogique, laquelle dépend du type de biomasse ainsi que de la technologie de combustion. Par exemple, une température élevée (au moins 700 ou 800°C) permet l’obtention de phases minéralogiques intéressantes, en particulier lorsque le temps de résidence de la biomasse dans la chaudière est long. Certaines cendres de biomasse présentent ainsi une réactivité très élevée, parfois plus élevée que celle du ciment Portland. De préférence, les cendres de biomasse comprennent, ou consistent en, des cendres de biomasse ayant une composition chimique pondérale comprenant 5-35%, notamment 9-30% de SiO 2 , 3-20%, notamment 5-15% de Al 2 O 3 , 0-5%, notamment 0,5-3% de Fe 2 O 3 et 30-70%, notamment 40-65% de CaO. De telles cendres de biomasse sont très réactives et seront appelées « cendres de biomasse hautement réactives » dans le présent texte. Les cendres de biomasse du liant hydraulique selon l’invention comprennent de préférence au moins 60% en poids, notamment au moins 70% et même au moins 80% ou au moins 90%, voire encore 100%, de telles cendres de biomasse hautement réactives. Des exemples de telles cendres de biomasse sont celles obtenues par combustion de déchets ou résidus de l’industrie du papier et de la pâte à papier, particulièrement lorsqu’ils ont été chauffés à haute température (par exemple au moins 700 ou 800°C). D’autres cendres de biomasse, moins réactives, ont une composition chimique moyenne comprenant (en poids) 38-55% de SiO 2 , 5-12% de Al 2 O 3 , 1-7% de Fe 2 O 3 , 6-30% de CaO et 1-7% de K 2 O. Une telle composition comprend notamment 40-50% de SiO 2 , 8-10% de Al 2 O 3 , 2-5% de Fe 2 O 3 , 10-30% de CaO et 2-8% de K 2 O. De telles cendres de biomasse seront appelées « cendres à réactivité modérée » dans le présent texte. La teneur pondérale en cendres à réactivité modérée est de préférence inférieure à 40%, notamment inférieure à 30% ou inférieure à 20%, même inférieure à 10%, voire de 0%, par rapport au poids total de cendres de biomasse. Des exemples de telles cendres à réactivité modérée sont certaines cendres de bois. La perte au feu des cendres de biomasse est de préférence inférieure à 20% en poids, notamment inférieure à 15% et même inférieure à 10% ou à 5%. Les cendres de biomasse peuvent être un mélange de différentes cendres de biomasse. En particulier, les cendres de biomasse peuvent être un mélange de cendres hautement réactives et de cendres à réactivité modérée, par exemple pour ajuster les caractéristiques de prise et de durcissement du liant. De préférence, le rapport pondéral entre les cendres hautement réactives et les cendres à réactivité modérée est d’au moins 60 :40, notamment d’au moins 70 :30, même d’au moins 80 :20 ou au moins 90 :10. Les cendres de biomasse comprennent de préférence au moins 10% en poids de phases hydrauliques, plus particulièrement au moins 15%, même au moins 20%, par rapport au poids total de cendres de biomasse. Cette teneur est même avantageusement d’au moins 25% voire d’au moins 30%. Elle est de préférence d’au plus 60% et même d’au plus 50%. Les phases hydrauliques sont de préférence choisies parmi les silicates de calcium, les aluminates de calcium, la chaux libre (CaO) et leurs mélanges. Les silicates de calcium et les aluminates de calcium comprennent de préférence une ou plusieurs des phases suivantes : C2S, C3S, C3A, C4AF, C2A2S, CA, C12A7 et CA2. Les cendres de biomasse comprennent de préférence au moins 10 % en poids de phases C2S, au moins 5 % en poids de phases C2A2S et au moins 1 % en poids de phases C3A, par rapport au poids total de cendres de biomasse. La teneur en phase C3S est de préférence d’au plus 1% en poids, voire nulle, car elle empêche la formation de phases aluminate durant l’hydratation. La teneur en chaux libre dans les cendres de biomasse est de préférence d’au moins 5% en poids, même d’au moins 10%, par exemple de 5 à 18%. Les cendres de biomasse peuvent également comprendre des phases amorphes, notamment comprenant CaO, Al 2 O 3 et SiO 2 , en des teneurs permettant la dissolution de ces éléments. La quantité de phase amorphe est par exemple de 10 à 25% en poids. Les cendres de biomasse peuvent comprend de l’aluminium libre (métallique), mais de préférence en une quantité d’au plus 3% en poids par rapport au poids total de cendres de biomasse, car ce composé peut entraîner une expansion du mortier pendant le durcissement. Dans certains modes de réalisation, la teneur en aluminium libre est d’au plus 1% en poids, voire est nulle. Les cendres de biomasse peuvent comprendre des phases réactives additionnelles, telles que des carbonates (notamment la calcite), des sulfates (par exemple du sulfate de calcium) ou des aluminosilicates. La teneur en calcite est de préférence de 10 à 40% en poids, par rapport au poids total de cendres de biomasse. En termes de taille des particules, le D50 (basé sur la distribution en volume) des cendres de biomasse est de préférence de 8 à 50 µm, en particulier de 10 à 30 µm, par exemple d'environ 15 µm. La taille maximale (Dmax) est de préférence inférieure ou égale à 200 µm. Ces dimensions sont généralement mesurées par granulométrie laser. 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, cendres de biomasse 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 (par rapport au poids total de liant hydraulique). Selon un mode de réalisation, le liant hydraulique est constitué de la source de sulfate de calcium, de cendres de biomasse et de matériau pouzzolanique. Selon un autre mode de réalisation, le liant hydraulique est constitué de la source de sulfate de calcium et de cendres de biomasse. 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 cendres de biomasse est de préférence comprise entre 8 et 30% en poids, notamment entre 10 et 25% en poids, voire entre 15 et 22% en poids. La teneur en matériau pouzzolanique est de préférence comprise entre 5 et 25% en poids, notamment entre 10 et 20% en poids, voire entre 12 et 18% en poids. 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 cendres de biomasse et 5 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 cendres de biomasse et 10 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 à la composition sèche de mortier. La composition sèche de mortier peut également comprendre un ou plusieurs additifs, 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. La composition sèche de mortier comprend de préférence un agent inhibiteur d’expansion, notamment choisi parmi les sels de lithium (en particulier le nitrate de lithium et le sulfate de sodium), les nitrates (en particulier les nitrates de sodium ou de potassium) et les acides carboxyliques (en particulier l’acide oxalique et l’acide citrique). La teneur totale en agent inhibiteur d’expansion est de préférence comprise entre 0,5 et 3,0%, notamment entre 1,0 et 2,5% par rapport au poids de liant hydraulique. 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 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 (teneurs en pourcentages pondéraux par rapport au poids de composition sèche de mortier). C1 1 2 β-hémihydrate 25 25 25 Ciment Portland 7 0 0 Cendres de biomasse 1 0 7 0 Cendres de biomasse 2 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 0,02 0,0,1 L’exemple C1 est un exemple comparatif utilisant du ciment Portland en lieu et place des cendres de biomasse. La cendre de biomasse 1 était une cendre issue de la combustion de déchets de l’industrie du papier. Elle comprenait comme éléments principaux 11% SiO 2 , 11% Al 2 O 3 , 1% Fe 2 O 3 , 57% CaO, 2% MgO. En termes de composition minéralogique, elle comprenait 13% en poids de phase C2S, 6% de phase C2A2S, 2% de phase C3A, 5% de CaO, 4% de Ca(OH) 2 , 38% de calcite et 23% de phase amorphe. La cendre de biomasse 2 était une cendre issue de la combustion de déchets de panneaux de bois. Elle comprenait comme éléments principaux 43% SiO 2 , 9% Al 2 O 3 , 4% Fe 2 O 3 , 26% CaO, 1% Na 2 O, 5% K 2 O et 3% MgO. En termes de composition minéralogique, elle comprenait 47% en poids de phase amorphe, 13% de quartz, 9% de calcio-olivine, 6% d’akermanite, 4% d’albite et 6% de Ca(OH) 2 . 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 correspondant 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 1 2 Etalement (mm) 219 214 220 Temps de prise (min) 76 94 101 Ces résultats montrent que le liant selon l’invention se comporte de manière très acceptable en termes de rhéologie et de cinétique de durcissement. La stabilité dimensionnelle et la résistance mécanique des mortiers durcis ont été évaluées après immersion dans l’eau à 5°C. Les exemples 1 et 2 n’ont montré aucune variation dimensionnelle, y compris après 150 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. En termes de résistance à la compression, les exemples selon l’invention présentaient des résistances supérieures à 5 MPa après 3 mois d’immersion (8 MPa pour l’exemple 1, et 6 MPa pour l’exemple 2). La résistance à la compression a même augmenté avec le temps, signe d’une poursuite de l’hydratation du liant. En revanche, la résistance à la compression de l’exemple comparatif C1 était inférieure à 3 MPa déjà après 1 mois d’immersion, et proche de 0 après 3 mois. 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 même 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 cendres de biomasse 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 /ou 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, cendres de biomasse 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%, notamment entre 60 et 75% en poids. Liant hydraulique selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la teneur en cendres de biomasse est comprise entre 8 et 30%, 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 5 et 25%, notamment entre 10 et 20% en poids. Composition sèche de mortier comprenant un liant hydraulique selon l’une des revendications précédentes et des granulats. Procédé d’obtention d’un produit de sol comprenant le gâchage avec de l’eau d’une composition sèche de mortier selon la revendication précédente pour obtenir un mortier humide et le dépôt dudit mortier humide sur un substrat.