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Garnissage de Brique de construction par une matière poreuse
La présente invention a pour objet une brique de construction à structure
alvéolaire
comprenant une matière poreuse magnéso-silico-calcaire et pouvant être
utilisée dans la
construction de mur à haut pouvoir isolant.
Les briques en terre cuite, dites monomur , ou en ciment, dites parpaing
, à
structure alvéolaire, sont largement utilisées pour la construction de murs,
de sols, de
cloisons ou autres éléments de bâtiments.
Ces briques sont habituellement composées d'alvéoles vides (non remplies) plus
ou
moins grandes, de forme plus ou moins différentes, destinées à augmenter
l'isolation
thermique. Ces structures sont composées d'alvéoles de taille réduite pour
limiter la
convection thermique et présentent de faibles épaisseurs de parois pour
limiter l'effet de
conduction.
L'espace intérieur des alvéoles de ces briques de construction est
généralement
vide. Lorsqu'il existe un gradient de température au sein d'une alvéole, l'air
contenu dans
cette alvéole se déplace par convection. La conséquence directe est une
diminution de la
résistance thermique du système. Une des solutions mises en oeuvre pour
minimiser les
effets convectifs consiste à augmenter le nombre d'alvéoles, mais cette
solution est limitée
par (i) une mise en oeuvre technique des briques de plus en plus complexe,
(ii) des
quantités de matière plus importantes, (iii) l'apparition de phénomènes de
conduction plus
important.
Pour limiter ce phénomène, il est possible de remplir ces alvéoles avec un
matériau
inorganique de faible conductivité thermique et ainsi empêcher ces mouvements
convectifs. Le rôle de ce matériau inorganique est du fait de sa
microstructure de donner
une tenue mécanique à l'air ou au vide , à savoir emprisonner l'air (ou le
vide) de
manière à minimiser les effets de convection.
A titre d'exemple, le document FR 2521 197 Al, fait mention de briques en
terre
cuite avec des alvéoles remplies d'un matériaux cellulaire à haut pouvoir
d'isolation
thermique . Les matériaux proposés pour le remplissage des alvéoles sont :
une mousse
de polyuréthane, une mousse de polystyrène, ou tout autre matériaux fibreux
(laine de
verre ou de roche) ou divisé (agglomérat de liège) .
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L'inconvénient de cette solution est l'utilisation de matériaux organiques
et/ou
inorganiques qui soient (i) peuvent mal se comporter face au risque d'incendie
: tenue au
feu, résistance au feu, émission(s) de gaz toxique(s) et de débris enflammés
(ii) soit sont
potentiellement dangereux car classifiables à termes dans la catégorie des FCR
(Fibres
Céramiques Réfractaires) nécessitant des conditions spécifiques de pose puis
de gestion
des déchets, (iii) soit perdre des propriétés d'isolation au cours du temps
(tassement du
garnissage, dégradation chimique des matériaux, ...), (iv) ne présentent pas
ou peu de
tenue mécanique (< 5 kg/cm2), (v) ne sont pas recyclables dans les filières
traditionnelles,
(vi) soit un mélange de points (i) à (vi). On peut également noter que dans
certains cas le
garnissage se fait sur place pendant le chantier, cela est une contrainte et
nécessite de la
main d'oeuvre supplémentaire.
Le document FR 2 876 400 décrit quant à lui l'utilisation de briques creuses
remplie avec un matériau isolant à base de produit(s) poreux en vrac . La
matière dite
naturelle pour le garnissage est à base de perlite expansée ou de la
vermiculite expansée
dans laquelle on utilise l'amidon comme épaississant. Ce document fait
également mention
de l'utilisation d'autres composants comme de la silice colloïdale, des agents
hydrophobes,
ou du plastique dispersé.
L'inconvénient de cette solution est la faible tenue mécanique des
agglomérats, cela
entraînant un risque de détérioration de ces masses de garnissage pendant le
transport et le
montage de ces éléments. Il est à noter le faible pouvoir cohésif de cette
structure induisant
notamment des risques de perte de matière lors de perçage, de découpe, ... des
murs par
exemple. Il est à noter également le tassement des grains plusieurs années
après la pose des
éléments de construction, ce qui entraîne à terme la diminution du pouvoir
isolant.
Egalement l'emploi de liants organiques ou d'agent hydrophobe diminue
sensiblement la
résistance thermique de ces matériaux et accroît le risque de tenue au feu.
Sur le même principe, on peut citer le document FR2 927 623 Al qui divulgue
des
éléments de construction de type brique en terre cuite, garnie d'une mousse de
chaux. Cette
matière poreuse est constituée d'un mélange chaux-ciment 65 à 90% de la
matière sèche,
de fibres, de charges minérales, d'un durcisseur et d'un agent moussant. Le
principe est de
faire prendre de la chaux avec un agent moussant pour créer des bulles d'air,
de les
emprisonner lors de la réaction et avoir ainsi une structure poreuse.
Une telle structure présente le désavantage d'avoir une tenue mécanique
faible, ce
qui limite la réduction du nombre de parois de la brique de terre cuite et
entraîne des
risques de dégradation de la matière poreuse pendant la pose des éléments de
construction.
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Dès lors, un problème qui se pose est de fournir une brique de construction
qui ne
présente pas les inconvénients mentionnés ci-dessus.
Une solution de la présente invention est une brique de construction 1 à
structure
alvéolaire comprenant une matière poreuse 2 comprenant 25% massique à 75%
massique
de silice, de 75% massique à 25% massique d'hydroxyde de calcium, et de 0 à 5%
massique de magnésie et présentant une microstructure composée de nodules
et/ou de
cristaux sous forme d'aiguilles 3 de manière à ménager des pores de diamètre
moyen D50
compris ente 0,1 et 10 ium, et de manière à ce que ladite matière poreuse
présente une
porosité comprise entre 60 et 95%.
Préférentiellement, la matière poreuse présente une porosité comprise entre 70
et
90%.
La microstructure de la matière poreuse, composée de nodules plus ou moins
sphériques et reliés entre eux par des cristaux présentant la forme
d'aiguilles, résultat d'une
croissance cristallographique s'opérant au cours d'une synthèse hydrothermale,
est
représentée figure 1. Il est à noter également la présence potentielle de
grains de matières
premières non réagies ou en cours de réactions chimiques.
Notons que c'est cette microstructure qui permet de quasiment supprimer tout
effet
de convection de l'air.
La porosité totale de la matière poreuse peut être mesurée à l'aide d'un
porosimètre
à mercure.
La conductivité thermique peut être mesurée à l'aide d'un appareillage de type
Paque Chaude Gardée à une température moyenne comprise entre 0 et 70 C.
La résistance mécanique à la compression peut être mesurée par l'élaboration
d'un
cube de 100 x 100 mm2 de matière poreuse et application sur la face supérieure
de celui-ci
d'une force en pression tandis qu'elle est maintenue contre une plaque
métallique
horizontale. Cette force correspond à la pression (en kg/cm2 ou MPa) à partir
de laquelle la
matière commence à se fissurer.
La figure 2 représente des courbes de résistance à la compression de plusieurs
matériaux poreux à formulations chimiques telles que décrites dans l'invention
mais à
conditions opératoires différentes notamment la température (T), la pression
(P), les
rampes de montée et de descente en température ( C/min) et la durée (t) de la
synthèse
hydrothermale. La conséquence est, en fonction des paramètres procédé pour un
mélange
identique au départ des microstructures finales différentes, d'où des
propriétés mécaniques
différentes.
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La figure 3 représente deux exemples d'échantillons identiques en termes de
formulations chimiques initiales (mélange) mais différents en termes de
conditions
opératoires (T, t, P, C/min). Ceci aboutit à des propriétés mécaniques
finales différentes.
La courbe supérieure de la figure 2 correspond à l'échantillon droit de la
figure 3.
L'échantillon gauche de la figure 3 correspond aux autres courbes de la figure
2.
Selon le cas, la brique de construction selon l'invention présente une ou
plusieurs
des caractéristiques suivantes :
- la matière poreuse présente une microstructure composée de nodules et/ou
de
cristaux sous forme d'aiguilles et éventuellement de grains élémentaires de
manière à
ménager des pores de diamètre moyen D50 compris entre 0,1 et litm ;
- la matière poreuse présente une résistance mécanique comprise entre 5 et
40kg/cm2 préférentiellement entre 10 et 30kg/cm2 et une conductivité thermique
comprise
entre 50 et 150mW/ K.m préférentiellement inférieure à 100mW/ K.m ;
- la matière poreuse comprend au moins 70% en poids de phase cristalline ;
- la phase cristalline renferme en outre une ou plusieurs phases silico-
calcaire
représentant 0 à 50% du poids de la matière poreuse ;
- les phases silico-calcaires sont choisis parmi la xonotlite, la
foshagite, la
tobermorite 11A, la tobermorite 9A, la Riversideite 9A, la Trabzonite
[Ca45i3010, 2H20],
la Rosenhahnite [Ca35i308(OH)2], la Kilalaite [Ca6Si4014, H20], et la
Gyrolite. De manière
générale on peut utiliser toutes les phases du type CaxSiyOz(OH),., H2O avec
l< x < 10;
- la matière poreuse peut contenir des fibres carbone et/ou de verre et/ ou
de
cellulose ou toutes autres charges fibreuses.
- ladite brique comprend : une structure alvéolaire en terre cuite ou en
ciment ; et
ladite matière poreuse contenue dans au moins une partie des alvéoles de la
structure
alvéolaire.
Notons que la phase cristalline peut renfermer en outre :
- une ou plusieurs phases du type MgwSiyOz(OH),., H2O représentant au total
de 0 à
50% du poids total de la matière poreuse;
- une ou plusieurs phases du type MgwCax0z(OH)i., H2O représentant au total de
0 à 50% du poids total de la matière poreuse;
- une ou plusieurs phases du type MgwCaxSiyOz(OH)i., H2O représentant au
total de
0 à 50% du poids total de la matière poreuse.
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La présente invention a également pour objet un procédé de fabrication d'une
brique de construction selon l'une des revendicationsl à 8, comprenant les
étapes
successives suivantes :
- une étape a) de neutralisation de la porosité ouverte de la structure
alvéolaire
5 d'une brique alvéolée;
- une étape b) de préparation d'un mélange comprenant de la silice, de la
chaux
vive, et de l'eau de telle manière que le rapport massique eau/(CaO + Si02)
est compris
entre 2 et 60 et le rapport massique CaO /Si02 est compris entre 0,8 et 1,2 ;
- une étape c) d'étanchéification de la face inférieure de la brique
alvéolée issue de
l'étape a) ;
- une étape d) de remplissage des alvéoles de la brique alvéolée par ledit
mélange
préparé à l'étape b) ;
- une étape e) de synthèse hydrothermale de la brique par chauffage à une
température comprise entre 80 C et 200 C, et sous une pression de vapeur d'eau
saturante
comprise entre 1.105 Pa et 25.105 Pa, pendant une durée comprise entre 1
heures et
40 heures, pour obtenir une masse céramique, et
- une étape f) de séchage de la brique à une température comprise entre 100
et
450 C pendant une durée de 1 à 30 heures.
Selon le cas, le procédé de fabrication selon l'invention présente une ou
plusieurs
des caractéristiques suivantes :
- à l'étape b) le mélange comprend un agent de germination et est préparé
de telle
manière que le rapport massique (CaO + 5i02 + agent de germination)/ H20 est
compris
entre 15 et 30% et le rapport massique (CaO + agent de germination)/5i02 est
compris
entre 0,8 et 1,2;
- l'agent de germination est choisi entre la magnésie et la silice colloïdale
;
- ledit procédé comprend entre l'étape b) et l'étape d) une étape bl) de
stockage du
mélange préparé à l'étape b) ;
- pendant toute la durée de l'étape bl), le mélange est agité ;
- ledit procédé comprend après l'étape f) une étape g) d'imperméabilisation
des
faces de la brique où la matière poreuse est apparente par l'ajout d'un
composé organique,
d'un silicone ou d'un composé organique.
L'étape a) de neutralisation permet de s'affranchir de l'influence de la
porosité de
la structure alvéolaire de la brique. Les briques en terre cuite ont une
porosité comprise
entre 10 et 30%. Cette porosité, si elle n'est pas neutralisée, peut absorber
par capillarité
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l'eau du mélange après remplissage, il en résultera alors une baisse de niveau
au sein des
canaux d'une brique de la masse poreuse ce qui est une source de défauts. Pour
éviter ce
phénomène, la brique peut soit préalablement être immergée dans une piscine de
manière à
la saturer en eau, soit être recouverte à l'intérieur des canaux par un
matériau organique
(silicone, téflon,...) qui limitera les phénomènes de capillarité, soit un
mélange des
2 solutions à savoir protection d'un revêtement étanche ou semi étanche et
immersion dans
une piscine pour saturer en eau la brique.
L'étape b) de préparation d'un mélange comprenant de la chaux, de la silice et
de
l'eau comprend :
- une première sous-étape de synthèse de chaux vive, par calcination à une
température supérieure ou égale à 800 C de pavés de calcaire de taille moyenne
comprise
entre 1 mm et 15 mm ayant une pureté d'au moins 90% en poids et une porosité
ouverte
supérieure à 0% à inférieure ou égale à 25%, pour obtenir des particules de
chaux vive ;
- une deuxième sous-étape de mélange de ladite chaux vive, d'eau et de
silice pour
obtenir une crème desdits constituants; et éventuellement
- une troisième sous-étape d'introduction d'un agent de germination, tel
que de la
magnésie par exemple, dans la crème préparée à la deuxième sous-étape.
Notons que cette troisième sous-étape peut être incluse dans la deuxième sous-
étape.
L'étape b) de préparation d'un mélange pourra conduire à des mélanges tout en
un ou des mélanges en 2 étapes . Dans le cas du mélange tout en un les
matières
inorganiques et éventuellement organiques sont pré mélangés à sec. L'ensemble
est ensuite
introduit dans de l'eau chaude dont la température est comprise entre 30 et 50
C. Dans le
cas du mélange en 2 étapes la chaux est éteinte dans un premier temps avec
une partie
de l'eau, puis tous les autres constituants sont rajoutés ensemble avec l'eau
complémentaire. Le choix de l'ordre d'introduction sera fixé par l'homme de
l'art en
fonction des propriétés spécifiques de la chaux (réactivité, viscosité,
décantation).
Ces propriétés spécifiques sont issues de la matière première (calcaire) et de
l'historique de
transformation (grillage) de celle-ci.
Il est à noter éventuellement si nécessaire l'ajout de composés organiques
(dispersant, liant, anti moussant, ...). Un exemple de formulations chimiques
comprenant
les ratios des différents constituants est décrit ci-dessous. Le tableau 1
donne la proportion
massique des constituants inorganiques et le tableau 2 la proportion massique
entre matière
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sèche et solvant. Les tableaux ne prennent pas en compte l'ajout éventuel de
composés
organiques dont le % massique est inférieur à 1% de celui des matières
premières totales.
Matières Premières (inorganiques) Pourcentage massique
CaO 46,5%
Si02 48,5%
Agent de germination (MgO) 5%
Total 100%
Tableau 1
Proportion Matières premières Pourcentage massique
/solvant
Matières premières 22,3%
Solvant (Eau) 77,7%
Tableau 2
Dans les tableaux 1 et 2 les proportions des matières premières et le ratio
matières
premières / solvant sont fixés. Ce ratio et ses proportions sont à la base
même des
propriétés de la masse poreuse synthétisée sous conditions hydrothermales. Le
mélange est
classiquement réalisé dans un disperseur (vitesse de rotation de l'axe jusqu'à
1400 tr/min)
équipé d'une tri-pale bidirectionnelle dont le diamètre est idéalement compris
entre 1/3 et
1/2 du diamètre de la cuve dans laquelle a lieu le mélange. La durée du
malaxage est
comprise entre 10 et 40 minutes. Le dimensionnement des appareils est lié au
volume de
briques à garnir et dépendra donc de la ligne de production sur laquelle ils
seront
implantés.
La figure 4 montre un exemple de disperseur permettant de réaliser le mélange.
L'étape bl) de stockage du dit mélange consiste à transvaser le mélange
(suspension) dans une cuve tampon sous agitation pour éviter la décantation du
ce dernier.
Le système d'injection sera implanté sur cette cuve tampon.
L'étape c) d'étanchéification de la face inférieure de la brique permet de
garnir les
canaux de suspension et maintenir le mélange au sein des alvéoles. La brique
peut ensuite
éventuellement être placée dans un système (wagon, glissière...) en vue de
faciliter son
enfournement ultérieur dans un autoclave basse pression/basse température dans
lequel se
déroulera la synthèse hydrothermale. Il est à noter que cette technique est
très performante
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si la brique à remplir a été rectifiée lors de procédé de fabrication. La
figure 5 montre un
exemple d'un système à base de film plastique permettant d'étanchéifier d'une
brique
avant remplissage du mélange.
L'étape d) de remplissage consiste à garnir les briques du mélange. Un système
constitué de pompes et d'une buse d'injection permet le remplissage à la
chaîne ou en
parallèle de une ou plusieurs briques. Il peut être installé si nécessaire un
système vibrant
de manière à cisailler la pâte lors du remplissage et permettre ainsi une
meilleure
homogénéisation du mélange.
L'étape e) de synthèse hydrothermale consiste à réaliser une synthèse
hydrothermale à une température comprise entre environ 80 et 200 C,
préférentiellement
entre 100 et 160 C, pendant une durée allant, de 2h à 40h, préférentiellement
de 5 à 24h.
La pression au sein de l'autoclave est la pression de vapeur saturante qui
selon les
conditions de cuisson peuvent varier entre 105 Pa et 25.105 Pa (1 et 25 bar),
préférentiellement entre 1.105 Pa et 10.10 Pa (1 et 10 bar).
L'étape f) de séchage a pour fonction d'évacuer l'eau résiduelle piégée après
la
synthèse dans les pores de la microstructure formée. Cette opération est
réalisée dans un
four traditionnel électrique ou à gaz (qui peut ou non être le même que celui
utilisé pour
l'opération de synthèse hydrothermale), le séchage s'opère à la pression
atmosphérique. Le
cycle de séchage a lieu entre 100 et 450 C, préférentiellement entre 100 C et
250 C sur
une durée comprise entre 1 et 30 heures, préférentiellement entre 2 et 24
heures. Le cycle
de séchage peut avoir des rampes et des paliers à des températures
intermédiaires.
L'étape g) d'imperméabilisation consiste à appliquer un agent imperméabilisant
(silicone, durcisseur chimique, dépôt sol-gel à base Si, verni à base de
cellulose) soit par
pulvérisation soit à l'aide de rouleaux sur les faces ou la masse poreuse est
apparente de
manière à rendre ces dernières hydrophobes. Les briques garnies de matière
poreuse
peuvent au préalable être rectifiées si nécessaire et/ou poncer en surface.
Enfin la présente invention a également pour objet un assemblage comprenant
une
ou plusieurs briques de construction 1 selon l'invention. D'ailleurs, les
briques ont une
forme qui permette la construction d'éléments de bâtiment, tel que des murs,
des sols, des
plafonds, des toits.
L'invention va maintenant être décrite plus en détail par référence aux
exemples
suivants. L'exemple 1 concerne le garnissage de briques à partir d'un mélange
dit en 2
étapes . L'exemple 2 concerne le garnissage de briques à partir d'un mélange
dit tout en
un .
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Le choix du protocole de mélange ( tout en un ou en 2 étapes ) sera
déterminé
par l'homme de l'art en fonction des propriétés spécifiques de la chaux
(réactivité,
viscosité du lait de chaux, décantation).
EXEMPLES
Exemple 1 : Préparation d'une brique garnie de masse poreuse par un
mélange dit en 2 étapes
1A. Neutralisation de la porosité
Dans un premier temps, une brique a été immergée dans de l'eau pendant 2
heures
dans le but de saturer les tessons en eau et d'éviter ainsi la diffusion par
capillarité de l'eau
de la suspension dans les parois de la brique. La brique remplie dans cet
exemple présente
une porosité de l'ordre de 10-15%. Pour des briques porosées la porosité
totale étant
comprise entre 15 et 25% le temps d'immersion sera rallongé.
La figure 6 illustre l'immersion d'une brique dans un récipient contenant de
l'eau.
1B. Préparation du mélange dit en 2 étapes
Le mélange se réalise en deux étapes dans un premier temps la chaux vive est
éteinte dans de l'eau chauffée à 43 C, un malaxage à 900 tr/min est effectué
pendant
minutes. Puis dans un second temps la silice et les autres constituants
(magnésie,
20 composés organiques) est introduite avec de l'eau à température
ambiante. Afin
d'homogénéiser le mélange un malaxage à 900 tr/min est effectué pendant 20
minutes.
Afin de caractériser le mélange une mesure de viscosité a été réalisée avec un
rhéomètre Brookfield DVII à 20 tr/min, la viscosité mesurée est de 3875 cp. Le
mélange a
la composition indiquée dans le tableau 3.
Constituants Pourcentage massique
CaO 10,2%
Si02 10,8 %
Agent de germination (MgO) 1 %
Eau à 43 C 49,6 %
Eau à 20 C 28,4%
Tableau 3
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1C. Stockage dans une cuve tampon
Une fois le mélange terminé les 25 litres de pâte préparée sont stockés dans
un
récipient.
5 1D. Préparation de la brique pour le remplissage
La brique avant d'être remplie par le mélange est emballée à l'aide d'un film
plastique de manière à étanchéifier le fond. La brique est ensuite posée dans
un wagon qui
sera directement placé dans une glissière dans l'autoclave.
10 1E. Remplissage de la brique
La brique est placée sur une table vibrante pour permettre un remplissage
optimum
des alvéoles en abaissant la viscosité du mélange par cisaillement.
La figure 7 montre un exemple de table vibrante permettant l'homogénéisation
lors
du remplissage de la brique et la figure 8 montre une brique avant
enfournement dans
l'autoclave pour la synthèse hydrothermale.
1F. Synthèse hydrothermale du mélange contenu dans les alvéoles de la brique
La brique garnie a été placée dans un autoclave sous conditions de synthèse
hydrothermales à 150 C soit une pression de vapeur saturante de 4 bars
relatif.
La figure 9 représente le cycle de synthèse hydrothermale.
Le système initial : chaux, silice et eau ne peut spontanément cristalliser
c'est
pourquoi une synthèse hydrothermale est nécessaire dans le cadre du garnissage
des
briques. La modification des conditions de pression et température pendant une
durée
déterminée permet l'apport d'énergie qui est consommée par le système pour
franchir la
barrière énergétique de cristallisation. L'ajout d'agents dit de germination
tel que de la
magnésie et/ou de la silice colloïdale permet de réduire les temps de synthèse
hydrothermale.
1G. Elimination de l'eau contenu dans la masse poreuse par séchage
La brique est ensuite séchée selon le cycle présenté Figure 10 jusqu'à
une température maximale de 235 C et pendant une durée de 24 h, à pression
atmosphérique.
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1H. Finitions
Après séchage, le surplus de masse poreuse est éliminé et un agent
imperméabilisant est appliqué à l'aide de rouleaux sur la masse poreuse.
La figure 11 montre une brique après rectification et application d'un agent
d'imperméabilisation.
Exemple 2 : Préparation d'une brique garnie de masse poreuse par un
mélange dit tout en un
Toutes les étapes à l'exception de l'ordre d'introduction des constituants du
mélange sont identiques à l'exemple 1. C'est pourquoi seule l'étape concernant
la
réalisation du mélange va être décrite.
Le mélange des composés inorganiques et organiques sont réalisés selon les
proportions désirées à sec.
Les constituants sont introduits dans la cuve du malaxeur dans l'ordre suivant
:
l'eau chauffée à 43 C, puis un agent modificateur de pH (soude ou chaux vive)
l'objectif
étant l'obtention d'une eau à pH compris entre 9 et 14, préférentiellement
entre 11 et 12,5.
Le mélange de poudres est ensuite introduit, le mélange étant malaxé à 900
tr/min pendant
40 minutes.
Afin de caractériser le mélange une viscosité a été réalisée avec un rhéomètre
Brookfield DVII à 20 tr/min, la viscosité mesurée est de 1080 cp. La viscosité
étant bien
plus faible, le remplissage peut être facilité, l'utilisation d'une table
vibrante devient alors
facultative.
Au final le mélange à la composition indiquée dans le ci-dessous (tableau 4) :
Constituants dans l'ordre d'introduction Pourcentage massique
Eau à 43 C 78%
Agent modificateur de pH 0,3%
Mix de poudres (chaux vive, silice) 21%
Agent de germination (MgO) 0,7%
Tableau 4
