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CA 02951332 2016-12-06
WO 2015/189096 PCT/EP2015/062541
BETON PHOTOVOLTAIQUE, SON PROCEDE DE FABRICATION ET
ELEMENT DE CONSTRUCTION COMPRENANT UN TEL BETON
La présente invention se rapporte à un béton photovoltaïque, à un procédé de
fabrication d'un tel béton, à un élément pour le domaine de la construction
comprenant
un tel béton, ainsi qu'a un procédé de fabrication de cet élément.
La présente invention vise le domaine technique de la production d'électricité
à
partir d'énergies renouvelables, en particulier l'énergie solaire, grâce à
l'effet
photovoltaïque.
Les villes comprennent de nombreux bâtiments, immeubles, ouvrages d'art ou
infrastructures (notamment de transport) offrant de grande capacité de
surface, qu'il
serait pertinent d'utiliser pour produire de l'électricité à partir de
l'énergie solaire. Dans
ce but, il devient intéressant d'utiliser les surfaces en bétons disponibles
sur les
nombreux ouvrages présents dans les villes. Cependant, l'application de
panneaux
solaires sur les façades ou plus généralement sur les surfaces en béton est
longue et
coûteuse, et nécessite beaucoup de main d'oeuvre. De plus, cela nécessite
préalablement de fabriquer en usine les panneaux solaires.
Il est également connu de part le document EP 2 190 032 un panneau à base de
fibrociment sur lequel est appliquée par collage une couche mince
photovoltaïque. Ce
collage a lieu en utilisant un adhésif appliqué par lamination sous vide et à
chaud sur le
panneau de fibrociment, préalablement revêtu d'un film polymère.
Aussi le problème technique que se propose de résoudre l'invention est de
fournir
un béton destiné à la réalisation de bâtiments, immeubles, ouvrage d'art ou
infrastructures et capable de produire de l'électricité, sans avoir recours à
l'utilisation et
à la pose de panneaux solaires ou au collage de couche mince photovoltaïque.
Dans ce but, la présente invention a pour objet un béton présentant une
surface
lisse, revêtue en tout ou partie d'un film polymère par polymérisation sous
l'action de
radiations, ledit film étant lui-même revêtu en tout ou partie d'une couche
mince
photovoltaïque.
De façon surprenante, les inventeurs ont montré que le fait de recouvrir un
béton
présentant une surface lisse, au moyen d'un premier film polymère puis de
recouvrir
ledit film d'une couche mince photovoltaïque permet d'obtenir un béton
photovoltaïque
qui peut transformer l'énergie photovoltaïque issue du rayonnement solaire en
une
énergie électrique.
Avantageusement, la surface lisse du béton combinée à la très faible porosité
intrinsèque du film polymère permet d'obtenir une surface permettant d'obtenir
une
bonne adhérence de la couche mince photovoltaïque.
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L'invention offre comme autre avantage que le béton se caractérise par un état
de
surface lisse, très peu rugueux et homogène, avec des tailles de défauts de
surface
(profondeur des stries et/ou hauteurs des aspérités) inférieures au
micromètre.
De plus, le béton utilisé selon l'invention peut être un béton structurel,
c'est-à-dire
présentant de préférence des performances conformes la norme NF EN 1992-1-1
d'octobre 2005.
L'avantage du procédé selon l'invention est qu'il ne nécessite pas d'étape de
collage de la couche mince photovoltaïque. En effet selon le procédé de
l'invention, la
couche mince photovoltaïque est directement fabriquée dans la couche formée
par le
film polymère. Cette fabrication ne consiste pas en un assemblage ou un
collage entre
le film polymère et la couche mince photovoltaïque. Il s'agit d'une
fabrication in situ de la
couche mince photovoltaïque. Il n'y a pas d'assemblage selon le procédé de
l'invention,
d'élément préfabriqué, de même le procédé selon l'invention ne nécessite pas
de
collage par une colle.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront clairement
à la
lecture de la description et des exemples donnés à titre purement illustratifs
et non
limitatifs qui vont suivre.
Par l'expression liant hydraulique , on entend selon la présente invention
un
matériau qui prend et durcit par hydratation, par exemple un ciment.
Par le terme béton , on entend un mélange de liant hydraulique (par exemple
du
ciment), de granulats, d'eau, éventuellement d'adjuvants, et éventuellement
d'additions
minérales, comme par exemple le béton à haute performance, le béton à ultra
haute
performance, le béton autoplaçant, le béton autonivelant, le béton
autocompactant, le
béton fibré, le béton prêt à l'emploi ou le béton coloré. On entend également
selon cette
définition le béton précontraint. Le terme béton comprend les mortiers.
Dans ce cas
précis, le béton comprend un mélange de liant hydraulique, de sable, d'eau et
éventuellement d'additifs et éventuellement d'additions minérales. Le terme
béton
selon l'invention désigne indistinctement le béton à l'état frais et à l'état
durci, et inclue
également un coulis de ciment ou un mortier.
Procédé
Tout d'abord, l'invention se rapporte à un procédé de fabrication d'un béton
photovoltaïque, comprenant les étapes suivantes :
- disposer d'un béton ;
- appliquer une composition comprenant des monomères et/ou des prépolymères
réactifs non polymérisés sur tout ou partie de la surface du béton ;
- polymériser cette composition sous l'action de radiations, de façon à
obtenir un
film polymère recouvrant en tout ou partie la surface du béton ;
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- appliquer par pulvérisation cathodique, par dépôt chimique en phase vapeur,
par
dépôt ionique, par dépôt plasma, par bombardement électronique, par ablation
laser, par épitaxie par jets moléculaires, ou par thermo-évaporation au moins
une couche mince photovoltaïque directement sur le film polymère.
De façon avantageuse, la température de la composition, au moment où elle est
appliquée sur le béton, est inférieure à 35 C, de préférence inférieure à 30
C. Cette
caractéristique est avantageuse, car elle permet de limiter la hausse locale
de
température au niveau de la surface du béton, lorsqu'elle est recouverte par
la
composition. De manière également avantageuse, cette composition est appliquée
sur
le béton sans être chauffée. La température exacte de cette composition, lors
de son
dépôt sur le béton, dépend des conditions opératoires et, le cas échéant, des
conditions
climatiques.
Cette composition comprenant des monomères et/ou des prépolymères réactifs non
polymérisés peut être appliquée par rouleau ou pulvérisation, ce qui permet
une bonne
répartition du revêtement. Cette composition est susceptible de réticuler sous
l'action de
radiations, en particulier sous rayonnement ultra-violets. Ceci garantit une
réticulation
très rapide, de l'ordre de quelques secondes, et complète du monomère, en
particulier
supérieure à 90%, voire supérieure à 99 % ; le revêtement obtenu étant
homogène et
réticulé sur toute son épaisseur.
Le procédé selon l'invention peut éventuellement comprendre une étape de
polissage de la surface en béton avant l'application de la composition
comprenant des
monomères et/ou des prépolymères réactifs non polymérisés.
Selon une autre variante, le procédé selon l'invention peut comprendre une
étape
après durcissement du béton, de traitement mécanique par dégrossissage, puis
polissage. Ce traitement donne une surface parfaitement lisse.
Avantageusement, le procédé comprend en outre un démoulage et/ou un traitement
thermique du béton. Les étapes d'application de la composition et de
polymérisation
sous l'action de radiations peuvent intervenir entre le démoulage du béton et
le
traitement thermique.
Avantageusement, le procédé selon l'invention ne comprend pas d'étape de
collage
de la couche mince photovoltaïque sur le film polymère.
Ce traitement thermique du béton, encore dénommé cure thermique, est
généralement réalisé sur des bétons à ultra haute performance, à une
température
supérieure à la température ambiante (par exemple de 20 C à 90 C), de
préférence de
60 C à 90 C. La température du traitement thermique est de préférence
inférieure au
point d'ébullition de l'eau à la pression ambiante. La température du
traitement
thermique est généralement inférieure à 100 C. L'utilisation d'un autoclave
dans lequel
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le traitement thermique est réalisé à haute pression permet également
l'utilisation de
températures de traitement thermique plus élevées.
Le traitement thermique peut durer, par exemple, de 6 heures à 4 jours, de
préférence environ 2 jours. Le traitement thermique débute après la prise,
généralement
au moins un jour après que la prise a commencé, et de préférence sur du béton
qui a
vieilli de 1 jour à environ 7 jours à 20 C.
La réticulation du polymère, constitutif du film, induit une forte adhésion
avec
l'élément sorti du moule, ainsi qu'une étanchéité de la surface du béton à
l'égard du flux
d'eau et de sels de calcium. De plus, la réticulation du polymère a l'avantage
d'être
rapide (inférieure à 5 minutes, voire à 1 minute), ce qui réduit les temps de
cycles et de
stockage liés à l'application et au séchage des pièces. Enfin, l'intérêt d'un
film très
fortement réticulé est de présenter une surface très résistante à la rayure.
De préférence, le béton mis en oeuvre selon le procédé de l'invention présente
une
surface, avant revêtement par le film polymère, ayant une rugosité Ra comprise
de
0,5 pm à 10 pm, de préférence de 0,5 à 7 pm, encore plus préférentiellement de
0,5 à
5 pm, avantageusement de 0,5 à 3 pm.
Par l'expression rugosité , on entend les irrégularités de l'ordre du
micromètre
d'une surface qui sont définies par comparaison avec une surface de référence,
et sont
classées en deux catégorie : des aspérités ou pics ou protubérances , et
des
cavités ou creux . La rugosité d'une surface donnée peut être déterminée par
la
mesure d'un certain nombre de paramètres. Dans la suite de la description, on
utilise le
paramètre Ra (mesuré par un profilomètre optique confocal Micromesure full-
field 3D),
tel que défini par les normes NF EN 05-015 et DIN EN ISO 4287 d'octobre 1998,
correspondant à la moyenne arithmétique de toutes les ordonnées du profil à
l'intérieur
d'une longueur de base (dans nos exemples, cette dernière a été fixée à 12,5
mm).
La résistance du revêtement à la rayure est pratiquée en utilisant le test dit
du
quadrillage , selon la norme ISO 2409:2007 (Peintures et vernis - essai de
quadrillage). Son principe consiste à effectuer un quadrillage en réalisant
des incisions
parallèles et perpendiculaires dans le revêtement. Les incisions doivent
pénétrer
jusqu'au substrat. Les incisions sont au nombre de 6 et espacées de 1 mm.
De préférence, le béton mis en oeuvre selon le procédé de l'invention présente
une
surface, après revêtement par le film polymère, ayant une rugosité Ra comprise
de
0,1 pm à 5 pm, de préférence de 0,2 à 3 pm, encore plus préférentiellement de
0,3 à
1 pm, avantageusement de 0,4 à 0,6 pm. Ceci permet avantageusement d'obtenir
un
béton revêtu homogène, apte à être recouvert par une couche mince
photovoltaïque.
Le procédé selon l'invention comprend une étape d'obtention d'un film polymère
par
polymérisation sous l'action de radiations. Ce type de film polymère obtenu
par
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polymérisation sous l'action de radiations est également appelé polymère
photoréticulé
ou résine filmogène réticulable ou résine photosensible.
Une composition de monomères et/ou de prépolymères réactifs non polymérisés
est appliquée en tout ou partie sur la surface du béton. De préférence, cette
composition
est une composition de monomères et de prépolymères réactifs non polymérisés.
Cette
composition comprend généralement des précurseurs suivants :
- un prépolymère comprenant une résine, laquelle résine comprend un ou
plus,
par exemple 1, 2, 3 ou 4 groupe(s) polymérisable(s) (qui peuvent être les
mêmes
ou différents), tels que des groupes insaturés ou des groupes époxy. Des
groupes polymérisables incluent acrylate, méthacrylate, allyl, vinyl, époxy et
glycidyl. Des prépolymères incluent une résine acrylique, une résine
méthacrylique une résine de polyester, une résine de polyester chlorée, une
résine époxyde, une résine de mélamine, une résine de polyamide, une résine
de silicone, une résine polyéther, une résine de polyuréthane, une résine
polyurée-uréthane et/ou leurs mélanges, les résines comprenant un ou plusieurs
groupe(s) polymérisable(s), tels que ceux listés ci-dessus. Parmi ces résines,
les
résines comprenant le groupe acrylate peuvent être partiellement modifiées par
l'action d'une amine, généralement appelée amines synergistes . Parmi ces
résines, les polyuréthanes comprenant des groupes acrylates et les époxydes
comprenant des groupes acrylates sont particulièrement préférés selon
l'invention.
- un monomère comprenant un ou plus, par exemple 1, 2, 3 ou 4 groupe(s)
réactif(s) (qui peuvent être les mêmes ou différents), tels que des groupes
insaturés ou des groupes époxy. Des groupes réactifs incluent acrylate,
méthacrylate, allyl, vinyl, époxy et glycidyl. Parmi ces monomères les esters
acryliques d'alcools comme l'isobornyl acrylate (IBOA), de diols comme le
diéthylène glycol diacrylate (DEGDA), le tripropylène glycol diacrylate
(TPGDA),
le bisphénol A diacrylate, ou de polyols comme le triméthylolpropane
triacrylate
(TMPTA), le glycérol propoxylé triacrylate (GPTA), le pentaerythritol tri- et
tetra-
acrylate, sont utilisables selon l'invention. Le méthyl pentanediol diacrylate
(MPDDA) est particulièrement préféré selon l'invention.
- un photoinitiateur, comme par exemple les mélanges de dérivés de
benzophénone et d'amines tertiaires ou les systèmes cationiques tel le
triphénylsulphonium hexafluoroantimonate ou comme par exemple un mélange
d'oxide acyl phosphines tel l'lrgacureTM 819 (BAPO) ou le DarocurTM TPO
(Mono acyl phosphine (MAPO)), le DarocureTM 4265 (mélange de MAPO et d'oc-
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hydroxycétone 50/50) commercialisé par la société Ciba et d'acétophénone-oc-
hydroxy- oc,13-di-substitué. Le 2
hydroxy-2methy1-1phenyl-propan-1one
(DarocureTM 1173, commercialisé par la société Ciba) et le 1-hydroxy-
cyclohexyl-phenylcétone (lrgacureTM 184, commercialisé par la société Ciba)
sont particulièrement préférés selon l'invention.
Une des compositions préférées selon l'invention de monomères et/ou de
prépolymères réactifs non polymérisés comprend :
- Oligomère d'époxy acrylate
- Methyl pentanediol diacrylate (MPDDA)
- Oligomère d'uréthane acrylate
- 2-hydroxy-2methy1-1phenyl-propan-1one ou 1-hyd roxy-cyclohexyl-
phenylcétone.
La composition de monomères et/ou de prépolymères réactifs non polymérisés
mis en oeuvre dans le procédé selon l'invention peut comprendre de 1 % à 10 %
en
masse de photoinitiateur, préférentiellement de 2 % à 8 % et plus
préférentiellement de
3 % à 6 %.
De préférence, cette composition comprend à la fois des monomères et des
prépolymères réactifs non polymérisés. Dans ce cas, l'ensemble constitué par
les
monomères et les prépolymères, en dehors de tout autre composant, peut
comprendre
de 10% à 90% en masse de monomères, préférentiellement de 20 % à 80 %, et 10%
à
90% en masse de prépolymères, préférentiellement de 20 % à 80 %.
La composition de monomères et/ou de prépolymères réactifs non polymérisés
peut être préparée par simple mélange de ses composants, à l'aide de tout type
de
mélangeur. Le mélange obtenu est stable et il peut être conservé plusieurs
mois à
température ambiante et à l'abri de la lumière directe du soleil.
La composition de monomères et/ou de prépolymères réactifs non polymérisés est
appliquée en tout ou partie sur le béton à l'aide d'un rouleau applicateur,
d'un pinceau
ou d'un pulvérisateur ou de tout autre moyen permettant de déposer une couche
fine et
relativement homogène en épaisseur de composition sur le parement.
La composition de monomères et/ou de prépolymères réactifs non polymérisés
peut être appliquée en une couche ou plus. L'épaisseur totale de ladite
composition
déposée sur le béton est préférentiellement de 5 à 100 micromètres, plus
préférentiellement de 10 à 60 micromètres et encore plus préférentiellement de
15 à 50
micromètres. Une polymérisation peut, ou non, être effectuée entre les
couches. Selon
une variante préférée de l'invention la composition de monomères et/ou de pré-
polymères réactifs non polymérisés est appliquée en deux couches de 20
micromètres
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avec une polymérisation entre les deux applications, au lieu de l'application
d'une seule
couche de 40 micromètres.
La polymérisation des monomères et/ou des pré-polymères réactifs a lieu sous
l'action de radiations, de préférence sous l'action d'ondes dont la longueur
d'ondes se
situe dans le spectre visible à ultraviolet, ou dont la longueur d'ondes est
plus courte
encore. Il est également envisageable que la polymérisation ait lieu sous
l'action de
rayons infrarouges. Les radiations provoquent la polymérisation par des
réactions de
condensation ou d'additions des précurseurs du polymère, en particulier les
radiations
provoquent la réticulation des précurseurs du polymère. Il est également
envisageable
que la polymérisation ait lieu sous l'action d'un faisceau d'électrons. Dans
ce cas, la
composition de monomères et/ou de pré-polymères réactifs non polymérisés ne
comprend pas de photo-initiateur, puisque l'énergie des faisceaux d'électrons
est
suffisante pour créer les radicaux libres nécessaires à la polymérisation.
De préférence, le film polymère est obtenu par la polymérisation sous l'action
de
radiations ultra-violettes. Les rayons ultra-violets (UV) permettent d'exciter
ou de
décomposer le photoinitiateur et de provoquer la formation de radicaux libres
ou d'ions
ce qui conduit à la polymérisation du prépolymère avec le monomère.
Les polymérisations peuvent être réalisées à une vitesse de passage sous la
lampe UV de 5 mètres / minute à 30 mètres / minute. La dose totale d'énergie
reçue (en
une fois ou plus si nécessaire) par la composition de monomères et/ou de pré-
polymères réactifs est préférentiellement de 300 à 1200 mJ/cm2.
La polymérisation peut être réalisée en présence d'un gaz inerte, tel que
l'azote,
ceci permettant de réduire les quantités de photo-initiateur dans la
composition, et
également de durcir la surface du film polymère.
La polymérisation provoque la formation du film polymère. Ce film polymère est
de
préférence continu. Selon une première variante, ce film polymère est localisé
sur un
seul côté du béton ou de l'élément de construction qui comprend ce béton. En
particulier, un coté du béton ou de l'élément de construction qui comprend ce
béton est
revêtu en totalité par le film polymère.
Selon une autre variante de l'invention, il est possible d'appliquer deux
films
polymère ou plus, l'un sur l'autre, sur le béton. En conséquence, les
performances du
béton et de l'élément de construction qui comprend ce béton sont améliorées.
Le film polymère peut comprendre en outre un agent anti-fongique, un agent
colorant, des pigments, un agent ou une charge minérale permettant d'améliorer
l'accrochage d'un joint ou d'une peinture ou de toute autre application de
surface
susceptible d'être déposé sur le béton (comme par exemple de la silice, du
carbonate
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de calcium, du dioxyde de titane, du carbonate de magnésium, du sulfate de
calcium, de
l'oxyde de magnésium, de l'hydroxyde de calcium ou un solide pulvérulent).
Avantageusement l'étape de polymérisation sous l'action de radiations est mise
en
oeuvre sans délai, après la fin de l'étape d'application de la composition.
Ceci permet
d'éviter toute dégradation intempestive de la composition réactive, recouvrant
tout ou
partie du béton.
Avantageusement les étapes d'application de la composition et de
polymérisation
sous l'action de radiations sont mises en oeuvre le plus rapidement possible,
après la fin
de l'étape de démoulage.
De préférence, le film polymère est obtenu par polymérisation sous l'action de
radiations ultra-violettes. Dans ce cas, le film présente notamment une
résistance très
importante vis-à-vis de l'abrasion et de la rayure, mais aussi une grande
stabilité vis-à-
vis des hautes températures sous vide partiel.
Avantageusement les étapes d'application de la couche mince photovoltaïque sur
le
film polymère se fait notamment par pulvérisation cathodique, par dépôt
chimique en
phase vapeur, par dépôt ionique, par dépôt plasma, par bombardement
électronique,
par ablation laser, par épitaxie par jets moléculaires, par thermo-évaporation
; le
principe général de ces techniques étant de déposer ou de condenser le
matériau
recouvrant (formant la couche mince) sous vide partiel (par exemple, en
utilisant une
pression de 10-2 à 10-4 Torr) alors que le matériau support est chauffé à une
température constante.
Avantageusement, le procédé selon l'invention ne comprend pas d'étape de
collage
de la couche mince photovoltaïque sur le film polymère.
Le procédé ci-dessus est notamment adapté au traitement d'un béton à haute
performance, présentant au moins une des caractéristiques ci-dessus.
Béton photovoltaïque
L'invention a également pour objet un béton photovoltaïque susceptible d'être
obtenu par le procédé selon l'invention et décrit ci-dessus.
Le béton photovoltaïque selon l'invention est de préférence un béton
structurel,
présentant généralement une résistance à la compression mesurée à 28 jours
supérieure ou égale à 12MPa, notamment comprise de 12 MPa à 300 MPa. Ce béton
peut être utilisé dans la structure porteuse d'un ouvrage. Une structure
porteuse est
généralement l'ensemble des éléments d'un ouvrage portant plus que leur propre
poids.
A titre d'exemple d'élément qui peut être porteur, on peut citer les poteaux,
les
planchers, les murs, les poutres, les linteaux, les trumeaux, les acrotères.
De préférence le béton photovoltaïque selon l'invention présente une couche
mince photovoltaïque produisant de l'électricité grâce à l'effet
photovoltaïque.
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De préférence, la couche mince photovoltaïque est à base de composés
minéraux, de composé métalliques, de composés organiques ou de composés
hybrides
organique-minéral (couches minces appelées aussi cellules photovoltaïques
hydrides).
Il peut aussi être envisager que la couche mince photovoltaïque peut être
composée de pigments photosensibles; on parlera alors de cellule à colorants
ou de
cellule de Graêtzel (dit aussi DSSC ou DSC).
Les composés minéraux ou métalliques convenant pour réaliser la couche mince
photovoltaïque peuvent être à base de silicium amorphe, de silicium liquide,
de tellure
de cadmium, de cuivre-indium-sélénium, de cuivre-indium-gallium-sélénium, de
cuivre-
indium-gallium-disélénide-disulphide, d'arsénure de gallium, d'oxyde d'indium-
étain, de
cuivre, de molybdène, de chalcopyrite ou leurs mélanges.
Les composés organiques convenant pour réaliser la couche mince
photovoltaïque peuvent être à base de deux composés, l'un donneur d'électrons
et
l'autre accepteur d'électrons. Parmi les donneurs d'électrons, on peut citer
les
polyarylènes, les poly(arylène-vinylène)s, les poly(arylènes-éthynylène)s ou
leurs
mélanges. A titre d'exemple, on peut citer du poly 3-hexyl thiophène (dit
aussi P3HT))
ou du poly[2-méthoxy-5-(3,7-diméthyloctyloxy)-1,4-phénylène-vinylène] (dit
aussi
MDMO-PPV).
Parmi les accepteurs d'électron on peut citer les composés à base de fullerène
tel
que le [6,6]-phényl-C61-butanoate de méthyle (dit aussi PCBM).
Parmi les pigments photosensibles composant les cellules photovoltaïques à
colorants ou de Graêtzel, on pourra citer le dioxyde de titane.
De préférence le béton selon l'invention a généralement une porosité à l'eau
inférieure à 14 %, de préférence inférieure à 12 (Y0, par exemple, moins de 10
%
(déterminée par la méthode décrite dans le compte-rendu Journées Techniques,
AFPC-
AFREM, Décembre 1997, pages 121 à 124).
De préférence le béton photovoltaïque selon l'invention est un béton à ultra
haute
performance (BUHP). Ce béton à haute performance a de préférence un rapport
eau
sur ciment (E/C) d'au plus 0,45, de préférence au plus 0,32, plus
préférentiellement de
0,20 à 0,27. Le béton peut être un béton contenant de la fumée de silice.
De préférence, le béton à ultra haute performance comprend, en parties en
masse :
100 de ciment Portland ;
50 à 200 d'un sable ayant une granulométrie unique avec un D10 à un D90 de
0,063 à 5 mm, ou un mélange de sables, le sable le plus fin ayant un D10 à un
D90 de
0,063 à 1 mm et le sable le plus grossier ayant un D10 à un D90 de 1 à 5 mm,
par
exemple entre 1 et 4 mm;
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0 à 70 d'un matériau pouzzolanique ou non-pouzzolanique de particules, ou d'un
mélange de ceux-ci, ayant une taille moyenne de particules inférieure à 15 pm
;
0,1 à 10 d'un superplastifiant réducteur d'eau ; et
à 32 d'eau, notamment 20 à 32 d'eau.
5 Le
béton à ultra haute performance mentionné ci-avant a généralement une
résistance à la compression mesurée à 28 jours supérieure ou égale à 50MPa,
notamment comprise de 50 MPa à 300 MPa, en particulier supérieure ou égale à
80
MPa, notamment comprise de 80 à 250 MPa. Le béton est de préférence un béton à
ultra haute performance (BUHP), par exemple contenant des fibres. Un béton à
ultra
10 haute
performance est un type particulier de béton à haute performance et a
généralement une résistance à la compression à 28 jours supérieure ou égale à
100
MPa et en particulier supérieure ou égale à 120 MPa. Le film polymère et la
couche
mince photovoltaïque selon l'invention, sont appliquées de préférence sur des
éléments
fabriqués avec les bétons à ultra haute performance décrits dans les brevets
US6478867 et US6723162 ou les demandes de brevet EP1958926 et EP2072481.
Le D90, également noté Dv90, correspond au 90ème centile de la distribution en
volume de taille des grains, c'est-à-dire que 90 % des grains ont une taille
inférieure au
D90 et 10 % ont une taille supérieure au D90. De même, le D10, également noté
Dv10,
correspond au lOème centile de la distribution en volume de taille des grains,
c'est-à-dire
que 10 % des grains ont une taille inférieure au D10 et 90 % ont une taille
supérieure au
D10.
Le sable est généralement un sable de silice ou de calcaire, une bauxite
calcinée
ou des particules de résidus de la métallurgie, le sable peut également
comprendre un
matériau minéral dense broyé, par exemple, un laitier vitrifié broyé.
Les BUHPs ont généralement un retrait plus important à la prise en raison de
leur
teneur plus élevée en ciment. Le retrait total peut être réduit par
l'inclusion, en général
de 2 à 8, de préférence de 3 à 5, par exemple d'environ 4 parties, de chaux
vive, de
chaux surcuite ou d'oxyde de calcium dans le mélange avant l'addition d'eau.
Des matériaux pouzzolaniques adaptés comprennent les fumées de silice,
également connues sous le nom de micro-silice, qui sont un sous-produit de la
production de silicium ou d'alliages de ferrosilicium. Il est connu comme un
matériau
pouzzolanique réactif.
Son principal constituant est le dioxyde de silicium amorphe. Les particules
individuelles ont généralement un diamètre d'environ 5 à 10 nm. Les particules
individuelles s'agglomèrent pour former des agglomérats de 0,1 à 1 pm, et puis
peuvent
s'agréger ensemble en agrégats de 20 à 30 pm. Les fumées de silice ont
généralement
une surface BET de 10 à 30 m2/g.
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D'autres matériaux pouzzolaniques comprennent des matériaux riches en
aluminosilicate tels que le métakaolin et les pouzzolanes naturelles ayant des
origines
volcaniques, sédimentaires, ou diagéniques.
Des matériaux non-pouzzolaniques adaptés comprennent également des matériaux
contenant du carbonate de calcium (par exemple du carbonate de calcium broyé
ou
précipité), de préférence un carbonate de calcium broyé. Le carbonate de
calcium broyé
peut, par exemple, être le Durcal 1 (OMYA, France).
Les matériaux non-pouzzolaniques ont de préférence une taille moyenne de
particules inférieure à 5 pm, par exemple de 1 à 4 pm. Les matériaux non-
pouzzolaniques peuvent être un quartz broyé, par exemple le 0800 qui est un
matériau
de remplissage de silice sensiblement non-pouzzolanique fourni par Sifraco,
France.
La surface BET préférée (déterminée par des méthodes connues) du carbonate de
calcium ou du quartz broyé est de 2 à 10 m2/g, généralement moins de 8 m2/g,
par
exemple de 4 à 7 m2/g, de préférence moins de 6 m2/g.
Le carbonate de calcium précipité convient également comme matériau non-
pouzzolanique. Les particules individuelles ont généralement une taille
(primaire) de
l'ordre de 20 nm. Les particules individuelles s'agglomèrent en agrégats ayant
une taille
(secondaire) d'environ 0,1 à 1 pm. Les agrégats forment eux-mêmes des amas
ayant
une taille (ternaire) supérieure à 1 pm.
Un matériau non-pouzzolanique ou un mélange de matériaux non-pouzzolaniques
peut être utilisé, par exemple du carbonate de calcium broyé, du quartz broyé
ou du
carbonate de calcium précipité ou un mélange de ceux-ci. Un mélange de
matériaux
pouzzolaniques ou un mélange de matériaux pouzzolaniques et non-pouzzolaniques
peuvent également être utilisés.
Le béton photovoltaïque selon l'invention peut être utilisé en association
avec des
éléments de renfort, par exemple des fibres métalliques et/ou organiques et/ou
des
fibres de verre et/ou d'autres éléments de renfort décrits ci-après.
Le béton photovoltaïque selon l'invention peut comprendre des fibres
métalliques
et/ou des fibres organiques et/ou des fibres de verre. La quantité en volume
de fibres
est généralement de 0,5 à 8 % par rapport au volume du béton durci. La
quantité de
fibres métalliques, exprimée en termes de volume du béton durci final est
généralement
inférieure à 4 %, par exemple de 0,5 à 3,5 %, de préférence d'environ 2 %. La
quantité
de fibres organiques, exprimée sur la même base, est généralement de 1 à 8 %,
de
préférence de 2 à 5 (Yo. Les fibres métalliques sont généralement choisies
parmi les
fibres d'acier, telles que les fibres d'acier à haute résistance, les fibres
d'acier amorphe
ou les fibres d'acier inoxydable. Les fibres d'acier peuvent éventuellement
être revêtues
d'un métal non ferreux comme le cuivre, le zinc, le nickel (ou leurs
alliages).
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La longueur individuelle (1) des fibres métalliques est généralement d'au
moins 2
mm et est de préférence de 10 à 30 mm. Le rapport 1/d (d étant le diamètre des
fibres)
est généralement de 10 à 300, de préférence de 30 à 300, de préférence de 30 à
100.
Des fibres ayant une géométrie variable peuvent être utilisées : elles peuvent
être
crêpées, ondulées ou en crochet aux extrémités. La rugosité des fibres peut
également
être modifiée et/ou des fibres de section variable peuvent être utilisées. Les
fibres
peuvent être obtenues par toute technique appropriée, y compris par tressage
ou
câblage de plusieurs fils métalliques, pour former un assemblage torsadé.
Les fibres organiques comprennent les fibres d'alcool polyvinylique (PVA), les
fibres
de polyacrylonitrile (PAN), les fibres de polyéthylène (PE), les fibres de
polyéthylène
haute densité (PEHD), les fibres de polypropylène (PP), les homo- ou
copolymères, les
fibres de polyamide ou de polyimide. Les mélanges de ces fibres peuvent
également
être utilisés. Les fibres de renfort organiques utilisées dans l'invention
peuvent être
classées comme suit : fibres réactives de module élevé, fibres non réactives
de faible
module et fibres réactives de faible module. La présence de fibres organiques
rend
possible la modification du comportement du béton à la chaleur ou au feu.
La fusion des fibres organiques rend possible le développement de voies par
lesquelles de la vapeur ou de l'eau sous pression peut s'échapper lorsque le
béton est
exposé à des températures élevées.
Les fibres organiques peuvent être présentes sous la forme de filaments
individuels
ou de faisceaux de plusieurs filaments. Le diamètre du filament unique ou du
faisceau
de filaments multiples est de préférence de 10 pm à 800 pm. Les fibres
organiques
peuvent également être utilisées sous la forme de structures tissées ou de
structures
non-tissées ou d'un faisceau hybride comprenant des filaments différents.
La longueur individuelle des fibres organiques est de préférence de 5 mm à 40
mm,
de préférence de 6 à 12 mm. Les fibres organiques sont de préférence des
fibres PVA.
La quantité optimale de fibres organiques utilisées dépend en général de la
géométrie des fibres, de leur nature chimique et de leurs propriétés
mécaniques
intrinsèques (par exemple, le module élastique, le seuil d'écoulement, la
résistance
mécanique).
Le rapport 1/d, d étant le diamètre de la fibre et 1 la longueur, est
généralement de
10 à 300, de préférence de 30 à 90.
Les fibres de verre peuvent être à filament unique (fibre monofilament) ou à
multiples filaments (fibre multifilament) chaque fibre individuelle comprenant
alors une
pluralité de filaments.
Les fibres de verre peuvent être formées par écoulement de verre fondu dans
une
filière. Une composition aqueuse d'ensimage classique peut alors être
appliquée aux
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fibres de verre. Des compositions aqueuses d'ensimage peuvent comporter un
lubrifiant, un agent de couplage et un agent de formation de film et
éventuellement
d'autres additifs. Les fibres traitées sont généralement chauffées pour
éliminer l'eau et
effectuer un traitement thermique de la composition d'ensimage sur la surface
des
fibres.
Le pourcentage en volume de fibres de verre dans le béton est de préférence
supérieur à 1 % en volume, par exemple de 2 à 5 %, de préférence environ de 2
à 3 %,
une valeur préférée étant d'environ 2 %.
Le diamètre des filaments individuels dans les fibres multifilament est
généralement
inférieur à environ 30 pm. Le nombre de filaments individuels dans chaque
fibre
individuelle est généralement de 50 à 200, de préférence d'environ 100. Le
diamètre
composite des fibres multifilament est généralement de 0,1 à 0,5 mm, de
préférence
d'environ 0,3 mm. Elles ont généralement une forme approximativement
circulaire en
section transversale.
Le verre a généralement un module de Young supérieur ou égal à 60 GPa, de
préférence de 70 à 80 GPa, par exemple de 72 à 75 GPa, de préférence d'environ
72 GPa.
La longueur des fibres de verre est généralement supérieure à la taille des
particules du granulat (ou du sable). La longueur des fibres est de préférence
au moins
trois fois plus grande que la taille des particules. Un mélange de longueurs
peut être
utilisé. La longueur des fibres de verre est généralement de 3 à 20 mm, par
exemple de
4 à 20 mm, de préférence de 4 à 12 mm, par exemple d'environ 6 mm.
La résistance à la traction des fibres de verre multifilament est d'environ
1700 MPa
ou davantage.
La dose de saturation des fibres de verre (Sf) dans la composition est
exprimée par
la formule :
Sf = Vf x L/D
où Vf est le volume réel des fibres. Dans les compositions ductiles selon
l'invention Sf
est généralement de 0,5 à 5, de préférence de 0,5 à 3. Afin d'obtenir une
bonne fluidité
du mélange de béton frais Sf peut aller généralement jusqu'à environ 2. Le
volume réel
peut être calculé à partir du poids et la densité des fibres de verre.
Des fibres hybrides binaires comprenant des fibres de verre et (a) des fibres
métalliques ou (b) des fibres organiques et des fibres hybrides ternaires
comprenant
des fibres de verre, des fibres métalliques et des fibres organiques peuvent
également
être utilisées. Un mélange de fibres de verre, de fibres organiques et/ou de
fibres
métalliques peut également être utilisé : un composite "hybride" est ainsi
obtenu dont le
comportement mécanique peut être adapté en fonction de la performance
souhaitée.
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Les compositions comprennent de préférence des fibres d'alcool polyvinylique
(PVA).
Les fibres PVA ont généralement une longueur de 6 à 12 mm. Elles ont
généralement
un diamètre de 0,1 à 0,3 mm.
L'utilisation de mélanges de fibres ayant des propriétés et des longueurs
différentes
permet la modification des propriétés du béton qui les contient.
Des ciments qui conviennent au béton selon l'invention sont les ciments
Portland
sans fumée de silice décrits dans l'ouvrage Lea's Chemistry of Cement and
Concrete . Les ciments Portland incluent les ciments de laitier, de
pouzzolane, de
cendres volantes, de schistes brûlés, de calcaire et les ciments composites.
Un ciment
préféré pour l'invention est le CEM I. Le ciment du béton selon l'invention
est par
exemple un ciment blanc.
Le rapport massique eau/ciment du béton selon l'invention peut varier si des
substituts au ciment sont utilisés, plus particulièrement des matériaux
pouzzolaniques.
Le rapport eau/liant est défini comme le rapport massique entre la quantité
d'eau E et la
somme des quantités de ciment et de tous matériaux pouzzolaniques : il est
généralement de 15 à 30 %, de préférence de 20 % à 25 %, pourcentage en masse.
Le
rapport eau/liant peut être ajusté en utilisant, par exemple, des agents
réducteurs d'eau
et/ou des superplastifiants.
Dans l'ouvrage "Concrete Admixtures Handbook, Properties Science and
Technology", V.S. Ramachandran, Noyes Publications, 1984:
Un réducteur d'eau est défini comme un additif qui réduit la quantité d'eau de
mélange pour un béton pour une ouvrabilité donnée typiquement de 10 à 15 %.
Les
réducteurs d'eau comprennent, par exemple, les lignosulfates, les acides
hydroxycarboxyliques, les hydrates de carbone, et d'autres composés organiques
spécialisés, par exemple le glycérol, l'alcool polyvinylique, le sodium
alumino-méthyl-
siliconate, l'acide sulfanilique et la caséine.
Les superplastifiants appartiennent à une nouvelle classe de réducteurs d'eau
chimiquement différents des réducteurs d'eau normaux et capables de réduire la
quantité d'eau de mélange d'environ 30 %. Les superplastifiants ont été
classés de
façon générale en quatre groupes : condensat de naphtalène formaldéhyde
sulfoné (ou
SNF, acronyme anglais pour Sulphonated Naphtalene Formaldehyde condensate)
(généralement un sel de sodium) ; condensat de mélamine formaldéhyde sulfoné
(ou
SMF, acronyme anglais pour Sulphonated Melamine Formaldehyde condensate) ; des
lignosulfonates modifiés (ou MLS, acronyme anglais pour Modified
Lignosulfonates) ; et
autres. Des superplastifiants de nouvelle génération comprennent des composés
polycarboxyliques tels que les polyacrylates. Le superplastifiant est de
préférence une
nouvelle génération de superplastifiant, par exemple un copolymère contenant
du
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polyéthylène glycol comme greffon et des fonctions carboxyliques dans la
chaîne
principale telle qu'un éther polycarboxylique. Des polysulphonates-
polycarboxylate de
sodium et des polyacrylates de sodium peuvent également être utilisés. La
quantité de
superplastifiants généralement requis dépend de la réactivité du ciment. Plus
la
réactivité du ciment est faible, plus la quantité requise de superplastifiant
est faible. Afin
de réduire la quantité totale d'alcalins, le superplastifiant peut être
utilisé comme un sel
de calcium plutôt que d'un sel de sodium.
D'autres additifs peuvent être ajoutés au béton mis en oeuvre dans le procédé
selon
l'invention, par exemple, un agent antimousse (par exemple, du
polydiméthylsiloxane). Il
s'agit également des silicones sous la forme d'une solution, d'un solide ou de
préférence
sous la forme d'une résine, d'une huile ou d'une émulsion, de préférence dans
l'eau.
La quantité d'un tel agent dans la composition est généralement au plus de 5
parties en masse par rapport à la masse du ciment.
Les bétons mis en oeuvre dans le procédé selon l'invention peuvent également
comprendre des agents hydrophobes pour augmenter la répulsion de l'eau et
réduire
l'absorption de l'eau et la pénétration dans des structures solides comprenant
des
bétons selon l'invention. De tels agents comprennent les silanes, les
siloxanes, les
silicones et les siliconates ; des produits disponibles dans le commerce
comprennent
des produits liquides et solides diluables dans un solvant, par exemple en
granulés.
Le béton mis en oeuvre dans le procédé selon l'invention peut être préparé par
des méthodes connues, notamment le mélange des composants solides et de l'eau,
la
mise en forme (moulage, coulage, injection, pompage, extrusion, calandrage)
puis le
durcissement.
Afin de préparer le béton mis en oeuvre dans le procédé selon l'invention, les
constituants et les fibres de renfort sont mélangés avec de l'eau. L'ordre
suivant de
mélange peut, par exemple, être adopté : mélange des constituants pulvérulents
de la
matrice ; introduction de l'eau et d'une fraction, par exemple la moitié, des
adjuvants ;
mélange ; introduction de la fraction restante des adjuvants ; mélange ;
introduction des
fibres de renfort et des autres constituants ; mélange.
Des moyens de renfort utilisés en association avec le béton mis en oeuvre dans
le
procédé selon l'invention comprennent également des moyens de renfort par
précontrainte, par exemple, par fils adhérents ou par torons adhérents, ou par
post-
tension, par des torons non adhérents ou par des câbles ou par des gaines ou
des
barres, le câble comprenant un ensemble de fils ou comprenant des torons.
Dans le mélange des composants du béton mis en oeuvre dans le procédé selon
l'invention, les matériaux sous forme de particules autres que le ciment
peuvent être
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introduits comme pré-mélanges ou premix sec de poudres ou de suspensions
aqueuses
diluées ou concentrées.
Les surfaces spécifiques des matériaux sont mesurées par la méthode BET en
utilisant un appareil Beckman Coulter SA 3100 avec de l'azote comme gaz
adsorbé.
De préférence le béton mis en oeuvre dans le procédé selon l'invention est un
béton
autoplaçant, c'est-à-dire qu'il se met en place sous le seul effet de la
gravité sans qu'il
soit nécessaire de le vibrer. Notamment, le béton selon l'invention est un
béton
autoplaçant tel que décrit dans les documents EP981506 ou EP981505.
L'invention a également pour objet une utilisation d'un film polymère obtenu
par
polymérisation sous l'action de radiations et d'une couche mince
photovoltaïque, pour
produire de l'électricité sur une surface en béton.
L'invention a également pour objet un élément pour le domaine de la
construction
comprenant un béton photovoltaïque selon l'invention tel que défini ci-dessus.
Par l'expression élément pour le domaine de la construction , on entend
selon la
présente invention tout élément d'une construction comme par exemple une
fondation,
un soubassement, un mur, une poutre, un pilier, une pile de pont, un parpaing,
un bloc,
un poteau, un escalier, un panneau (notamment un panneau de façade), une
corniche,
une tuile ou un toit terrasse.
Le béton photovoltaïque selon l'invention pourrait éventuellement être utilisé
dans
les "éléments minces", par exemple ceux ayant un rapport entre la longueur et
l'épaisseur supérieur à environ 10, ayant généralement une épaisseur de 10 à
30 mm,
par exemple, des éléments de revêtement.
L'invention a enfin pour objet un procédé de fabrication de l'élément ci-
dessus,
comprenant le procédé décrit ci-avant.
Dans la présente description, y compris les revendications, sauf indication
contraire,
les pourcentages sont indiqués en masse.
L'invention sera décrite plus en détail au moyen des exemples suivants, donnés
à
titre non limitatif, en relation avec la figure 1 qui illustre le dispositif
de mesure de la
perméabilité d'un béton.
EXEMPLES
Les exemples qui suivent montrent comment la surface du béton revêtu selon
l'invention
résiste aux conditions de dépôt de couches minces photovoltaïques tout en
permettant
d'obtenir des propriétés de surfaces adéquates pour les applications
photovoltaïques.
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Formulation de béton (1) à ultra haute performance :
La formulation (1) de béton à ultra haute performance utilisée pour réaliser
les
essais est décrite dans le tableau (1) suivant :
Tableau (1)
Composants Proportion
(`)/0 en masse par rapport à la
masse de la composition)
Ciment Portland 31,0
Filler calcaire DURCAL 1 9,3
Fumées de silice MST 6,8
Sable BE01 44,4
Eau de gâchée 7,1
Adjuvant Ductal F2 1,4
Les composants utilisés sont disponibles auprès des fournisseurs suivants :
(1) Ciment Portland blanc CEM I 52.5 PMES : Lafarge-France Le Teil
(2) Filler calcaire DURCAL 1 (taille moyenne de particules de 2,44 pm) : OMYA
(3) Fumées de silice MST : SEPR (Société Européenne des Produits Réfractaires)
(4) Sable BE01 (D50 à 307 pm et D10 à 253 pm) : Sibelco France (Carrière de
SIFRACO
BEDOIN)
(5) Adjuvant Ductal F2 : Chryso
Le ciment Portland est du type CEM I 52,5 PMES selon la norme EN 197-1 dé
février 2001. L'adjuvant Ductal F2 est un superplastifiant comprenant un
polycarboxylate
polyoxyalkylène en phase aqueuse à 30% d'extrait sec. La fumée de silice
possède une
taille médiane des particules d'environ 1 micromètre. Le rapport eau/ciment
est de 0,26.
Il s'agit d'un béton ayant une résistance à la compression à 28 jours
supérieure à 100
MPa.
Le béton à ultra haute performance selon la formulation (1) a été réalisé au
moyen
d'un malaxeur de type RAYNERI. L'ensemble de l'opération a été réalisé à 20 C.
La
méthode de préparation comprend les étapes suivantes :
= A T = 0 seconde : mettre le ciment, le filler calcaire, les fumées de
silice et
le sable dans le bol malaxeur et malaxer durant 7 minutes (15 tours/min) ;
= A T = 7 minutes : ajouter l'eau et la moitié de la masse d'adjuvant et
malaxer pendant 1 minute (15 tours/min) ;
= A T = 8 minutes : ajouter le restant d'adjuvant et malaxer pendant 1
minute
(15 tours/min) ;
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= A T = 9 minutes : malaxer pendant 8 minutes (50 tours/min) ;
= A T = 17 minutes : malaxer pendant 1 minute (15 tours/min).
= A partir de T = 18 minutes : couler le béton à plat dans le ou les moules
prévus à cet effet.
Des plaques (dimensions 150x100x10 mm) ont été réalisées par moulage du béton
selon la formulation (1) dans un moule en polychlorure de vinyle (PVC). Chaque
plaque
a été démoulée 18 heures après le contact entre le ciment et l'eau. Chaque
plaque
démoulée a été stockée à 25 C pendant 14 jours.
Après le stockage de 14 jours, un traitement de surface des plaques a été
réalisé.
Le revêtement (1) selon l'invention a été appliqué sur une face de la première
plaque.
Les revêtements (2) et (3) de comparaison ont été appliqués sur une face de la
deuxième et de la troisième plaque. Aucun revêtement n'a été disposé sur la
quatrième
plaque.
Procédé de dépôt d'un revêtement (1) selon l'invention d'une composition
comprenant
des monomères et/ou des prépolymères réactifs :
Les composés chimiques suivants ont été utilisés pour réaliser le revêtement
(1) :
Tableau (2)
Composition du revêtement (1)
Nom Commercial Nom chimique % en
masse
PhotomerTM 6010 * Oligomère d'urethane acrylate 70
PhotomerTM 4071 F* Methyl pentanediol diacrylate 10
(MPDDA)
PhotomerTM 3016 F* Oligomère d'epoxy acrylate 15
I rgacure TM 184* 1-hydroxy-cyclohexyl-phenylcétone 5
*Les PhotomerTm sont commercialisés par la société IGM Resins. Le IrgacureTm
est commercialisé par la société Ciba.
Les composés du revêtement (1) ont été chargés dans un mélangeur, puis agités
à température ambiante jusqu'à l'obtention d'un mélange homogène. Le mélange
était
stable et il a pu être conservé plusieurs mois à température ambiante et à
l'abri de la
lumière directe du soleil. Ce mélange a été appliqué sur le béton (1) à ultra-
haute
performance, à l'aide d'un rouleau applicateur puis mis à polymériser sous
l'action des
radiations UV. Les UV permettent de décomposer le photo-initiateur ce qui
conduit à la
polymérisation des fonctions acryliques.
La polymérisation a été réalisée à une vitesse de passage sous la lampe UV de
5
mètres/minute à 30 mètres/minute, la dose d'énergie reçue était suffisante
pour obtenir
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la polymérisation la plus complète possible et éviter tout effet collant à la
surface du film
de polymère.
Procédé de dépôt d'un revêtement (2) de comparaison :
Le procédé a été réalisé à 20 C et comprenait, après une attente de 14 jours
après
le démoulage du béton à traiter, le dépôt, sur la face de l'élément de béton à
traiter,
d'une émulsion aqueuse (composée de méthacrylate de butyle, d'esters
aliphatiques,
d'acides carboxyliques et d'éther glycol), correspondant au produit
PROTECTGUARD TM
Effet Mouillé Brillant commercialisé par la société Guard Industrie. Le
revêtement a été
déposé au moyen d'un rouleau humidifié par ce liquide. Deux couches ont été
déposées
(2 heures entre chaque application).
Procédé de dépôt d'un revêtement (3) de comparaison :
Le procédé a été réalisé à 20 C et comprend, après une attente de 14 jours
après
le démoulage du béton à traiter, le dépôt, sur la face de l'élément de béton à
traiter,
d'une première couche d'un polymère acrylique dilué dans un solvant aqueux
(correspondant au produit Solarcir Primer Protec TM commercialisé par la
société Grace-
Pieri). L'émulsion a été pulvérisée en une quantité de 40 g/m2. Ce procédé
comprenait
ensuite une attente de 24 heures à partir du séchage de la première couche,
puis le
dépôt d'une seconde couche à base de polyuréthane (correspondant au produit
Solarcir
Protec Mat TM commercialisé par Grace-Pieri). Cette seconde couche a été
pulvérisée
en une quantité de 80 g/m2.
Les plaques ont ensuite été utilisées pour réalisées les différentes tests et
mesures
décrits ci-après.
Durabilité de l'aspect visuel de surface :
Après le traitement de surface, des plaques ont été stockées à 200 C pendant 2
heures sous vide partiel (pression < 0.1 atmosphère) pour vérifier la
résistance à la
déformation des surfaces dans un environnent contraignant, proche de celui
requis pour
le dépôt de couches minces photovoltaïques. Une inspection visuelle a ensuite
été
réalisée pour examiner les surfaces des plaques et détecter de possibles
défauts. Les
résultats des inspections visuelles sont présentés dans le tableau (3) suivant
:
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Tableau (3)
Inspection visuelle après 2 plaque avec le plaque avec le
plaque avec le
heures à 200 C et sous revêtement (1) revêtement (2)
revêtement (3) de
vide partiel selon l'invention de
comparaison
comparaison
Formation de bulles Pas de formation
Formation de bulles
de bulles dans le dans le revêtement
revêtement
Formation de taches Non Oui Oui
sombres et claires
Le béton recouvert du revêtement (1) selon l'invention ne présente pas de
tache ni
de bulle alors que les bétons recouverts du revêtement (2) ou (3) de
comparaison
présentent au moins un de ces défauts.
Variation de la rugosité et résistance à la déformation :
Des mesures de rugosité moyenne (paramètre Ra) de la face traitée des plaques
(et de la plaque non revêtue) ont été réalisées avant et après stockage à 200
C pendant
2 heures sous vide partiel (pression < 0,1 atmosphère) pour vérifier la
résistance à la
déformation des surfaces dans un environnent contraignant, proche de celui
requis pour
le dépôt de couches minces photovoltaïques. Les résultats des mesures de
rugosité
sont présentés dans le tableau (4) suivant :
Tableau (4)
Mesure par plaque avec le plaque avec le plaque avec
le plaque sans
profilométrie de la revêtement (1) revêtement (2) revêtement
(3) revêtement
rugosité moyenne selon l'invention de
comparaison de comparaison
(Ra)
Avant stockage 0,5 pm 1,0 pm (+1-0,5 2,0 pm
1,0 pm
durant 2 heures à (+/-0,1) Pm) (+/- 0,5 pm) (+/- 0,5
pm)
200 C et sous vide
partiel
Après stockage 0,5 pm 1,5 pm > 5 pm 1,5 pm
durant 2 heures à (+1-0,1) (+1-0,5 pm) (+1-0,5 pm)
200 C et sous vide
partiel
Le béton recouvert du revêtement (1) selon l'invention ne présente pas de
variation
de rugosité moyenne (Ra) alors que les bétons recouverts du revêtement (2) ou
(3) de
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comparaison présentent une plus forte déformation de surface ; le béton
recouvert du
revêtement (1) est donc plus favorable au dépôt de couche mince
photovoltaïque. Le
béton non recouvert par un revêtement présente une rugosité moyenne plus
importante
que celle du béton recouvert du revêtement (1), ce qui est moins favorable au
dépôt de
couche mince photovoltaïque.
Dureté et résistance à la rayure :
Après le traitement de surface, des plaques ont été soumises à un test de
résistance à la rayure (selon la norme ISO 2409:2007 (Peintures et vernis -
essai de
quadrillage) consistant à effectuer un quadrillage en réalisant des incisions
parallèles et
perpendiculaires dans le revêtement.
Après la réalisation des incisions, une photographie de la surface de chaque
plaque
a alors été prise. Les résultats d'une comparaison visuelle des deux
photographies ont
été présentés dans le tableau (5) suivant :
Tableau (5)
Inspection visuelle Plaque avec le revêtement Plaque avec le
revêtement
(1) (3) de comparaison
selon l'invention
Aspect après les incisions Légère dégradation visible Dégradation du
du revêtement, les fines revêtement, les
larges
incisions ne pénètrent pas incisions pénètrent
jusqu'au béton jusqu'au béton
Le béton recouvert du revêtement (1) présente des propriétés de surface
permettant de résister aux rayures, aucune incision n'ayant entaillé toute
l'épaisseur du
revêtement.
Porosité ouverte de surface et perméabilité aux liquides
La figure 1 représente le dispositif 10 utilisé pour la réalisation d'une
mesure de la
perméabilité d'une plaque 12, cette mesure de perméabilité à l'eau étant
capable de
caractériser la porosité résiduelle de la surface du béton (avec/sans
revêtements). La
plaque 12 est disposée sur des entretoises 14 à environ 5 mm d'un support 16
horizontal. La face traitée de la plaque 12 est la face supérieure 18. Un
entonnoir
tronconique 20 d'axe vertical est placé sur la face supérieure 18, l'extrémité
de grand
diamètre de l'entonnoir 20 étant en contact avec la face supérieure 18. Le
plus grand
diamètre de l'entonnoir est de 75 mm. Un joint d'étanchéité 22 recouvre la
zone de
contact entre l'entonnoir 20 et la face 18. L'extrémité de plus petit diamètre
de
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l'entonnoir 20 se prolonge par une pipette graduée 24. Un joint d'étanchéité
26 recouvre
la zone de contact entre l'entonnoir 20 et la pipette 24.
L'essai de mesure de la perméabilité a été réalisé pour chaque plaque après le
traitement de surface en utilisant le dispositif de test de la figure 1 à une
température de
20 C et une humidité relative de 65 (Yo. De l'eau a été versée dans la
pipette 24 de
façon à remplir l'entonnoir 20 et la pipette 24 jusqu'à une hauteur de 250 mm
par
rapport à la face 18. L'évolution de la quantité d'eau pénétrant dans la
plaque a été
mesurée sur la pipette 24. Les résultats ont été présentés dans le tableau (6)
suivant :
Tableau (6)
Quantité d'eau pénétrant la :
Instant
plaque avec le plaque avec le plaque avec le
de plaque sans
revêtement (1) selon revêtement (2) de revêtement (3) de
mesure revêtement
l'invention comparaison comparaison
(heures) (mL/cm2)
(mL/cm2) (mL/cm2) (mL/cm2)
0 0 0 0 0
96 0,05 0,40 0,60 0,30
120 0,05 0,40 0,60 0,30
144 0,05 0,40 1,10 0,30
168 0,05 0,70 1,10 0,30
192 0,05 0,70 1,10 0,30
216 0,06 0,90 1,70 0,60
Le béton recouvert du revêtement (1) selon l'invention est donc plus
imperméable
que le béton recouvert du revêtement (2) ou (3) de comparaison, et également
plus
imperméable que le béton non recouvert par un revêtement. La forte
imperméabilité de
la plaque revêtue (1) selon l'invention traduit une très faible porosité
ouverte de surface,
ce qui est très favorable au dépôt de couche mince photovoltaïque permettant
de former
le béton photovoltaïque selon l'invention.
Pour être capable de supporter un dépôt homogène de couche mince
photovoltaïque, notamment lors de phases de dépôt s'effectuant sous vide
partiel (10-4
Torr) et avec une température du béton portée à environ 200 C (ou plus), le
béton
devrait avantageusement être :
- le plus lisse et ne pas présenter de déformation de surface (tableaux 3
et 4),
- être le plus résistant possible aux rayures (tableau 5),
- présenter une porosité ouverte de surface la plus faible possible
(tableau 6).
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A la lecture des résultats, le béton à ultra haute performance de formulation
(1)
recouvert du revêtement (1) est celui qui présente les meilleures
caractéristiques de
surface pour recevoir un dépôt in-situ de couche mince photovoltaïque.
Après avoir sélectionné le revêtement (1) pour recouvrir une surface du béton
à
ultra haute performance de formulation (1), des essais de dépôt d'une couche
conductrice pour réaliser le contact arrière des couches minces
photovoltaïques ont été
réalisés avec différents matériaux et selon différents procédés.
1) 1er essai de dépôt de Molybdène par pulvérisation cathodique (dépôt n 1) :
Le dépôt a été effectué par pulvérisation cathodique sur deux substrats de
béton de
formulation (1) recouvert du revêtement (1), sous une pression de 2 mTorr et
un flux
d'argon de 20 sccm. Le plasma d'Argon a été créé à l'aide de radiofréquences
(13.56
MHz) d'une puissance de 300 W.
Une fois ces paramètres stabilisés, la cible de Molybdène a été exposée au
flux
d'ions argon, ce qui a engendré une vitesse de dépôt de 22,2 nm/min. Les deux
substrats ont été montés sur un porte-échantillon rotatif qui tourne à 5 rpm
environ, et
laissé 13'30" sous le flux de molybdène pour obtenir une couche de 300 nm
d'épaisseur.
En termes de rugosité, le Ra après dépôt est de 0,03 pm ; la planéité du
dépôt n 1 est bien conservée d'après les observations au profilomètre et au
microscope
électronique à balayage. Ces deux nouveaux substrats sont donc aptes à
supporter un
futur dépôt de couches CZTS en vue d'obtenir le béton photovoltaïque selon
l'invention.
2) 1er essai de dépôt d'or par évaporation sous vide (dépôt n 2) :
Le substrat de béton de formulation (1) recouvert du revêtement (1) a au
préalable
été traité durant cinq minutes par un plasma de d'02 généré à environ 0,1 mbar
par des
radiofréquences à 100 W, avec un flux d'02 de 5 sccm.
Une fois ce traitement effectué, la chambre a été passée en vide secondaire
(de 10
à 2 mbar) et l'or s'est évaporé. Le substrat a alors été placé sous la source
d'or lorsque
la sublimation a commencé sous l'effet du chauffage provoqué par
l'échauffement d'un
filament de tungstène.
Un premier dépôt d'or par évaporation a donc été effectué. Des problèmes de
calibration de balance à quartz et de stabilité de la sublimation ont entrainé
un dépôt
d'or de 730 nm, une épaisseur inutilement élevée et donc peu uniforme.
Néanmoins, les mesures par profilométrie ont montré que le dépôt n 2 était
aussi
lisse que celui du Molybdène (Ra = 0.034 pm) et donc potentiellement apte à
supporter
un futur dépôt de couches CZTS en vue d'obtenir le béton photovoltaïque selon
l'invention.
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3) 2ème et 3ème essais de dépôt d'or par évaporation sous vide (dépôts n 3 et
n 4)
Après calibration de l'appareil, des dépôts par évaporation de plus fines
couches
d'or, respectivement de 55 et 150 nm, ont été réalisés selon un procédé
identique à
celui décrit ci-dessus pour le dépôt n 2.
Mesure de "résistivité"
En appliquant une tension et en mesurant le courant il a été possible de
mesurer la
résistance des dépôts métalliques et ainsi de remonter de manière très
approximative à
leur résistivité, notamment en utilisant la méthode de Van der Pauw.
Ces mesures de résistivité sont réunies dans le tableau ci-après :
.
Méthode de épaisseur Rugosité résistance résistivité
Dépôt Métal(Ra en
dépôt (nm) Pm) () (.cm)
Pulvérisation
n 1 Mo 300 0.03 4,17 5,7E-04
cathodique
Dépôt par
n 2 Au . 730 0.034 1,67E+05 5,5E+01
evaporation
Dépôt par
n 3 Au ,Dépôt par 0.07 4 1,0E-04
evaporation
n 4 Au ,Dépôt par
150 0.09 0.9 6,1E-05
evaporation
Ces mesures de résistivité ont permis de constater que les dépôts n 1 et n 3
étaient
conducteurs mais que le dépôt n 2 ne l'était pas.
L'aspect mat et sombre du premier dépôt par évaporation d'or (dépôt n 2)
laisse à
penser que le revêtement de polymère (1) s'est dégradé au cours du dépôt, et
qu'une
partie de ce revêtement isolant s'est mêlé à l'or pulvérisé, rendant ainsi le
dépôt d'or
beaucoup plus résistif.
Les dépôts n 1 (molybdène) et n 3 et 4 (or), de plus faible épaisseur que le
dépôt
n 2, sont mieux maitrisés, et présentent une résistivité correcte compatible
avec des
applications de couches minces photovoltaïques décrites dans l'état de la
technique.
Test d'adhérence
Les tests d'adhérence effectués selon la norme ASTM D 3359 ont démontré que
les
couches de molybdène et d'or avaient toute bien adhérées avec le substrat de
béton de
formulation (1) recouvert du revêtement de polymère (1).
Des essais de dépôt de couches CZTS ont ensuite été réalisés sur certaines
couches conductrices décrites ci-dessus.
4) Dépôt de couches CZTS sur substrats de béton de formulation (1) recouvert
du
revêtement de polymère (1) préalablement recouverts d'une couche de molybdène
(dépôt n 1) ou d'une couche d'or (dépôt n 3)
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Les couches de CZTS ont été déposées en deux temps :
4.1. D'abord il a été réalisé une co-évaporation de ZnS, de Cu2S et de SnS.
Ces
trois composés métalliques ont été chauffés par conduction dans des creusets
sous
vide, la pression lors du dépôt était de l'ordre de 10-6 mbar, celle-ci
pouvait monter à
5x10-6 mbar voire plus lors du dépôt mais ne devait pas dépasser 1x10-6 mbar.
Les
vitesses de dépôt (en nm/s) et températures des métaux ( C) sont indiquées
dans le
tableau ci-dessous :
SnS Cu2S ZnS
T ( C) 570 1210 900
n m/s 0.49 0.23 0.32
Le but était d'obtenir du Cu2ZnSnS4, les ratios de vitesses théoriques étaient
que:
- le dépôt de SnS se faisait 1,22 fois plus vite que le ZnS, et que
- le dépôt de Cu2S se faisait 1,2 fois plus vite que le ZnS.
4.2. Une fois le dépôt réalisé, une couche de Cu2-xZnSn1+yS3+z a été obtenue.
Il
a alors été effectué une sulfurisation. Pour cela, les échantillons ont été
placés dans un
four avec des creusets contenant du soufre solide. L'atmosphère du four était
un flux de
diazote de manière à stabiliser la pression à 1 mTorr. Les échantillons ont
chauffé 1
heure à 60 C, puis 3 minutes à 120 C et enfin un quart d'heure à 500 C.
Caractéristiques après dépôt :
Des mesures de composition chimiques par spectroscopie électronique de rayons
X
(XPS) ont permis de confirmer que les différentes couches avaient été bien
déposées
sur les substrats de béton de formulation (1) recouvert du revêtement de
polymère (1)
préalablement recouverts d'une couche de molybdène (dépôt n 1) ou d'une couche
d'or
(dépôt n 3).
Les mesures par profilométrie donnent une rugosité finale (Ra) après dépôt du
CZTS de 0.35 pm dans les deux cas.
Le dépôt de couches minces CZTS réalisé est susceptible de servir de base à la
réalisation d'une cellule photovoltaïque complète.
