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Description
Titre : Liant hydraulique pour composition de mortier
La présente invention porte sur un liant hydraulique
pour composition de mortier à base d'un sous-produit de
l'industrie, sur une composition de mortier comprenant ledit
liant, ainsi que sur des produits pour le sol ou des mortiers
techniques ou mortiers à prise rapide obtenus à partir d'une
telle composition.
De nombreuses compositions de mortier utilisées dans le
domaine de la construction mettent en uvre des ciments de
type alumineux (ou encore connus sous l'abréviation CAC pour
ciments d'aluminates de calcium ) ou sulfoalumineux (ou
encore connus sous l'abréviation CSA pour ciments de
sulfoaluminates de calcium ). Ces types de ciments CAC sont
développés depuis de nombreuses années et leur utilisation
est aujourd'hui répandue. En effet, ces ciments permettent
notamment de raccourcir les temps de prise et donc
d'accélérer le durcissement de la composition mais également
de maitriser les variations dimensionnelles lors du
durcissement ou également de renforcer la résistance
mécanique. Ainsi les ciments alumineux ou sulfoalumineux
sont utilisés en mélange avec des ciments Portland pour
atteindre des prises rapides. Le pouvoir accélérateur du
système binaire dépend du ratio CAC/OPC. Il est également
connu que les ciments alumineux ou sulfoalumineux sont
utilisés en mélange avec des sources de sulfate de calcium
et éventuellement du ciment Portland pour maîtriser les
variations dimensionnelles ou encore pour obtenir un
durcissement endogène rapide.
Une des préoccupations actuelles reste de réduire de
façon importante l'empreinte carbone des produits pour la
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construction. Les procédés de fabrication de clinker
nécessitent des opérations de décarbonatation, de
calcination, de clinkérisation par chauffage, notamment à
des températures très élevées de l'ordre de 1450 C. Les
ciments alumineux et Portland sont par exemple à l'origine
d'émissions d'environ 800 kg de CO2 par tonne de ciment
produit. Ils sont également consommateurs de ressources
énergétiques et naturelles.
Une solution alternative aux ciments alumineux ou
sulfoalumineux présenterait donc un intérêt potentiel pour
les industriels. C'est dans ce cadre que s'inscrit la
présente invention qui propose un liant hydraulique à base
d'un sous-produit de l'industrie, considéré comme un sous-
produit donc peu ou pas valorisé jusqu'à aujourd'hui. Le
procédé de préparation du sous-produit en vue de son
utilisation dans des matériaux de construction génère une
quantité moindre d'émissions de CO2 et donc permet
d'améliorer le bilan carbone.
La présente invention porte sur un liant hydraulique
pour composition de mortier, qui comprend au moins un laitier
de poche ayant une distribution granulométrique en volume
telle que le D50 est inférieur à 40 pm.
Un laitier est un sous-produit d'un procédé industriel
mettant en uvre la fusion d'une matière de départ, fusion
destinée à séparer des métaux d'une phase d'oxydes, cette
dernière étant appelée laitier .
Les laitiers de poche sont des laitiers sidérurgiques,
issus de la métallurgie secondaire de l'acier. Plus
précisément, l'acier de conversion (issu d'une aciérie de
conversion de la fonte, notamment dans un convertisseur à
oxygène) ou l'acier dit électrique (issu d'une aciérie
électrique, notamment par la fusion de ferrailles dans un
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four à arc) est coulé en poche et transféré dans une
installation appelée four poche . Généralement équipé de
trois électrodes de graphite, le four poche permet la mise
à nuance désirée par des compléments d'addition et de
désoxydation et assure le maintien de la température.
L'homogénéisation de l'acier liquide est assurée par un
brassage gazeux à l'argon ou à l'azote. Le laitier de poche
est le laitier issu du four poche.
Les laitiers de poche se distinguent, par leur
composition chimique et minéralogique, des autres laitiers
sidérurgiques, à savoir les laitiers de haut-fourneau et les
autres laitiers d'aciérie que sont les laitiers d'aciérie de
conversion (souvent appelés laitiers LD ) et les laitiers
d'aciérie électrique. Par exemple, les laitiers de haut-
fourneau utilisés dans les liants hydrauliques sont
généralement amorphes (vitreux) car ils ont été
granulés , c'est-à-dire refroidis brutalement
par
arrosage. Les laitiers de poche sont en outre plus basiques
que les laitiers d'aciérie électrique. On notera toutefois
que les laitiers de poche ont des compositions chimiques et
minéralogiques différentes selon leur provenance, en
fonction notamment des compléments d'addition et de
désoxydation employés.
Afin de le rendre réactif, le laitier de poche est broyé
pour obtenir des particules très fines. Cette opération de
broyage est à prendre en considération pour calculer
l'empreinte carbone lors de la fabrication du liant.
Toutefois si on la compare à l'empreinte carbone d'un procédé
de fabrication d'un ciment alumineux ou sulfoalumineux,
l'opération dc broyagc pormot dc réduire très fortement los
émissions de CO2.
Le laitier de poche utilisé dans l'invention présente
une distribution granulométrique en volume telle que le 950
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est inférieur à 40 um, de préférence inférieur à 20 um, et
notamment compris entre 8 et 15 um. Le 950 est la taille
telle que 50% en volume des particules ont une taille
inférieure à cette valeur 050. La distribution
granulométrique en volume est de préférence déterminée par
granulométrie laser (aussi appelée granulométrie par
diffraction laser). Cette finesse des particules permet
notamment de donner au laitier une bonne réactivité lui
permettant d'être utilisé dans une composition de mortier et
d'obtenir les propriétés attendues en termes de temps de
prise et de résistance mécanique. Le 090 est de préférence
inférieur à 100 pm, notamment inférieur à 60 um.
Les inventeurs ont pu mettre en évidence que de manière
surprenante un tel laitier pouvait se substituer,
partiellement ou totalement, aux ciments alumineux, en
conférant les mêmes propriétés d'accélération du
durcissement de la composition, de maitrise des variations
dimensionnelles lors du durcissement et d'amélioration de la
résistance mécanique. Ces propriétés
rendent
particulièrement avantageux l'ajout d'un tel liant dans des
compositions de mortier pour produits de sol, notamment des
chapes et des enduits, et de mortier à prise rapide.
Du fait de l'ajout complémentaire de chaux ou de dolomie
dans la poche, le laitier de poche est très riche en chaux.
Il est également riche en alumine.
Dans le présent document, les compositions chimiques
élémentaires sont données en % massiques équivalents
d'oxyde. Par exemple, dire qu'une substance contient X%
d'alumine signifie que cette substance contient l'élément
Aluminium en quantité équivalente à celle apportée par X%
d'alumine; cela ne signifie pas nécessairement que la
substance contient de l'alumine en tant que composé chimique
ou constituant minéralogique.
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Le laitier de proche présente de préférence une
composition chimique comprenant les constituants suivants,
dans les limites ci-après exprimées en pourcentages
pondéraux :
5 - SiO2 : 2-20%, notamment 5-15%, particulièrement 7-12%,
- CaO : 30-60%, notamment 40-55%
A1203 : 15-50%, notamment 20-48%, voire
25-45%,
particulièrement 30-40%.
Le laitier de poche peut également comprendre de la
magnésie (MgO), notamment en une teneur comprise entre 2 et
10%, voire entre 3 et 8%.
Afin de ne pas impacter négativement le temps de prise,
la teneur en oxyde de fer dans le laitier de poche est de
préférence inférieure à 5% en poids, notamment inférieure à
3% en poids, et même inférieure à 2% en poids.
Le laibler de --------------------- poche est de ------------------------------
---- préférehue cristallisé à au
moins 30%, notamment à au moins 50% ou 60%, voire à au moins
70% ou 75% en poids. Le taux de cristallisation peut être
évalué par diffraction des rayons X par la méthode de
Rietveld. Le taux de cristallisation dépendra en particulier
de la vitesse de refroidissement du laitier, un laitier
refroidi plus lentement développant plus de phases
cristallines.
De manière particulièrement avantageuse
pour
l'application visée, le laitier de poche comprend au moins
une phase cristalline de type aluminate de calcium (notamment
de type de CIA ou/et C12A7, cette dernière phase étant appelée
mayénite, ou/et C4AF), notamment en une teneur pondérale d'au
moins 10%, voire d'au moins 15% et même d'au moins 20%,
notamment comprise entre 10 et 60%, voire entre 30 et 55%.
De préférence, le laitier de poche comprend à la fois
une phase C3A et une phase C12A-7, en une teneur pondérale
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totale d'au moins 20%, notamment d'au moins 30%, en
particulier comprise entre 35 et 60%.
La réactivité du laitier de poche est en outre améliorée
s'il comprend en outre des phases cristallines de type
silicate de calcium (notamment de type C2S et/ou C3S). De
préférence, la teneur totale en phases cristallines de type
aluminate de calcium est toutefois supérieure à la teneur
totale en phases cristallines de type silicate de calcium.
Le liant comprend de préférence le laitier de poche et
au moins un des constituants suivants :
- un ou plusieurs ciments choisis parmi les ciments Portland,
les ciments bélitiques, les ciments alumineux ou
sulfoalumineux, les ciments de mélanges pouzzolaniques
comprenant éventuellement des cendres volantes, des fumées
de silice, du calcaire, du schiste calciné et/ou des
pouzzolanes naturelles ou calcinées, et/ou
- une source de sulfate de calcium choisie parmi le plâtre,
l'hémihydrate, le gypse et /ou l'anhydrite, seuls ou en
mélange.
Le liant selon la présente invention peut être un liant
binaire, dans le sens où il est le mélange de deux
constituants, ou un liant ternaire s'il s'agit d'un mélange
de trois constituants. Le liant peut également être plus
complexe dans sa composition et comprendre plus de trois
constituants différents, notamment quatre.
Dans un système binaire comprenant le laitier de poche
et un ciment, de façon avantageuse, le liant est constitué
de laitier de poche et de ciment Portland. Préférentiellement
dans un système binaire de ce type, la teneur en laitier de
poche est inférieure à 40% en poids, le reste étant le ciment
Portland. Encore plus préférentiellement, la teneur en
laitier de poche est inférieure à 20% en poids. Cette
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quantité limitée de laitier de poche permet de maintenir des
résistances mécaniques compatibles avec les applications
souhaitées.
Dans un système binaire constitué de laitier de poche et
d'une source de sulfate de calcium, la teneur en laitier de
poche peut être plus élevée. Un tel système peut comprendre
jusqu'à 90% en poids de laitier de poche, notamment de 50 à
80%, voire de 60 à 75% en poids, de laitier de poche, le
reste étant du sulfate de calcium.
Le liant peut également être avantageusement un liant
ternaire et être constitué de laitier de poche, de ciment
Portland et de sulfate de calcium. Les proportions relatives
de chacun des constituants peuvent varier en fonction de
l'application recherchée pour le mortier. Par exemple, le
liant peut comprendre entre 10 et 50% en poids de ciment
Portland, entre 30 et 70% en poids de laitier de poche, et
entre 10 et 50% en poids de sulfate de calcium.
Le liant selon la présente invention peut éventuellement
comprendre du ciment alumineux ou sulfoalumineux. Le liant
est alors un liant quaternaire constitué de laitier de poche,
de ciment Portland, de ciment alumineux et de sulfate de
calcium. Dans ce type de liant, le laitier de poche vient en
substitution partielle du ciment alumineux.
De manière particulièrement préférée, le liant selon
l'invention comprend (voire est constitué), en poids:
- de 5 à 80%, notamment de 10 à 70%, voire de 30 à 60% de
laitier de poche,
- de 0 à 50%, notamment de 2 à 35%, voire de 5 à 30% de
ciment Portland,
- de 1 à 50%, notamment de 5 à 45%, voire de 15 à 35% de
sulfate de calcium, et
- de 0 à 60%, notamment de 2 à 35%, voire de 5 à 20% de
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ciment alumineux. Un tel liant est en particulier adapté
pour des produits de sol.
Ainsi, de manière très avantageuse le liant comprend ou
est constitué, en poids, de 5 à 80% de laitier de poche, de
0 à 50% de ciment Portland, de 1 à 50% de sulfate de calcium
et de 0 à 60% de ciment alumineux. De manière encore plus
avantageuse, le liant comprend ou est constitué, en poids,
de 10 à 70% de laitier de poche, de 2 à 35% de ciment
Portland, de 5 à 45% de sulfate de calcium et de 2 à 35% de
ciment alumineux.
La présente invention porte également sur une
composition sèche de mortier comprenant un liant 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 sont des grains minéraux, notamment des grains de
pierre, graviers, gravillons, cailloux et/ou sables. 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 et/ou des fillers, mais pas de graves
ni de gravillons. La teneur totale en granulats est de
préférence comprise entre 40 et 90% en poids par rapport à
la composition sèche de mortier.
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Selon un exemple, la composition de mortier selon la
présente invention comprend un liant hydraulique binaire qui
est un mélange du laitier de poche et de ciment Portland.
Elle peut également comprendre un liant hydraulique
ternaire qui est le mélange de laitier de poche et de deux
autres liants choisis parmi :
- un ciment choisi parmi les ciments Portland, les ciments
bélitiques, les ciments alumineux ou sulfoalumineux, les
ciments de mélanges pouzzolaniques comprenant éventuellement
des cendres volantes, des fumées de silice, du calcaire, du
schiste calciné et/ou des pouzzolanes naturelles ou
calcinées, et/ou
- une source de sulfate de calcium choisie parmi le plâtre,
l'hémihydrate, le gypse et /ou l'anhydrite, seuls ou en
mélange.
De façon préférée, la composition de mortier selon la
présente invention comprend un liant hydraulique ternaire
qui est le mélange de laitier de poche, de ciment Portland
et d'une source de sulfate de calcium, notamment choisie
parmi le plâtre, l'hémihydrate, le gypse et /ou l'anhydrite,
seuls ou en mélange.
La composition de mortier peut en outre comprendre du
ciment alumineux ou sulfoalumineux. La composition de
mortier peut ainsi comprendre un liant hydraulique
quaternaire qui est le mélange de laitier de poche, de ciment
Portland, de ciment alumineux et d'une source de sulfate de
calcium.
Le liant selon l'invention représente de préférence
entre 10 et 60% en poids de la composition sèche de mortier
(donc du mélange sec total des différents constituants
pulvérulents), en fonction de l'utilisation choisie pour la
composition.
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De manière particulièrement préférée, la composition de
mortier comprend (en poids) de 0 à 7%, notamment de 3 à 6%,
de ciment Portland, de 1 à 35%, notamment de 8 à 15%, de
laitier de poche, de 1 à 15%, notamment de 5 à 10% de sulfate
5 de calcium, de 0 à 5%, notamment de 1 à 4% de ciment
alumineux, et de 40 à 90% de granulats. De telles
compositions de mortier sont particulièrement avantageuses
pour des produits de sol.
La composition de mortier selon la présente invention
10 peut comprendre un activateur choisi parmi les activateurs
connus pour leur utilisation dans les compositions pour
mortiers à base de liants ternaires ou de ciments.
La composition peut également comprendre un ou plusieurs
additifs, choisis parmi des agents rhéologiques, des agents
rétenteurs d'eau, des agents entraîneurs d'air, des agents
épaississants, des agents de protection biocides, des agents
dispersants, des pigments, des accélérateurs et/ou des
retardateurs, des résines polymériques, 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 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.
La présente invention porte également sur des produits
pour sols tels que des enduits ou chapes et également sur
des mortiers techniques (notamment les mortiers de
réparation) susceptibles d'être obtenus par gâchage avec de
l'eau de la composition de mortier sèche. Le liant selon
l'invention est également particulièrement intéressant dans
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le cas des mortiers à prise rapide, notamment mortiers de
jointoiement ou mortiers-colles. Ces produits de sol seront
traditionnellement obtenus par durcissement à l'air et à
température ambiante du mortier obtenu après gâchage. Par
exemple, les chapes ou enduits de sol sont obtenue 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.
A titre d'exemple, pour un enduit de sol auto lissant,
le début de prise est généralement inférieur à 2 heures. Les
valeurs d'étalement de la composition humide doivent être
généralement supérieures à 200 mm lorsqu'elles sont mesurées
à 2 minutes. La valeur d'étalement est déterminée en
utilisant un anneau ayant une hauteur de 35 mm et un diamètre
de 68 mm.
Le produit obtenu après séchage et durcissement de la
composition de mortier humide qui peut être un enduit de sol
ou une chape doit répondre à certaines caractéristiques
mécaniques. Par exemple, en ce qui concerne la France, la
résistance en flexion de ces produits doit notamment être
supérieure à 4 MPa après 28 jours, et la résistance en
compression doit être supérieure à 18 MPa après 28 jours
pour une classe P3.
Pour des applications pour sols, il est également
important que le retrait lors du séchage de la composition
humide soit contrôlé. Ce retrait est généralement inférieur
à 1 mm/m.
Les exemples ci-après illustrent l'invention sans en
limiter la portée.
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Le tableau 1 ci-après indique la composition de mortiers
pour produits de sol testés (en % massiques) ainsi que les
propriétés obtenues.
Dans ce tableau, CPC désigne du ciment Portland de type
CEM I, CAC 1 et CAC 2 sont deux types de ciment alumineux
(respectivement désignés commercialement HiPerCem et Ciment
Fondu), et le sulfate de calcium est un mélange d'anhydrite
et d'hémihydrate.
Le laitier de poche avait la composition pondérale
suivante : 8,8% SiO2, 31,5% A1203, 49,4% CaO, 6,4% MgO, 1,1%
h02, 1,1% Fe2O3 et 1,7% d'impuretés. Le laitier était très
majoritairement cristallisé, et contenait 30% de phase C12A1
(mayénite), 16% de phase C3A et 16% de phases C2S. Son D50,
déterminé par granulométrie laser, était de 9,8 pm et le D90
d'environ 42 pm.
L'exemple comparaLir Cl uLilise du cimenL alumineux,
mais pas de laitier de poche.
Le tableau indique l'étalement à 2 minutes, mesuré selon
la méthode mesurée précédemment, le début et la fin de prise,
déterminées par le test Vicat, les résistances en flexion et
compression à 1, 7 et 28 jours, mesurées selon la norme EN
13892-2 et le retrait à 28 jours, mesurée selon la norme
EN13872.
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[Table 1]
Cl 1 2 3 4
OPC 5,5 5,5 3,5 5,5 1
CAC 1 13 2 2
CAC 2 1 1
Laitier de poche 10 10 10 8
Sulfate Ca 6,9 6,9 6,9 6,9 6,9
Granulats 72 73 75 74
80,5
Additifs 2,6 2,6 2,6 2,6 2,6
Eau 20% 20% 20% 20% 20%
Étalement (2min)- 221 200 200 212
mm
Début de prise - 60 90 85 90 53
min
Fin de prise - min 70 95 90 95
Flexion lj - MPa 3,9 3,6 3,4 3,1 2,8
Flexion 7j - MPa 7,7 6,6 6,4 5,4 4,9
Flexion 28- MPa 10,0 8,5 8,1 7,7 5,8
Compression 1j-
16,2 14,9 13,0 13,8 12,2
MPa
Compression 7j-
27,1 27,8 28,1 25,7 25,6
MPa
Compression 28j - 37,1 31,4 34,1 34,4
28,9
MPa
Retrait 28j - mm/m -0,5 -0,3 -0,3 -0,4 -
0,2
Ces résultats montrent que la substitution de ciment
alumineux par du laitier de poche permet d'obtenir des
produits de sol particulièrement performants.
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