Introduction aux produits réfractaires réfractaires à faible teneur en ciment

Les bétons réfractaires à faible teneur en ciment sont comparés aux bétons réfractaires traditionnels à base de ciment alumineux. La teneur en ciment des bétons réfractaires traditionnels à base de ciment alumineux est généralement de 12 à 20 %, et leur teneur en eau de 9 à 13 %. En raison de la forte teneur en eau, le béton présente une porosité importante, une faible densité et une faible résistance. À l'inverse, la forte teneur en ciment permet d'obtenir des résistances élevées à basse et moyenne température, mais celles-ci diminuent à température moyenne en raison de la transformation cristalline de l'aluminate de calcium. Le CaO introduit réagit avec le SiO₂ et l'Al₂O₃ présents dans le béton pour former des composés à bas point de fusion, ce qui dégrade les propriétés du matériau à haute température.

Grâce à l'utilisation de poudres ultrafines, d'adjuvants à haute performance et d'une granulométrie scientifique, la teneur en ciment du béton réfractaire est réduite à moins de 8 % et la teneur en eau à ≤ 7 %, permettant ainsi la préparation d'un béton réfractaire à faible teneur en ciment. Sa teneur en CaO est ≤ 2,5 % et ses performances sont généralement supérieures à celles des bétons réfractaires à base de ciment aluminate. Ce type de béton réfractaire présente une bonne thixotropie : le matériau mélangé, ayant une forme définie, s'écoule sous l'effet d'une légère force extérieure et conserve sa forme initiale une fois cette force supprimée. C'est pourquoi on l'appelle également béton réfractaire thixotrope. Les bétons réfractaires auto-fluides appartiennent à cette catégorie. La définition précise des bétons réfractaires à faible teneur en ciment reste à établir. L’American Society for Testing and Materials (ASTM) définit et classe les bétons réfractaires en fonction de leur teneur en CaO.

La densité et la haute résistance sont les caractéristiques exceptionnelles des bétons réfractaires à faible teneur en ciment. Si cela améliore la durée de vie et les performances du produit, cela complexifie également la cuisson avant utilisation : un coulage intempestif peut facilement se produire. Le phénomène d'éclatement du béton peut nécessiter un nouveau coulage, voire, dans les cas les plus graves, mettre en danger la sécurité des personnes travaillant à proximité. C'est pourquoi de nombreux pays ont mené des études sur la cuisson des bétons réfractaires à faible teneur en ciment. Les principales mesures techniques consistent à élaborer des courbes de cuisson adaptées et à utiliser des agents antidéflagrants performants, afin d'assurer une élimination efficace de l'eau sans effets indésirables.

La technologie des poudres ultrafines est essentielle pour les bétons réfractaires à faible teneur en ciment (actuellement, la plupart des poudres ultrafines utilisées en céramique et en matériaux réfractaires ont une granulométrie comprise entre 0,1 et 10 µm et agissent principalement comme accélérateurs de dispersion et densificateurs structuraux). L'accélération de la dispersion permet une dispersion optimale des particules de ciment sans floculation, tandis que la densification structurale assure un remplissage complet des micropores du matériau coulé et améliore sa résistance.

Les poudres ultrafines couramment utilisées actuellement comprennent le SiO₂, l'α-Al₂O₃ et le Cr₂O₃. La surface spécifique de la micropoudre de SiO₂ est d'environ 20 m²/g et sa taille est environ 100 fois inférieure à celle des particules de ciment, ce qui lui confère d'excellentes propriétés de remplissage. De plus, les micropoudres de SiO₂, Al₂O₃ et Cr₂O₃ peuvent former des particules colloïdales dans l'eau. En présence d'un dispersant, une double couche électrique se forme à la surface des particules, générant une répulsion électrostatique qui surmonte les forces de van der Waals entre les particules et réduit l'énergie interfaciale. Ceci empêche l'adsorption et la floculation entre les particules ; simultanément, le dispersant s'adsorbe autour des particules pour former une couche de solvant, ce qui augmente également la fluidité du béton réfractaire. C'est également l'un des mécanismes de la poudre ultrafine : l'ajout de poudre ultrafine et de dispersants appropriés peut réduire la consommation d'eau des bétons réfractaires et améliorer leur fluidité.

La prise et le durcissement des bétons réfractaires à faible teneur en ciment résultent de l'action combinée de la liaison par hydratation et de la liaison par cohésion. L'hydratation et le durcissement du ciment d'aluminate de calcium sont principalement dus à l'hydratation des phases hydrauliques CA et CA2 et à la croissance cristalline de leurs hydrates. Ces phases réagissent avec l'eau pour former des particules hexagonales en forme de paillettes ou d'aiguilles (CAH10, C2AH8) et des produits d'hydratation tels que des cristaux cubiques (C3AH6) et des gels d'Al2O3aq. Ces produits forment ensuite un réseau interconnecté de condensation-cristallisation lors des phases de durcissement et de chauffage. L'agglomération et la liaison sont dues à la poudre ultrafine de SiO2 active qui forme des particules colloïdales au contact de l'eau et des ions issus de la dissociation lente de l'additif ajouté (c'est-à-dire la substance électrolytique). Les charges de surface des deux étant opposées, la surface colloïdale adsorbe des contre-ions, ce qui entraîne une diminution du potentiel et une condensation lorsque l'adsorption atteint le point isoélectrique. Autrement dit, lorsque la répulsion électrostatique à la surface des particules colloïdales est inférieure à leur attraction, une liaison cohésive se forme grâce aux forces de van der Waals. Après condensation du béton réfractaire mélangé à de la poudre de silice, les groupes Si-OH formés à la surface du SiO₂ se déshydratent et se lient entre eux, formant ainsi un réseau siloxane (Si-O-Si) et assurant le durcissement du matériau. Dans ce réseau, les liaisons silicium-oxygène restent stables malgré l'augmentation de la température, ce qui garantit une résistance mécanique accrue. Par ailleurs, à haute température, le réseau de SiO₂ réagit avec l'Al₂O₃ qu'il contient pour former de la mullite, améliorant ainsi la résistance mécanique à moyenne et haute température.