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Domaine d’utilisation des géopolymères
Les premières applications des géopolymères concerne le domaine des ciments, des céramiques, des matériaux composites de haute technicité pour l’industrie automobile, aéronautique et la défense, dans des peintures non-feu, thermodurcissables, sans solvant organique pour le bois et le métal, des biomatériaux pour prothèses osseuses, pour l’isolation thermique, des membranes de piles à combustible et des nouveaux ciments écologiques sans dégagement de gaz à effet de serre [18]. Les caractéristiques des géopolymères sont proches d’une pierre naturelle tout en assurant un développement durable sans émissions de CO2. Ils présentent en effet, une stabilité aux attaques acides et basiques [19], une résistance mécanique important [20], et une résistance au feu importante [21]. Ils présentent aussi une bonne stabilité à la température [2]. Ces géopolymères apparaissent comme une alternative prometteuse aux matériaux cimentaires traditionnels: stabilité hydrothermale et résistance aux milieux acides [22] et/ou réducteurs. Cette réorientation fut principalement due aux travaux de Wastiels et al [23], qui ont mis en évidence la possibilité de former des matériaux stables avec de hautes performances mécaniques.
Rôle des matières premières pour l’élaboration des géopolymères
Les géopolymères sont des matériaux minéraux aluminosilicatés de structure majoritairement amorphe, qui peuvent être décrites par un réseau tridimensionnel composé d’un enchaînement de tétraèdres SiO4 et MAlO4 (M, un cation alcalin, K+ ou Na+). Ils sont obtenus à température modérée à partir de la réaction d’une solution concentrée d’hydroxyde alcalin avec une source d’aluminosilicate [24]. Parmi les matières premières aluminosilicatées, les cendres volantes (fumée de combustion du charbon) et le métakaolin SELMANI Samira (kaolin calciné) sont les plus courants [25, 26], des argiles peuvent également être utilisées [27]. Des solutions d’hydroxyde alcalin (KOH et NaOH) fortement basiques sont généralement employées pour l’activation des matières premières. La forte basicité (pH = 14) des solutions d’activation va permettre l’altération chimique des matières premières telles que les argiles calcinées ou non. Les hydroxydes OHvont réagir facilement avec les cations de l’argile pour former des hydroxydes métalliques tels que des espèces de type silicate (Si(OH)4) ou aluminate (Al(OH)4-. Cette altération sera d’autant plus rapide que la quantité de phase amorphe présente dans les matières premières est importante [28]. Le traitement thermique des argiles (calcination entre 550 et 800 °C), qui a pour effet d’augmenter la quantité de phase amorphe permet d’améliorer leur dissolution par les hydroxydes alcalins [29]. Les propriétés des géopolymères vont donc dépendre à la fois de la source d’aluminosilicate [30], de la solution alcaline [31] (nature du cation M+ et concentration) et plus particulièrement des rapports Si/Al, Si/M+ et Si/H2O [32]. Ces rapports vont en effet déterminer le degré de polymérisation et la structure du matériau. A titre d’exemple, les travaux de Gao et al [33] ont mis en évidence dans le ternaire Si-Al-K/O plusieurs domaines d’existence de matériaux consolidés (Figure 3).
Définition d’une pouzzolane
Les mélanges de pouzzolane, de chaux et d’eau ont la propriété de durcir et constituent un liant qui était déjà utilisé à l’époque romaine. Les expressions réactivité pouzzolanique et activité pouzzolanique ont été étendues à tous les processus qui à la température ambiante transforment des mélanges de matériaux et de chaux en édifices durs et compacts. Il n’existe pas de définition précise d’une pouzzolane mais plutôt plusieurs définitions [52]. Une définition chimique : Une pouzzolane est un matériau, naturel ou artificiel, capable de réagir en présence d’eau avec l’hydroxyde de chaux pour donner naissance à des composés nouveaux, stables, peu solubles dans l’eau et possédant des propriétés liantes. Ce type de définition qualifie la pouzzolane à partir des a réactivité chimique par rapport à l’hydroxyde de calcium [53]. Une définition cinétique : Une pouzzolane est un matériau siliceux ou silico-alumineux qui ne possède par lui-même aucune ou à peu près aucune vertu liante mais qui, sous forme de poudre et en présence d’humidité, réagit chimiquement avec l’hydroxyde de calcium (portlandite) solubilisé à des températures ordinaires pour former des composés possédant des propriétés liantes. La spécificité de cette définition est que l’un des réactifs de la réaction pouzzolanique, la portlandite est aussi l’un des produits de la réaction d’hydratation du ciment. Le milieu réactionnel est le siège d’une cinétique chimique entre deux réactions dont l’une (la réaction pouzzolanique) est en partie dépendante de l’autre (l’hydratation du ciment) [52]. Une définition structurale : Une pouzzolane est un matériau siliceux, alumineux ou ferrugineux n’ayant aucune propriété liante en lui même, mais qui sous certains états de cristallinité et de structure, peut réagir en présence de chaux et d’eau à température et pression normale pour donner un ciment [54].
Classification des phyllosilicates
Les phyllosilicates se présentent sous forme d’empilements de feuillets élémentaires d’épaisseur allant de 7 à 15 Å. Les ions oxygène et hydroxyle sont disposés de façon jointive dans différents plans, où ils constituent des ensembles compacts. Les plans tétraédriques (T) de SiO4 forment des feuillets bidimensionnels dans lesquels un atome de silicium est entouré de 4 atomes d’oxygène. L’arrangement pseudo-hexagonal de six tétraèdres ayant chacun un sommet commun avec les tétraèdres voisins conduit à la formation d’une couche tétraédrique. Ces feuillets tétraédriques sont condensés avec des octaèdres (O) d’oxydes, généralement Al3+ ou Mg2+, dans un rapport 2:1 ou 1:1 . Les structures idéales de ces minéraux sont indiquées par des modèles. Cependant, les minéraux naturels présentent des défauts par substitution d’atome ou d’empilement. Lorsque les substitutions impliquent un déséquilibre du bilan des charges électriques de la maille, la neutralité est obtenue grâce à des ions compensateurs se trouvant dans l’espace interfoliaire. Ces cations ne font pas partie intégrante de la structure en couche mais jouent un rôle important sur les propriétés des argiles [60].
Mesure de la surface spécifique (BET) et de la masse volumique
La surface spécifique est la surface totale par unité de masse. Les mesures ont été effectuées sur un appareil Micrométrics Tristar II 3020. La méthode BET nécessite un prétraitement des échantillons en mesurant tout d’abord la masse de tube vide puis en ajoutant 2/3 de la matière dans le tube et en le mettant dans l’appareil de dégazage (dégazage et déshydratation à une température 200 °C pendant 12 heures dans des tubes à essai, jusqu’à l’obtention d’un vide de 50mTorr puis placé dans l’appareil), afin d’évacuer tous les gaz préalablement adsorbés avec un masse de l’échantillon. La détermination de la masse volumique (ρ) des poudres a été faite à l’aide d’un pycnomètre à Hélium automatique de type Microméritics Accupyc 1330 (Norcross USA). Les mesures sont effectuées sur des échantillons broyés (D≤125 µm). Le principe de mesure repose sur la détermination du volume qu’occupe l’échantillon dans une cellule de volume connue (3,5 cm3). Les masses des échantillons ont été déterminées par pesée.
Diffraction des rayons X (DRX)
La diffraction des rayons X (DRX) sur la matière est une technique d’analyse structurale. Lorsque la longueur d’onde λ d’un rayonnement incident est du même ordre de grandeur que les distances inter-réticulaires (d) d’un cristal ou d’une poudre, il y a une interaction rayonnement-matière suivant la relation de Bragg (Equation1). Les rayons diffusés interfèrent et conduisent au phénomène de diffraction.Les diffractogrammes de poudres ont été obtenus à partir d’un appareil Brucker-AXS D 5005 de type Debye-Sherrer utilisant la radiation Cu Kα (λKα = 1,54056 Å) et un monochromateur arrière en graphite. Le domaine angulaire d’analyse est compris entre 5 et 80° (2θ). Le temps d’acquisition est de 2 s avec un pas de 0,04 (2θ). Les phases cristallines présentent dans le matériau sont identifiées par comparaison avec les standards PDF (Powder Diffraction Files) du ICDD (International Center for Diffraction Data).
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Table des matières
Liste des Figures
Liste des Tableaux
Introduction
Chapitre 1 : Synthèse bibliographique
I. INTRODUCTION
II. LES LIANTS GEOPOLYMERE
1. Définition des géopolymères
2. Structure des géopolymères
3. Mécanismes de la géopolymérisation
4. Propriétés d’usage
II. LES MATIERES PREMIERES
A. Les matières argileuses (source aluminosilicaté)
1. Définition de l’argile
2. Classification des minéraux argileux (phyllosilicate)
3. Les argiles tunisiennes (Etudes géologiques)
a. Argile de Formation Aleg (A1): Kef
b. Argile de formation Douiret (A2): Tataouine
c. Argile de la formation Segui (A3):Gafsa
B. Les sources siliceuses
1. La solution alcaline
a. La solution de silicate de potassuim (SiK).
IV. OBJECTIF DU TRAVAIL
V. REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUE
Chapitre 2 : Protocoles expérimentaux et techniques de caractérisation
I. INTRODUCTION
II. LES MATIERES PREMIERES UTILISEES
III. PROTOCOLE EXPERIMENTAUX
1. Synthèse des matériaux consolidés
2. Nomenclature ou désignation des matériaux consolidés
IV. TECHNIQUE DE CARACTERISATION
1. Caractérisation physico-chimiques
a. Analyses thermique différentielle/thermogravimétrique (ATD/ATG) et dilatométrique
b. Analyse granulométrique
c. Mesure de la surface spécifique (BET) et de la masse volumique
d. Détermination de la mouillabilité (demande d’eau)
2. Caractérisations microstructurales et structurales
a. Diffraction des rayons X (DRX)
b. Spectroscopie infrarouge à transformée de fourrier (IRTF)
c. Microscopie électronique à balayage
3. Essai mécanique (compression)
Chapitre 3 : Caractérisation des matières premières de type aluminosilicatés
I. INTRODUCTION
II. COMPOSES ALUMINOSILICATES TAMISES
1. Caractérisations physicochimiques
a. Composition chimique
b. Diffraction des rayons X
c. Spectroscopie infrarouge (IR)
2. Comportment en température
a. Analyse thermique différentielle
b. Analyse dilatométrique
3. Caractéristiques physico-chimiques, microstructurales et structurale des argiles calcinées
a. Analyse granulométrique, mesure de la surface spécifique (BET) et de la masse volumique des poudres
b. Analyse par diffraction des rayons X
c. Analyse par microscopie électronique à balayage
III. COMPOSES ALUMINOSILICATES DE TYPE KAOLINITIQUE
1. Caractérisations physicochimiques des différents métakaolins
2. Diffraction des rayons X
IV. DISCUSSIONS
V. CONCLUSION ET PERSPECTIVES
VI. REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
Chapitre 4 : Solution SiK- KOH
I. INTRODUCTION
II. FAISABILITE DES MATERIAUX CONSOLIDES
1. A partir des Argiles A1, A2 et A3 calcinées
2. Rôle de l’ajout de différents métakaolins M1 et MI
3. Influence de la granulométrie
III. CARACTERISATION DES MATERIAUX CONSOLIDES
1. Etude du mélange réactionnel
2. Structure et microstructure
a. Analyse par diffraction des rayons X
b. Analyse par microscopique électronique à balayage
c. Comportement en température
3. Evaluation des propriétés mécaniques
IV. DISCUSSION
V. CONCLUSION
VI. Références bibliographiques
Chapitre 5 : Rôle de la solution alcaline ((SiO2-KOH) et (SiK- KOH)
I. INTRODUCTION
A. FAISABILITE DES MATERIAUX CONSOLIDES AVEC LA SOLUTION DU SILICE
1. A partir d’argile A1 avec les différents métakaolins M1, M2 et MI
2. Suivi des mélanges réactifs par spectroscopie
3. Evaluation des propriétés mécaniques
4. Comportement en température
II. ROLE DE DEUX SOLUTIONS
1. Etude des mélanges réactionnels
2. Propriétés mécaniques
II. CONCLUSION
III. REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
Conclusion Générale
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