Méthode de fabrication des nanoparticules de verre (SGP)

L’incorporation de la poudre de verre finement broyée dans le béton améliore sa durabilité, réduit son coût et son impact environnemental [P.K. Mehta, 2001; V.M. Malhotra, 2010].

Les études menées par des chercheurs montrent que les poudres de verre finement broyées sont 30 à 100 fois plus fines que les grains de ciment Portland, donnant ainsi deux effets au système cimentaire où elles sont incorporées : un effet de remplissage et un effet pouzzolanique [R. Sersale, 1980].

L’effet pouzzolanique est obtenu grâce à la structure amorphe et à la teneur élevée en silice [F. Massazza, 1976]. La poudre de verre réagit avec la portlandite produite par l’hydratation des silicates de calcium du ciment portland pour former un silicate de calcium hydraté [C. Shi et al., 2005].

Cependant, il a été prouvé que c’est la dimension fine des poudres de verre qui génère l’effet filler en comblant les espaces de vides entre les grains de ciment occupés généralement par l’eau et obtenir des gains de résistances élevés [F. Aladdine, 2009; A. Zidol, 2009]. En effet, la réduction de la granulométrie des poudres de verre va augmenter leurs surfaces spécifiques. Cette finesse va accélérer leur réaction avec la portlandite et augmenter le taux de remplissage des vides.

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De plus que la poudre de verre, il est connu que l’utilisation de la fumée de silice en tant que substituants du ciment dans le béton est plus bénéfique que ce soit pour le plan des performances mécaniques, que sur le plan de sa durabilité face aux agents agressifs du milieu extérieur [B. Persson, 1992]. La structure amorphe et la grande finesse de la fumée de silice donne une excellente réactivité pouzzolanique, en plus de ce critère, la finesse de ces ajouts va jouer un rôle de filler c’est-à-dire, un effet de remplissage dans les pâtes de ciment en raison de leur grande finesse [R.J. Detwiler et P.K. Mehta, 1986; M. Regourd et al., 1986; D. Harbec et al., 2011]. L'utilisation de fumée de silice est toutefois limitée en raison de sa rareté et de son coût élevé. Cette rareté initie (lance) une initiative de recherche pour le développement d'additifs minéraux alternatifs, comme la poudre de verre sphéroidisée.

Afin de valoriser davantage l’effet pouzzolanique de la poudre de verre et d’augmenter sa finesse d’une part et pour essayer de résoudre le problème de la non disponibilité de la fumée de silice, des chercheurs [D. Harbec et al., 2011] on mit en place une nouvelle façon de fabriquer des nanoparticules sphériques de silice amorphe. Pour la technologie des bétons, la finesse, la surface spécifique élevée et la forme dispersée des nanoparticules assurent une surface de contact élevée et une réactivité optimum avec la portlandite générée au cours de la réaction d’hydratation du ciment. Plus important encore, ces nanoparticules ont la finesse appropriée pour remplir les pores capillaires de la matrice cimentaire et agit comme nanofiller.

Le choix de la technique pour produire des nanopoudres de verre à partir des déchets de verre mixte est porté sur la technique de la torche de plasma thermique à couplage inductif [J.H. Seo et al., 2007; V. Colombo et al., 2006, D. Harbec et al., 2011] (figure 2.35).

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Figure 2.35 Système plasma pour la sphéroïdisation des déchets de verre [D. Harbec et al., 2001]

La synthèse des nanopoudres de verre sphéroidiées, est une collaboration entre deux groupes de recherche de l’Université de Sherbrooke, qui sont : le Laboratoire des Matériaux Cimentaires Alternatifs (LMCA) du Centre de Recherche des Infrastructures en Béton (CRIB), dirigé par le Pr. Arezki Tagnit-Hamou, et le Centre de Recherche en Énergie, Plasma et Électrochimie (CREPE), dirigé par le Pr. François Gitzhofer.

Le processus de cette technique est similaire à la production des fumées de silice [P.C. Aïtcin, 2008], qui utilise un arc à plasma graphite. Le dispositif utilisé pour la sphéroïdisation des poudres de verre, se trouve au niveau du CREPE et est semblable à celui du montage de Goortani et al. [B.M.Goortani et al., 2006; N.Y.Mendoza-Gonzalez et al., 2007]. Le système consiste en une torche à plasma thermique à induction (Tekna PL-50) fixée à l’extrémité supérieure d’un réacteur cylindrique vertical. Les poudres de verre brutes à morphologie aléatoire se caractérisant et à distribution granulométrique de 10-100 μm [D. Harbec et al., 2001], sont fournies à un broyeur à boulets au moyen d’un alimenteur de poudre (figure 2.36) dans la sonde de la torche La haute température de la torche à plasma vaporise le verre en gouttelettes.

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Figure 2.36 Alimenteur de poudre

Les poudres sont par la suite entraînées dans la torche grâce à un gaz transporteur. À la sortie de la torche, en aval, les particules rentrent en contact avec les gaz de trempe, et subissent un refroidissement rapide et des amas de particules sphéroïdisées se forment (figure 2.37). Cette étape va figer les nanoparticules de verre dans une nouvelle forme amorphe et très réactive qui n’est toutefois qu’un désordre à la structure cristalline des poudres de verre. À la sortie du réacteur, les gaz de sortie sont filtrés au moyen d’un cyclone et d’un filtre. Les nanopoudres de verres sphéroïdisées sont collectées séparément sur les parois du réacteur (reactor : upstream zone et downstream zone), dans le bas du réacteur (reactor bottom) et sur les parois du filtre pour faire un suivi de l’homogénéité des poudres.

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Figure 2.36 Micrographie des nanopoudres de verre observées au MEB

La sphéroïdisation des déchets de verre en nanopoudres engendre deux conséquences ; l’une est bénéfique comme il a été décrit auparavant (effet pouzzolanique et filler) et l’autre qui est un inconvénient de la grande surface spécifique des nanopoudres de verre qui va augmenter leurs charges statiques et induire ces dernières à floculer pour minimiser leurs énergies de surface ; cette agglomération complique les procédés de mise en œuvre et affecte substantiellement les propriétés (pouzzolanique et filler) des poudres de verre. Afin de contourner ce phénomène d’agglomération des nanopoudres de verre sphéroïdisées et augmenter leurs réactivités et les performances des matrices cimentaires incorporant ce type d’ajouts, le but principal de ce mémoire de maîtrise est d’apporter des traitements de surface sur ces nanoparticules.