mécanique, fluidité, ouvrabilité et perméabilité (Tableau 2.2).
Tableau 2.2 : Cahier des charges défini par Soletanche Bachy
Etat frais
Etat durci
Viscosité Marsh < 60 s Résistance à la compression > 5 MPa à 28j Ressuée < 3% après 24 h Perméabilité à l’eau < 10-8 m/s à 28j
2.2 BIBLIOGRAPHIE :LEVIERS POUR LA FORMULATION
2.2.1 Rhéologie et prise
La rhéologie des matériaux alcali-activés est étroitement liée à leurs modes de structuration. Les réactions chimiques de dissolution, condensation et la formation de gels contrôlent fortement le comportement à l’état frais. La rhéologie est également influencée par d’autres paramètres purement physiques : fraction volumique des solides, morphologie des particules, etc.
Un des facteurs les plus évidents impactant la rhéologie de toute suspension est la teneur en solides. Cet effet est souvent exprimé en termes de rapports : Eau/Ciment, Liquide/Solide, Eau/Solide, etc. Dans les géopolymères, on observe le même phénomène. Romagnoli et al. [5] identifient la teneur en solide dans un géopolymère au métakaolin et silicate de sodium comme le facteur principal contrôlant la viscosité du matériau. Dans le laitier alcali-activé, les travaux de Jiang [6] et de Jolicoeur et al. [7] (rapportés dans [8]), soulignent le même comportement. L’augmentation de la teneur en solides conduit à l’augmentation de la viscosité ainsi que du seuil de cisaillement. Le type de solides utilisés (précurseurs) est également important. Les critères à examiner sont principalement la surface spécifique qui contribue à augmenter la viscosité, la morphologie des particules qui contrôle leur écoulement et la compacité. Une substitution du précurseur permet d’améliorer l’ouvrabilité du matériau (Figure 2.1) [9], [10].
Figure 2.1 : Etalement des mortiers au laitier activé avec 15% de substitution par la fumée de silice (SF) ou des cendres volantes (FA) (Gifford et Gillot [9])
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Le type d’activateur joue également un rôle très important dans le comportement rhéologique. Les solutions de silicates alcalins étant visqueuses, leur utilisation cause une augmentation de la viscosité du mélange, pour tout type de précurseur. Ceci est limitant pour l’activation du métakaolin, étant donné que c’est l’activateur alcalin permettant d’obtenir le matériau le plus performant. Dans sa thèse, Favier [11] a étudié les différents mécanismes en jeu dans le comportement rhéologique des géopolymères au métakaolin. L’auteur désigne la solution alcaline comme le principal facteur à contrôler, avec un effet minoritaire de l’interaction entre les particules. Ceci implique l’efficacité réduite des adjuvants classiques qui agissent principalement sur la phase solide [5]. L’un des moyens les plus efficaces pour agir sur la viscosité de la solution alcaline est le choix du cation : les silicates de potassium sont significativement plus fluides que ceux au sodium [12], [13]. Le module de la solution de silicate étant lié à sa viscosité [14], son impact est visible sur les géopolymères [15] mais également sur le laitier [7], [8] (Figure 2.2 – b). Dans le cas du laitier activé, on observe également que le silicate de sodium est un activateur qui conduit à une ouvrabilité réduite, comparée à d’autres activateurs [16], [17] (« WG » sur la Figure 2.2 – a).
Figure 2.2 : Variation de l'affaissement en fonction de (a) l'activateur [16], [17] et (b) du module du silicate de sodium [7], [8]
La prise du laitier activé dépend de plusieurs paramètres. Des laitiers provenant de diverses sources peuvent avoir des temps de prise différents, malgré de grandes similarités chimiques, comme en attestent les travaux de Purdon [18]. La finesse du laitier induit également des différences dans le temps de prise, quel que soit l’activateur choisi [8], [19]. Lorsque le laitier est activé au silicate de sodium, le module de la solution affecte la prise de la même manière donc il impacte la rhéologie [20]. Bakharev et al. [21] proposent l’utilisation d’un dosage en silicate de 4% (en Na/laitier) et un module de 0,75 pour une ouvrabilité et résistance optimales. L’utilisation de poudre de silicate de sodium permet l’augmentation du temps de prise, en réduisant les résistances au jeune âge [22]. L’utilisation d’autres activateurs (NaOH ou Na2CO3) conduit également à un retard de prise par rapport au silicate de sodium [16].
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2.2.2 Contrôle de la stabilité
Le ressuage est un phénomène rhéologique qui altère l’homogénéité des matériaux cimentaires fluides (coulis, chapes fluides, bétons autoplaçants, etc.). Il est lié aux mouvements relatifs qui ont lieu entre les différents constituants du matériau à l’état frais et se manifeste à travers une pellicule d’eau qui se forme à la surface. Ceci est dû à un mouvement de descente de l’ensemble des grains, provoquant ainsi une remontée de l’eau qui se poursuit jusqu’au durcissement du matériau. Ce phénomène peut également être accompagné de ségrégation lorsque les grains forment des couches distinctes en fonction de la densité/taille des grains. Lors du ressuage, la migration de l’eau vers la surface est due à la consolidation de la fraction solide sous son propre poids [23], [24]. Ce phénomène est principalement affecté par les interactions entre les particules solides, la perméabilité de la pâte fraiche et la viscosité de la solution [25]. Afin d’éviter le ressuage, ces paramètres doivent alors être contrôlés. Dans le laitier alcali-activé, le temps de prise a tendance à être assez rapide (cf. chapitre 1), synonyme d’interactions très fortes au sein du squelette solide. Ceci augmente la cohésion entre les particules et laisse peu de temps pour le développement du ressuage [26]. La situation est similaire pour le métakaolin ou les cendres volantes calciques fines (type C) [27], contenant des particules très réactives, et à surface spécifique élevée. Le ressuage reste cependant très présent dans le cas des géopolymères aux cendres volantes à faible teneur en calcium [28]– [30]. Ce type de cendres se caractérise d’un côté par une réactivité réduite en plus de ses particules sphériques à faible surface spécifique. L’utilisation de superplastifiants ou de retardateurs de prise [31], de solutions silicates à faible module [29] ou très diluées [30] impliquent une viscosité réduite de la solution et donc une augmentation du risque de ressuage.
2.2.3 Résistance mécanique
Une des critiques adressées parfois aux géopolymères et à d’autres matériaux alcali-activés est la nécessité d’un traitement thermique pour atteindre une bonne résistance mécanique. Ceci est loin d’être le cas pour la majorité des matériaux testés aujourd’hui. Des résistances mécaniques importantes sont en effet rapportées dans plusieurs études où la cure s’est déroulée en conditions ambiantes [32]–[36]. Des bétons au laitier alcali-activé peuvent même atteindre des valeurs supérieures à 100 MPa [37]. Ces résultats sont obtenus non seulement en laboratoire, mais également dans des applications industrielles à grande échelle [37]–[40]. Ainsi, la performance mécanique ne peut être considérée une limitation envisageable pour l’adoption des géopolymères. Plusieurs études comparatives utilisent même la résistance à la compression comme un critère d’équivalence entre les différentes formulations. Les limitations qui sont toutefois présentes sont dues aux différents facteurs affectant le comportement mécanique de ces nouveaux matériaux.
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On peut synthétiser ces facteurs en trois points principaux : type et propriétés du précurseur utilisé, paramètres de formulation et conditions de cure. Pour notre application, le seul procédé applicable est la cure à température ambiante. L’effet de la cure thermique, hydrothermale ou autre n’est donc pas traité ici, relevant plutôt du domaine de la préfabrication, où les conditions de préparation peuvent être rigoureusement contrôlées.
2.2.3.1 Effet du choix du précurseur
La performance d’un précurseur donné (d’un point de vue mécanique) dépend de deux aspects : sa composition chimique et ses propriétés physiques. Partant du principe de l’optimisation économique et/ou écologique, le fabricant d’un géopolymère ne dispose généralement pas d’une multitude d’alternatives pour le choix de ses matériaux. La connaissance du précurseur et des méthodes possibles pour améliorer sa qualité est alors essentielle [41], [42]. Une synthèse des différents paramètres à examiner pour évaluer l’adaptabilité d’un précurseur pour l’alcali activation est présentée dans le Tableau 2.3.
Tableau 2.3 : Paramètres liés au précurseur influençant la résistance du géopolymère
Précurseur Paramètre Effet Référence
Lait
ie
r
Basicité du laitier
(CaO+MgO/SiO2+Al2O3 ≥ 1) Meilleure résistance [33]
Teneur en MgO plus élevée [43], [44]
Teneur en aluminate plus élevée Résistance au jeune âge
plus faible [45] M ét ak aolin Pureté Meilleure résistance [46]–[48] Température de calcination [49], [50] Disponibilité de l’aluminium [51], [52] Cend res volant
es Degré de vitrification (refroidissement rapide des
cendres) Meilleure résistance
[53] Teneur en Si et Al réactifs [54], [55] Teneur en impuretés Baisse de résistance [56] Teneur en calcium [57], [58] Tous
Contenu amorphe Meilleure résistance [59], [60]
Finesse plus élevée Résistance améliorée,
surtout au (très) jeune âge
[10], [33], [61]
2.2.3.2 Effets des paramètres de formulation
Pour que l’activation alcaline produise des résultats optimaux, le choix de l’activateur et de son dosage est crucial. Dans l’activation alcaline du laitier, il joue principalement un rôle de