Répartition des phases dans la microstructure

L’analyse microscopique ainsi que la spectroscopie EDX sont utilisées pour déterminer le nombre et la répartition des phases présentes dans le matériau. Cette donnée est primordiale pour le passage de la caractérisation micromécanique des phases au comportement macroscopique du matériau. Dans ce contexte, le logiciel d’acquisition MaxView® fournit, après traitement des cartographies des différents éléments, une cartographie des phases réparties en fonction du contenu en éléments autour de chaque pixel. A partir de cette cartographie, il est possible d’identifier les phases présentes et de quantifier la fraction de surface qu’elles occupent. En couvrant une aire représentative de l’échantillon et en multipliant les cartographies, une hypothèse peut être faite sur l’égalité entre les fractions surfaciques et les fractions volumiques de ces phases dans le matériau.

L’analyse EDX de l’échantillon MK reflète la présence de plusieurs phases dans le matériau, qui se distinguent par leur composition chimique. La première (en orange sur la cartographie Figure 3.14 (b)) représente la phase géopolymère réelle, qui forme la matrice dominante du matériau (90,4 %). La deuxième phase la plus présente est le quartz présent initialement dans le métakaolin (8,1 %) (Figure 3.13), particulièrement visible sur la cartographie du silicium (Figure 3.14 (c)), et représentée en bleu dans la cartographie des phases. L’intégration du quartz dans la matrice géopolymère est bonne, comme l’indiquent les images MEB. Aucune zone de transition n’est apparente et les particules de quartz sont uniformément distribuées dans le volume du matériau (Figure 3.14). Ensuite, à moins de 1 %, une troisième phase minoritaire, comportant une concentration plus forte en aluminium, peut être identifiée comme des particules partiellement dissoutes de métakaolin. Cette association est appuyée par la dissolution de l’aluminium en premier lieu ce qui diminue le rapport Al/Si dans ces particules. La distinction entre ces deux types de particules est possible grâce à l’EDX (Figure 3.15) et un exemple de chacune d’elles est présenté sur la Figure 3.16.

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Figure 3.13 : Hétérogénéité du métakaolin (gauche) et particule grossière de quartz (droite)

Figure 3.14 : Image MEB (a) et cartographie EDX des phases (b) de l'échantillon MK, avec les cartographies des éléments Si (c) et Al (d)

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Figure 3.15 : Image MEB et analyse EDX de MK à grossissement x500

Figure 3.16 : Particule de métakaolin partiellement dissoute (gauche) et particule de quartz (droite)

Lors de l’analyse microscopique de l’échantillon CV, son hétérogénéité plus prononcée apparaît. L’image MEB (Figure 3.18) montre la présence significative de traces de particules de cendres volantes au sein de la matrice géopolymère. On retrouve une répartition chimique des phases qui est similaire au MK avec la présence d’une phase géopolymère (orange 89,4 %), d’une phase quartz (bleu 3,9 %) et d’une phase de particules de cendres volantes (vert 1,4 %) (Figure 3.18). Le reste de la surface est occupé par différentes phases variables qui représentent les différentes impuretés présentes dans les cendres volantes (Figure 3.17). La dissolution des cendres volantes étant plus lente que le métakaolin, les particules partiellement dissoutes sont plus fréquentes et représentent une partie non négligeable des inclusions observées dans la matrice (Figure 3.19). En outre, étant donnée la granulométrie plus grossière des cendres, ces particules ont un effet plus prononcé sur le comportement macroscopique du matériau.

MK

Quartz

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Figure 3.17 : Hétérogénéité des cendres volantes (gauche) et particule de cendres creuse (droite)

Figure 3.18 : Image MEB et cartographie des phases EDX de l'échantillon CV

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Les analyses EDX décrivent les différentes phases présentes dans les échantillons, mais ne permettent pas d’obtenir des informations quantitatives sur la porosité du matériau. Cette phase poreuse a néanmoins un grand impact sur les propriétés élastiques du matériau [58]. Il convient donc de la quantifier avant de mieux modéliser les propriétés élastiques macroscopiques. Cependant, cette quantification doit distinguer les pores en fonction de leurs tailles, de sorte à ne pas comptabiliser la porosité dont l’effet est déjà pris en compte dans les propriétés mesurées de la matrice. En effet, les pores dont le diamètre est inférieur à la taille de la zone investiguée par l’indentation réduisent le module de la matrice et sont ainsi exclus de cette analyse. Dans ce cadre, la micro-tomographie aux rayons X a été utilisée pour évaluer la macroporosité du matériau (Figure 3.20). En prenant un échantillon suffisamment petit (1,5 mm x 1,5 mm de section), la résolution atteinte est de 1 µm et permet ainsi d’examiner les pores dont le diamètre est supérieur à 2 µm. Un traitement d’image est appliqué pour segmenter les images en phase solide et phase poreuse. Les bords de l’échantillon ne sont pas pris en compte afin d’éviter les altérations potentielles dues à la préparation. Le résultat est une image binaire où les pores sont plus visibles et qui peut être utilisée pour quantifier la surface totale qu’ils représentent (Figure 3.21). En effectuant ce calcul sur toutes les sections obtenues, parcourant ainsi une épaisseur représentative de l’échantillon, la macroporosité du matériau est quantifiée. Pour l’échantillon MK, la macroporosité ainsi évaluée représente 8,45 % du volume total du matériau.

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Figure 3.21 : Section transversale de l'échantillon MK (gauche) et sa segmentation (droite)

En ce qui concerne l’échantillon aux CV, l’analyse micro-tomographique révèle la présence d’une porosité variée, dont une partie est due à la porosité initiale des particules de cendres volantes (zoom dans la Figure 3.22 et Figure 3.17). Les images montrent également la variation de la densité au sein même de la matrice, représentée par les gradients d’intensité des niveaux de gris. Cette différence de densité est difficile à expliquer à cette résolution, et nécessite une analyse plus approfondie pour déterminer l’origine de ce qui semble être une microporosité à l’intérieur de certaines zones de la phase géopolymère. Après traitement et segmentation binaire de l’image, le pourcentage de la macroporosité présente dans l’échantillon représente 6,92 % du volume total.

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