Setting mechanism and rheology of model geopolymer binders
Mécanisme de prise et rhéologie de liants géopolymères modèles
Résumé
It is commonly accepted that the geopolymers are potential solutions as an alternative to conventional hydraulic binders. Geopolymers are produced from no-carbon reactants unlike Portland cement and require relatively little energy to be developed. These are inorganic binders from the alkali activation of aluminosilicates. To make a geopolymer as viable alternative and industrially interesting, several technological hurdles must be overcome in particular, their casting and the chemical mechanisms involved at very early age. Previous studies on the mechanisms of this reaction of geopolymerisation show the existence of a three phase's mechanism (dissolution - reorganization - polymerization). Our study focused on the mechanisms involved in fresh behavior and during setting of model metakaolin based geopolymers. For this, we have developed a combined approach between the rheological measurements and chemical measurements (liquid NMR) to respond to the complexity of the local chemical heterogeneity during geopolymerisation. In the first two parts of the thesis, we are interested in understanding the development of mechanical properties from mixing to setting of geopolymers. During the measurement of the elastic modulus' evolution, we also observe three phases, the first increase of elastic modulus during the first few hundred seconds, a plateau characteristic of a latency period followed by a second increase of elastic modulus after several hours. As a first step, we are interested in the first increase of modulus. It was established that the origin of this modulus was the formation of a first gel with a Si / Al ratio <4.5 localized at the grain boundaries of metakaolin. In a second step, we focused on the last increase of the elastic modulus. The origin is the formation of a second gel; the chemical composition is that of the final product that is to say the geopolymer with a Si / Al ratio ~ 2.Finally, in the third part, we have identified the major differences between geopolymer and Portland cement from a rheological point of view. These materials behave as Newtonian fluids. The interactions between the particles are dominated by hydrodynamic effects, which are mainly controlled by the high viscosity of the alkaline silicate solution and not the contribution of direct contacts between the grains of metakaolin
Il est communément admis que les géopolymères sont des solutions potentielles comme alternative aux liants hydrauliques classiques. Les géopolymères sont produits à partir de réactifs non carbonés contrairement au ciment portland et nécessitent relativement peu d'énergie pour être élaborés. Ce sont des liants inorganiques issus de l'activation alcaline d'aluminosilicates. Afin de faire des géopolymères une alternative viable et industriellement intéressante, plusieurs verrous technologiques doivent être levés en particulier sur leur mise en œuvre et les mécanismes chimiques impliqués au très jeune âge. Les études précédentes sur les mécanismes de cette réaction de géopolymérisation montrent l'existence d'un mécanisme en trois phases (dissolution – réorganisation – polymérisation). Notre étude s'est portée sur les mécanismes impliqués dans le comportement à l'état frais et en prise de géopolymère modèle à base de métakaolin. Pour cela, nous avons développé une approche combinée entre les mesures rhéologiques et chimiques (RMN liquide) afin de répondre à la complexité de l'hétérogénéité chimique locale pendant la géopolymérisation. Dans les deux premières parties de la thèse, nous nous sommes intéressés à comprendre le développement des propriétés mécaniques du gâchage à la prise du géopolymère. Lors de mesures de suivi de module élastique au cours du temps, nous observons également trois phases, une première augmentation de module dès les premières centaines de secondes, un plateau caractéristique d'une période de latence puis une seconde augmentation de module après plusieurs heures. Dans un premier temps, nous sommes intéressés à la première augmentation de module. Il a été établi que l'origine de ce module était la formation d'un premier gel de rapport Si/Al < à 4.5 localisé au niveau des joints de grains de métakaolin. Dans un second temps, nous sommes focalisé sur la dernière augmentation de module dont l'origine est la formation d'un second gel dont la composition chimique est celle du produit final c'est-à-dire le géopolymère de rapport Si/Al ~2.Finalement, dans une troisième partie, nous avons mis évidence les principales différences qui existent entre les géopolymères et de ciment Portland d'un point de vue rhéologique. Ces matériaux se comportent comme des fluides newtoniens. Les interactions entre les particules sont dominées par les effets hydrodynamiques, qui sont principalement contrôlés par la viscosité élevée de la solution alcaline de silicate et non par la contribution des contacts directs entre les grains de métakaolin
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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