Optimisation d'un géopolymère à base de laitier et de metakaolin pour la rélisation d'un béton de structure

Optimization of slag and metakaolin based geopolymer for the production of structural concrete

• Auteur / Autrice : Abdelaziz Hasnaoui
• Direction : Elhem Ghorbel, George Wardeh
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil - Cergy
• Date : Soutenance le 15/10/2019
• Etablissement(s) : Cergy-Pontoise
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie (Cergy-Pontoise, Val d'Oise)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique et matériaux du génie civil (Cergy-Pontoise, Val d'Oise)
• Jury : Président / Présidente : Mahdia Hattab
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Elhem Ghorbel, George Wardeh, Laurence Curtil, Fabien Frizon, Abdelhafid Khelidj
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurence Curtil, Fabien Frizon

Mots clés

Mots clés libres

Géopolymère

Propriétés physiques

Béton

Liant

Performance mécanique

Conditions de cure

Granulats recyclés

Curing conditions

Binder

Concrete

Geopolymer

Mechanical performance

Recycled aggregates

Physical properties

Résumé

Ce travail concerne le comportement des bétons géopolymères formulés à base de laitier et de métakaolin en utilisant une solution de silicate de sodium comme activateur. La première partie de l’étude s’attache à l’optimisation de la formulation du ciment géopolymère. Pour atteindre cet objectif, un mortier Portland de référence et vingt-quatre mortiers géopolymères ont été développés en faisant varier le rapport massique Laitier/Métakaolin (25/75, 50/50, 75/25) et le rapport molaire SiO2/Na2O, noté RM, des solutions alcalines (RM compris entre 1,0 et 2,0). Les mortiers ont été caractérisés à l’état frais (ouvrabilité et temps de prise) ainsi qu’à l’état durci en termes de résistances mécaniques à la flexion et à la compression, module d’élasticité dynamique et porosité. Les résultats ont montré que le liant géopolymère composé de 50/50 Laitier/Métakaolin avec un rapport molaire RM de 1,8 permet d’obtenir un mortier plus résistant que le mortier de référence tout en assurant une bonne ouvrabilité et une excellente stabilité à l’efflorescence. La deuxième partie du travail porte sur l’étude des performances des bétons géopolymères synthétisés avec le liant optimisé dans la première partie de la thèse. De plus, l’effet des conditions de cure ainsi que l’influence de l’incorporation des granulats recyclés sur les performances de ces bétons ont été évalués. En effet, trois modalités de cure ont été choisies, 20°C et 50% HR, 20°C et 90% HR ainsi qu’une immersion totale dans l’eau à 20°C. Quant à la valorisation des granulats recyclés, trois taux de substitution volumique ont été sélectionnés, à savoir 10, 30 et 50%. Pour tous les matériaux, les propriétés à l’état frais et les performances physiques et mécaniques à l’état durci ont été étudiées. Les résultats obtenus montrent que le durcissement dans un environnement de faible humidité relative conduit à l’obtention de faibles performances physiques et mécaniques en comparaison avec le durcissement à une humidité relative élevée et en immersion totale dans l’eau. En ce qui concerne la valorisation des granulats recyclés, il a été montré que leur introduction induit une diminution de la résistance à la compression et à la traction. En revanche, à des faibles taux de substitution (inférieure à 30%), des performances rhéologiques et mécaniques acceptables sont obtenues.Les résultats expérimentaux du présent travail ainsi qu’un nombre considérable des résultats rapportés dans la littérature ont permis d’évaluer la fiabilité des équations empiriques développées pour la prédiction des propriétés mécaniques des bétons Portland. Pour la prédiction de la résistance à la traction des bétons géopolymères, l’équation proposée pour les bétons Portland reste applicable. Par contre, une nouvelle équation a été proposée pour la prédiction du module d’élasticité.

This work concerns the behavior of slag and metakaolin based geopolymer concrete formulated using a sodium silicate solution as activator. The first part of the study focuses on the optimization of the geopolymer cement. To achieve this objective, a reference Portland mortar and twenty-four geopolymer ones were developed by varying the Slag/Metakaolin weight ratio (25/75, 50/50, 75/25) and the molar ratio SiO2/Na2O, RM, of the alkaline solutions (RM between 1.0 and 2.0). The mortars were characterized in the fresh state (workability and setting time) as well as in the hardened state in terms of flexural and compressive strengths, modulus of elasticity and porosity. The results showed that the geopolymer binder composed of 50/50 Slag/Metakaolin with a molar ratio RM of 1.8 allows obtaining a more resistant mortar than the reference one while ensuring a good workability and an excellent stability against efflorescence.The second part of the work deals with the behavior of geopolymer concrete, synthesized with the binder optimized in the first part of the thesis. In addition, the effect of curing conditions and the influence of recycled aggregates incorporation on the performance of these concrete were evaluated. Indeed, three curing methods were chosen, 20°C and 50% RH, 20°C and 90% RH and a total immersion in water at 20°C. For recycled aggregates valorization, three volumetric substitution ratios were selected: 10, 30 and 50%. For all materials, the properties in the fresh state and the physical and mechanical properties in the hardened state were studied. As regards the influence of recycled aggregates, it has been shown that their introduction induces a decrease in compressive and tensile strengths. However, at low substitution ratios (less than 30%), acceptable rheological and mechanical performances are obtained.The obtained results show that curing in a low relative humidity leads to poor physical and mechanical performance compared to hardening at high relative humidity and total immersion in waterThe experimental results of this work as well as a considerable number of results reported in the literature allowed to evaluate the reliability of the empirical equations developed for the prediction of the mechanical properties of Portland concrete. For the prediction of the tensile strength of geopolymer concrete, the proposed equation for Portland concrete remains applicable. Nevertheless, a new equation has been proposed for the prediction of the elastic modulus.