Conception d'un géopolymère illitique : étude de la faisabilité industrielle

Design of an illitic geopolymer : Study of the industrial feasibility

• Auteur / Autrice : Baptiste Luzu
• Direction : Laurent Gautron, Teddy Fen Chong
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des Matériaux
• Date : Soutenance le 08/02/2021
• Etablissement(s) : Université Gustave Eiffel
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Français des Sciences et Technologies des Transports, de l'Aménagement et des réseaux. Laboratoire Formulation, microstructure, modélisation et durabilité des matériaux de construction (Champs-sur-Marne, Marne-la-Vallée) - Institut Français des Sciences et Technologies des Transports, de l'Aménagement et des réseaux. Laboratoire Formulation, microstructure, modélisation et durabilité des matériaux de construction (Champs-sur-Marne, Marne-la-Vallée)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Gautron, Maguy Jaber, Martin Cyr, André Lecomte, Rabah Hamzaoui, Xavier Bourbon, Myriam Duc, Assia Djerbi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Maguy Jaber, Martin Cyr

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fragmentation

Contraintes (mécanique)

Propriétés thermiques

Argile

Géopolymères

Mots clés libres

Geopolymère

Activation mécanochimique

Illite

Argile

Résistance en compressio

Activation thermique

Compressive strength

Geopolymer

Mechanochemical activation

Clay

Illite

Thermal activation

Résumé

Dans un contexte de diminution du CO2 émis lors de la fabrication du clinker et de valorisation de sous-produits industriels, la communauté de la recherche internationale dédiée au génie civil a vu l’émergence des géopolymères en guise d’alternative aux classiques liants hydrauliques. Les sources aluminosilicatées massivement géopolymérisées sont le kaolin calciné (métakaolin) et les cendres volantes. En effet le métakaolin est très utilisé grâce à la facilité de désydroxylation (DHX) par simple activation thermique de la kaolinite (structure TO), qui est le minéral argileux majoritaire des kaolins. En revanche les autres minéraux argileux possédant une structure TOT comme l’illite sont délaissés à cause de leur activation plus difficile. Cette thèse propose donc de valoriser un sol argileux (argile verte de Romainville) extrait des travaux du Grand Paris avec une composante illitique majoritaire (51wt%) pour réaliser un liant géopolymère illitique.Les premiers travaux de cette thèse ont été d’élaborer un procédé d’activation permettant l’obtention d’une réactivité suffisante du précurseur pour qu’il puisse réagir en condition alcaline. Plusieurs modes d’activation ont été explorés. Le couplage de l’activation thermique avec l’activation mécanochimique (broyage à sec à haute vitesse) s’est avéré être la méthode la plus efficace pour amorphiser la structure de l’illite. Les précurseurs fabriqués ont été caractérisés à différentes étapes du procédé d’activation (DRX, ATG/ATD, IRTF et MEB) afin de relier l’influence des paramètres d’activation sur la structure des précurseurs avec leur potentiel de géopolymérisation.Ensuite, plusieurs études ont été réalisées pour déterminer les paramètres de formulations les plus adaptés à l’obtention d’une pâte de géopolymère possédant de bonnes propriétés mécaniques. Le taux de phase amorphe du précurseur, le type d’activateur, le ratio massique Liquide/Solide (L/S) correspondant à la quantité de liquide sur la quantité de précurseur et le type de cure se sont révélés être des paramètres clés lors de la géopolymérisation. La résistance à la compression de chaque géopolymère a été testée et chaque matrice a été caractérisée par DRX, IRTF, PIM et MEB (EDX). Il a donc été possible de relier la composition d’une formule et sa microstructure avec la résistance en compression développée. Le protocole d’activation du précurseur illitique et l’optimisation des formules ont permis l’obtention d’une pâte de géopolymère présentant de haute performances mécaniques (Rc = 126MPa à 28j).La dernière partie de ces travaux de thèse est dédiée à la détermination d’une ou plusieurs applications industrielles à ces géopolymères illitiques. Pour cela, 3 formules de pâte de géopolymère ont été sélectionnées en fonction de leur coût, de leur résistance en compression et de leur ouvrabilité pour fabriquer des mortiers (NF EN 196-1). La microstructure des mortiers a été analysée grâce aux essais de porosité accessible à l’eau et de porosimétrie au mercure. La connectivité des pores a été évaluée avec des essais de perméabilité au gaz. Des essais d’immersion en conditions acide et des essais de tenue en température (20 - 800°C) ont été réalisés pour évaluer leur durabilité dans des conditions extrêmes

In a context of reduction in CO2 emitted during the manufacture of clinker and recovery of industrial by-products, the international research community dedicated to civil engineering has seen the emergence of geopolymers as an alternative to conventional hydraulic binders. The massively geopolymerized aluminosilicate sources are calcined kaolin (metakaolin) and fly ash. In fact, metakaolin is widely used thanks to the ease of dehydroxylation (DHX) by simple thermal activation of kaolinite (TO structure), which is the major clay mineral in kaolins. On the other hand, other clay minerals with a TOT structure such as illite are neglected because of their more difficult activation. This thesis therefore proposes to valorize a clay soil (green clay from Romainville) extracted from the “Grand Paris” project with a majority illitic component (51wt%) to produce an illitic geopolymer binder.The first work of this thesis was to develop an activation process allowing sufficient reactivity of the precursor to be obtained so that it can react under alkaline conditions. Several modes of activation have been explored. Coupling thermal activation with mechanochemical activation (high speed dry grinding) has proven to be the most effective method in order to amorphize the structure of illite. The precursors produced were characterized at different stages of the activation process (XRD, TGA / DTA, FTIR and SEM) in order to relate the influence of the activation parameters on the structure of the precursors with their potential for geopolymerization.Then, several studies were carried out to determine the most suitable formulation parameters for obtaining a geopolymer paste with good mechanical properties. The rate of amorphous phase of the precursor, the type of activator, the Liquid / Solid mass ratio (L / S) corresponding to the amount of liquid over the amount of precursor and the type of cure have turned out to be key parameters during geopolymerization. The compressive strength of each geopolymer was tested and each matrix was characterized by XRD, FTIR, MIP and SEM-EDS. It was therefore possible to relate the composition of a formula and its microstructure with the developed compressive strength. The activation protocol for the illitic precursor and the optimization of the formulas made it possible to obtain a geopolymer paste with high mechanical performance (Rc = 126MPa at 28d).The last part of this thesis work is dedicated to the determination of one or more industrial applications to these illitic geopolymers. For this, 3 geopolymer paste formulas were selected according to their cost, their compressive strength and their workability to manufacture mortars (NF EN 196-1). The microstructure of the mortars was analyzed using water-accessible porosity and mercury porosimetry tests. Pore connectivity was assessed with gas permeability tests. Immersion tests in acidic conditions and temperature resistance tests (20 - 800 ° C) were carried out to assess their durability under extreme conditions