Elaboration d’un éco-liant / géopolymère à base de matériaux alternatifs : One-part-Geopolymer, optimisation, durabilité, modélisation

Development of an eco-binder / geopolymer based on alternative materials : One-part-Geopolymer, optimization, durability, modeling

• Auteur / Autrice : Elie Mahfoud
• Direction : Salima Aggoun, Mahfoud Benzerzour, Walid Maherzi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil - Cergy
• Date : Soutenance le 04/12/2023
• Etablissement(s) : CY Cergy Paris Université
• 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 ; 2006-....)
• Jury : Président / Présidente : Gilles Escadeillas
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Salima Aggoun, Mahfoud Benzerzour, Walid Maherzi, Ahmed Loukili, Nassim Sebaïbi, Khadim Ndiaye, Naïma Belayachi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ahmed Loukili, Nassim Sebaïbi

Mots clés

Mots clés libres

One-Part-Geopolymer

Sédiments

Cendres volantes

Optimisation

Durabilité

Modélisation thermodynamique

One-Part-Geopolymer

Sediments

Fly ash

Optimization

Durability

Thermodynamic modeling

Résumé

Aujourd’hui, un intérêt croissant dans les domaines de la construction est donné à la construction durable qui se doit d’être rationnelle et écologique. Une des pistes d’innovation et de recherche concerne la valorisation des matériaux alternatives et la substitution des ciments ordinaires par d’autres types de liants telles que les géopolymères. La combinaison de la valorisation des matériaux alternatifs et des liants géopolymères nous permettra dans le futur de proposer une nouvelle génération de matériaux bas carbone. Pour répondre à ce besoin d’innovation, l’objectif de notre travail de recherche est la valorisation de sédiments de dragage dans un liant géopolymère de type One-Part-Geopolymer. Ces travaux de recherches permettent à travers les formulations développées de substituer des cendres volantes par des sédiments de dragage considérés comme des matériaux locaux dont l’empreinte carbone est assez basse. De plus, nous avons simplifié la méthode de formulation, en utilisant la méthode Just-Add-Water qui facilitera l’utilisation des géopolymères à l’échelle industrielle.Dans nos travaux de recherche, une optimisation du pourcentage de sédiments et d’activateurs alcalins a été réalisée afin de choisir une formulation de mortier optimale pour chaque pourcentage de sédiments incorporés en substitution des cendres volantes (0, 15, 30 et 50%). Les caractérisations mécaniques et physicochimiques ont montré que les sédiments améliorent les performances mécaniques et les propriétés physicochimiques des géopolymères. Les résultats ainsi ont montré que les sédiments de dragage peuvent être utilisé comme source d’aluminosilicates dans un liant géopolymère.Afin de valider nos résultats, une étude de durabilité a été réalisée sur plusieurs formulations optimales. Ces matériaux étudiés ont montré de bonnes performances en termes de stabilité volumique (retrait endogène, retrait de séchage, gel/dégel), de stabilité chimique (carbonatation, attaque sulfatique externe, réaction sulfatique interne) et de stabilité environnementale (lixiviations). L’évolution de phénomènes physiques tel que le retrait a été davantage lié à la distribution porale qu'à la perte de masse. L’ajout de sédiments augmente en général le retrait des formulations mais avec des seuils moindres que ceux de la littérature. Aucun gonflement n’était détecté dans toutes les formulations après les cycles de gel/dégel. Il a été observé une augmentation de la résistance mécanique des formulations optimales contenant 0, 15% et 30% de sédiments et une diminution pour les formulations contenant 50% tout en restant au-dessus des exigences normatives. Pas de carbonatation totale n’est observée à 180 jours de carbonatation accélérée à 3% de CO2 avec une profondeur comprise entre 4,5 et 6 mm. De plus, après carbonatation accélérée, les formulations ont conservé un pH supérieur au seuil de dépassivation des aciers avec des pH plus élevés en carbonatation naturelle. Les produits de carbonatation identifiés sont la nahcolite, et le natron, avec des traces de la calcite dans les formulations contenant des sédiments. Une augmentation de la densité et une amélioration des performances mécaniques a été observée. Nous n’avons pas constaté de gonflement après les attaques sulfatiques externes mais une amélioration des performances mécaniques a été observée. En termes de réaction sulfatique interne, un gonflement léger et négligeable par rapport au seuil de la méthode LCPC no 66 a été observé. Concernant le potentiel de relargage de polluants vers le milieu naturel, la gépolymérisation a été efficace pour l'immobilisation chimique et physique d'un certain nombre d'éléments préoccupants pour l'environnement contenus dans les sources aluminosilicates.Enfin, un modèle thermodynamique, validé par comparaison aux résultats expérimentaux, a permis de prédire la composition des formulations de géopolymères en fonction de différents paramètres.

Today, there is a growing interest in sustainable construction, which must be rational and ecological. One of the avenues of innovation and research concerns, the use of alternative materials and the substitution of ordinary cements by other types of binders such as geopolymers. The combination of alternative materials and geopolymer binders will enable us to offer a new generation of low-carbon materials in the future. To meet this need for innovation, the aim of our research work is to recover dredged sediments in a geopolymer binder of the One-Part-Geopolymer type. Through the formulations we have developed, this research makes it possible to replace fly ash with dredged sediments, which are considered to be local materials with a fairly low carbon footprint. In addition, we have simplified the formulation method, using the Just-Add-Water method, which facilitates the use of geopolymers on an industrial scale.In our research work, the percentages of sediment and alkaline activators were optimized in order to select an optimum mortar formulation for each percentage of sediment incorporated as a substitute for fly ash (0, 15, 30 and 50%). Mechanical and physicochemical characterizations showed that sediments improve the mechanical performance and physicochemical properties of geopolymers. The results showed that dredged sediments can be used as a source of aluminosilicates in a geopolymer binder.In order to validate our results, a durability study was carried out on several optimal formulations. These materials showed good performance in terms of volume stability (autogenous shrinkage, drying shrinkage, freezing/thawing), chemical stability (carbonation, external sulphate attack, internal sulphate reaction) and environmental stability (leaching). The evolution of physical phenomena such as shrinkage was linked more to pore distribution than to mass loss. The addition of sediments generally increased the shrinkage of the formulations, but with lower thresholds than those found in the literature. No swelling was detected in all formulations after freeze/thaw cycles. An increase in mechanical strength was observed for optimal formulations containing 0, 15% and 30% sediments, and a decrease for formulations containing 50%, while remaining above the normative requirements. No total carbonation was observed after 180 days of accelerated carbonation at 3% CO2 with a depth of between 4.5 and 6 mm. In addition, after accelerated carbonation, the formulations retained a pH above the depassivation threshold for steels, with higher pH values under natural carbonation. The carbonation products identified were nahcolite and natron, with traces of calcite in the formulations containing sediments. An increase in density and an improvement in mechanical performance was observed. No swelling was observed after external sulphate attack but an improvement in mechanical performance was observed. In terms of internal sulphate reaction, slight and negligible swelling in relation to the threshold of LCPC method No. 66 was observed. With regard to the potential for releasing pollutants into the natural environment, geopolymerization was effective for the chemical and physical immobilization of a number of elements of environmental concern contained in aluminosilicate sources.Finally, a thermodynamic model, validated by comparison with experimental results, was used to predict the composition of geopolymer formulations as a function of various parameters.