Résistance au feu de géopolymère alcalin et de de géopolymère acide

Fire resistance of alkaline geopolymer and acidic geopolymer

• Auteur / Autrice : Qi Yang
• Direction : Gaëlle Fontaine, Catherine A. Davy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des materiaux
• Date : Soutenance le 17/09/2024
• Etablissement(s) : Centrale Lille Institut
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Unité Matériaux et Transformations (Lille ; 2010-....) - Unité Matériaux et Transformations - UMR 8207 / UMET
• Jury : Président / Présidente : Serge Bourbigot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gaëlle Fontaine, Catherine A. Davy, John L. Provis, Baljinder K. Kandola, David Lambertin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : John L. Provis, Baljinder K. Kandola

Mots clés

Mots clés contrôlés

Résonance magnétique nucléaire

Revêtement de surface

Intumescence (chimie)

Essais de comportement au feu

Géopolymères

Mots clés libres

Résistance au feu

Géopolymère

Intumescent

RMN à l'état solide

Matériau activé par acide

Matériau activé par alcalin

Fire resistance

Geopolymer

Intumescen

Solid NMR

Acid-activated material

Alkali-activated material

Résumé

Cette étude concerne les propriétés de résistance au feu des géopolymères préparés paractivation alcaline ou acide. La première partie passe en revue l’état de l’art sur ledéveloppement des matériaux géopolymères, leur processus de synthèse, les méthodesd'activation, les méthodes d'application et l'influence de leurs composants sur leurspropriétés. Un accent particulier est mis sur leur propriétés de résistance au feu. Les travauxconcernent les facteurs influençant la résistance au feu des géopolymères activés par desalcalins, notamment le rapport Al/Si, et la nature de cations utilisés. Les résultats montrentque plus le rapport Al/Si est faible, plus le géopolymère se ramollit à haute température (≥100°C) et se dilate en raison de la pression interne crée par la vaporisation de l'eau. Comparésaux géopolymères à base de sodium, les géopolymères à base de potassium ont un degré depolymérisation plus faible pour un même temps de polymérisation. Même avec un faiblerapport Si/Al, des silicates à faible polymérisation peuvent se former et provoquer l'expansiondu géopolymère. En revanche, les géopolymères à base de sodium subissent une réaction depolymérisation plus complète, mais perdent leur capacité de ramollissement à hautetempérature (≥ 100°C) et sont sujets à la fissuration.Dans des conditions d'activation acide, les géopolymères présentent également une bonnerésistance au feu grâce à leurs propriétés d’intumescence lorsqu’ils sont soumis à une sourceexterne de chaleur, similaires aux géopolymères activés par des alcalins. Le principal facteurinfluençant cette propriété est le rapport P/Al. Lorsque le rapport P/Al est élevé (≥ 0.74), duphosphore peu condensé est générée lors de la polymérisation, qui se déshydrate et secondense lors du chauffage, provoquant le ramollissement et l'expansion du matériau. Enraison de cette caractéristique d'intumescence, les géopolymères à faible rapport Al/Si(géopolymère alcalin) ou à haut rapport P/Al (géopolymère acide) sont des matériauxrésistants au feu prometteurs

This work deals with the fire resistance properties of geopolymers alkali- or acid-activated.The first part deals with the state of the art of the development of geopolymer materials,including their synthesis process, activation methods, application scenarios, and the influenceof their components on properties. A particular focus is on their potential benefit as fire-resistant materials. The thesis reveals the superior fire resistance of alkaline geopolymers andinvestigate the factors affecting the fire resistance, including the Al/Si ratio, and type ofcations. The results evidence that the lower the Al/Si ratio, the more the geopolymer softensat high temperatures (≥ 100°C) and expands due to the driving force of water vaporization.Compared to sodium-based geopolymers, potassium-based geopolymers have a lower levelof polymerization for the same curing time. Even with a high Al/Si ratio, low-polymerizationsilicates can form and cause the geopolymer to expand at high temperatures. In contrast,sodium-based geopolymers undergo higher complete polymerization reactions but lose theirsoftening ability at high temperatures (≥ 100°C) and are prone to cracking.Similar to alkali-activated geopolymers, acid-activated geopolymers exhibit good fireresistance thanks to their intumescence characteristics upon heating. The main factorinfluencing such property is the P/Al ratio. When the P/Al ratio is high (≥ 0.74), a largeamount of slightly condensed phosphorus is generated, which dehydrates and condensesupon heating, causing the material to soften and expand. Due to this intumescencecharacteristic, geopolymers with low Al/Si (alkaline geopolymer) or high P/Al (acidicgeopolymer) are promising fire-resistant material