Haute performance des géopolymères et des liants cimentaires à faible teneur en carbone utilisant des sédiments dragués flash-calcinés et des argiles excavées

High-performance geopolymer and low-carbon cementitious binders using flash-calcined dredged sediments and excavated clays

• Auteur / Autrice : Ali Alloul
• Direction : Mahfoud Benzerzour, Nor-Edine Abriak
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique, génie civil ; énergétique, matériaux
• Date : Soutenance le 17/09/2024
• Etablissement(s) : Ecole nationale supérieure Mines-Télécom Lille Douai
• Ecole(s) doctorale(s) : École graduée Sciences de l’ingénierie et des systèmes (Lille ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre for Materials and Processes / CERI MP - IMT Nord Europe
• Jury : Président / Présidente : Ali Zaoui
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Elhem Ghorbel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Naïma Belayachi, Siham Kamali

Mots clés

Mots clés libres

Béton haute performance

Liants géopolymères

Liants cimentaires à base de calcaire et d'argile calcinée (LC3)

Sédiments de dragage

Argiles excavées

Calcination flash

High-performance concrete

Geopolymer binders

Limestone calcined clay cement benders (LC3)

Dredged sediments

Excavated clays

Flash calcination

Résumé

Le béton géopolymère et le béton à faible teneur en carbone avec des matériaux cimentaires supplémentaires sont des solutions prometteuses pour remplacer les liants de béton ordinaires au ciment Portland. Cette étude vise à développer des bétons géopolymères haute performance et à faible teneur en carbone en utilisant des sédiments dragués et des matériaux excavés flash-calcinés. Les sédiments dragués et les matériaux excavés sont largement disponibles et classés comme déchets en raison de leurs méthodes d'élimination inappropriées. La flash-calcination, une technique de traitement thermique (750 °C) par la chaleur utilisée pour éliminer leurs polluants, leur teneur élevée en matière organique et améliorer leur réactivité pouzzolanique, améliore ainsi leur potentiel d'utilisation dans les formulations de béton. Ces matériaux sont riches en aluminosilicates et peuvent être utilisés comme sources principales dans le développement de liants géopolymères. De plus, en raison de leur teneur en argile, ils peuvent être utilisés comme matériaux cimentaires supplémentaires dans les liants de béton à faible teneur en carbone tels que le ciment d'argile calcinée au calcaire. Les résultats montrent qu'en utilisant 16 à 24 % de sédiments flash-calcinés et 19 à 27 % d'argiles excavées flash-calcinées, on obtient des liants géopolymères de haute résistance et durabilité avec l'incorporation de métakaolin et de laitier de haut fourneau granulé. Pour les formulations de ciment d'argile calcinée au calcaire, l'utilisation de 18 à 26 % de sédiments dragués flash-calcinés et d'argiles excavées comme argile calcinée permet d'obtenir une résistance et une durabilité significatives par rapport aux formulations réalisées avec du métakaolin et au mélange de référence réalisé avec 100 % de ciment Portland ordinaire. Des tests physiques, mécaniques, microstructuraux, physico-chimiques et de durabilité sont réalisés sur les formulations de béton géopolymère et de ciment d'argile calcinée au calcaire. Les formulations réalisées avec des sédiments dragués et des argiles excavées flash-calcinés permettent d'obtenir des propriétés haute performance en termes de résistance et de durabilité élevées.

Geopolymer (GP) concrete and low carbon concrete with supplementary cementitious materials (SCMs) are promising solutions to substitute ordinary Portland cement concrete binders. This thesis aims to develop high-performance geopolymer and low-carbon cement concrete using flash-calcined dredged sediments (FCS) and excavated clay materials (FCC). Dredged sediments and excavated materials are widely available and classified as waste materials due to their improper disposal methods. Flash calcination, a heat thermal treatment technique of temperature 750°C is used to eliminate their pollutants, high organic content, and enhance their pozzolanic reactivity, thus enhancing their potential to be used in concrete formulations. These materials are rich in aluminosilicates and can be used as main sources in developing geopolymer binders. Moreover, due to their clayey content they can be used as SCMs in low carbon concrete binders such as limestone flash-calcined clay cement (LFC). The results show that using 16-24 % of FCS and 19-27 % of FCC result in achieving geopolymer binders of high strength and durability with the incorporation of metakaolin and granulated blast furnace slag. For the LFC formulations using 18-26 % of FCS and FCC result in achieving significant strength and durability in comparison to formulations done with metakaolin and to the reference mix done with 100% OPC. The physical, mechanical, microstructural, physicochemical, and durability tests are done on GP and LFC formulations. The formulations done with FCS and FCC result in achieving high performance properties in terms of high strength and durability.