Memoire Online - Réticulation géopolymérique a basse température de quelques aluminosilicates

La L.T.G.S est une innovation dans l'utilisation du matériau terre. Dans chaque pays, en changeant seulement certains paramètres, il est possible de fabriquer pratiquement tous les matériaux utilisés dans le bâtiment (pisé résistant à l'eau, adobes, briques, linteaux, fondations, revêtements de sol, pavements, toitures, enduits, revêtements de mur, et même des liants hydrauliques) [1] .

Lorsqu'ils sont élaborés convenablement, les matériaux obtenus par L.T.G.S gardent la qualité de confort propre aux matériaux terres [1]. Cette qualité de confort demeure et n'est pas perturbée par les traitements à température moyenne (85°C- 450°C) [1, 24].

Au Cameroun, très peu d'études ont été effectuées sur l'utilisation des techniques L.T.G.S pour la production des matériaux de construction. Ndofor [25] a pu obtenir des résistances mécaniques à la compression de l'ordre de 25 MPa pour une teneur en NaOH de 12% par rapport à la terre argileuse. Par la suite, il conclut qu'une optimisation des proportions en silice, eau et NaOH dans le mélange pour géopolymérisation, conduirait aux produits de qualité optimale.

I-3-3-2 : Le temps et l'énergie dans les procédés L.T.G.S

Davidovit [24], lors de la production de divers produits (tuiles, briques objets d'arts...) par L.T.G.S, a utilisé différents procédés de préparation, de mise en forme, et de traitements thermiques des pâtes. Il a démontré que le procédé L.T.G.S permettait d'obtenir des produits synthétiques aux propriétés semblables à celles des produits céramiques traditionnelles, mais, avec des gains de temps et d'énergies.

La figure 7 présente en a) la consommation d'énergie pour la fabrication des tuiles selon les procédés traditionnels de cuisson des produits céramiques (classique et rapide), par procédé L.T.G.S (Géop-A), L.T.G.S optimisé (Géop-B), et en b), les temps de production des céramiques traditionnelles et des céramiques obtenues par L.T.G.S.

Figure 7 : Energies et temps de production des céramiques traditionnelles et céramiques L.T.G.S [24].

Selon Davidovits [24], l'exploitation des techniques L.T.G.S pour la production de « céramiques géopolymères » offrirait des perspectives économiques intéressantes pour l'industrie céramique, grâce aux gains d'énergie et de temps qui pourraient conduire à une multiplication de la productivité par un facteur de 2 à 5.

I -3-4 : Les réactions de polycondensation

La géopolymérisation est une réaction exothermique qui consiste à la polycondensation des monomères pour former une macromolécule de structure tridimensionnelle. Les réactions chimiques suivent le schéma réactionnel suivant (équations I.3 et I.4) [26, 27] :

n (Si2O5, Al2O2) + 2n SiO2 + 4n H2O + NaOH ou (KOH) Na+, K⁺ + n (OH)3-Si-O-Al^--O-Si-(OH)3 (I.3)

n (OH)3-Si-O-Al^--O- Si-(OH)3 + NaOH ou (KOH) (Na⁺, K⁺)-(-Si-O-Al^--O-Si-O-) + 4n H2O

Xu et van Deventer [26] ont proposé une théorie de paires d'ions pour expliciter le mécanisme de dissolution des minéraux aluminosilicates ainsi que le mécanisme de géopolymérisation. Le processus chimique possible de dissolution des minéraux aluminosilicates et des silicates en milieu alcalin est présenté dans les trois équations suivantes (I.5 - I.7) [26].

Les réactions entre le métal alcalin M⁺ et les acides ortho siliciques trivalents et divalents en vue de compenser les charges électrostatiques de répulsion sont présentées par les équations suivantes (I.8 - I.11) [26]:

Les réactions de condensation cations - anions sont présentées dans les équations suivantes (I.12 - I.15) [26, 27]:

^-OSi (OH)2O^- + M^{+ -}OSi (OH)3+ _M+ M+^-OSi (OH)2-O-Si (OH)2-O^- + MOH (I.13)

2 silicates monomères^- + 2 silicates dimères^- + 2M⁺ M⁺+ trimère cyclique^- + M⁺ trimère linéaire^- + 2OH^- (I.15)

Barbosa dans [28] a proposé un modèle explicitant la structure des géopolymères. Les atomes de silicium et d'aluminium sont arbitrairement distribués dans une structure tridimensionnelle en laissant des cavités où les cations compensateurs Na⁺ peuvent se loger (figure 8).

Figure 8: Modèle conceptuel explicitant la structure des géopolymères [27].

I-3-5 : l'influence de la nature des matières premières sur le processus de géopolymérisation

Les compositions chimiques, minéralogiques des matières premières, leur distribution granulométriques, et les concentrations des éléments activateurs ont une grande influence sur les propriétés des géopolymères [2]. La kaolinite et d'autres argiles furent initialement utilisées en 1974 et 1975 comme source d'aluminosilicates pour la fabrication des géopolymères devant servir à l'encapsulation des déchets radioactifs [2]. La kaolinite a une structure appropriée à tout type de procédé de géopolymérisation. Toutefois, lors des synthèses, une bonne partie de ce minéral ne participe pas aux réactions de géopolymérisation [29]. Les matériaux calcinés réagissent généralement mieux que les matériaux non calcinés, et les impuretés présentent dans les matières premières peuvent subir des réactions secondaires affectant aussi bien la cinétique des réactions que les propriétés mécaniques des produits obtenus [2]. Les géopolymères issus du métakaolin nécessitent plus d'eau due à une augmentation de la porosité et deviennent alors peu résistant pour être utilisés comme matériau de construction [2]. Toutefois, le métakaolin est bénéfique comme additif minéral dans les ciments géopolymères, car il améliore les résistances mécaniques et réduit le

transport des sels et de l'eau. Il est également utilisé dans la fabrication des géopolymères pour application comme adhésifs [2].

Xu et van Deventer [26] ont effectué en 2000 des recherches étendues sur l'utilisation de 16 minéraux aluminosilicates différents, avec addition de la kaolinite pour la fabrication des géopolymères. Ils observèrent que pour la plupart des minéraux aluminosilicates, l'addition de la kaolinite était nécessaire pour la formation des gels, et lorsque la kaolinite était utilisée seul, les propriétés mécaniques étaient médiocres. Ce résultat signifie qu'une synergie entre les différents minéraux aluminosilicates pourrait avoir des effets bénéfiques lors des réactions de gépolymérisation.

I -3-5-1: L'influence de la nature des ions alcalins dans le processus de géopolymérisation

Théoriquement, n'importe quelle alcalin ou alcalinoterreux pourrait être utilisé pour les réactions de géopolymérisation. Toutefois, la plupart des études ont été centrées sur les effets des ions sodium et potassium. Le choix du type d'ion alcalin à utiliser pour les synthèses géopolymériques dépend de plusieurs facteurs dont les plus importants sont l'origine, les sources de matières premières aluminosilicates, et les applications des futurs géopolymères [2]. La présence de cations dans les matières premières de base ou ajoutés comme hydroxydes alcalins est considérée comme importante à cause de leur rôle catalytique. Les propriétés optimales des géopolymères sont obtenues quand la concentration de sodium est suffisante pour l'équilibration des charges lors de la substitution du silicium par l'aluminium dans les tétraèdres, mais pas en excès pour former le carbonate de sodium en présence du CO2 atmosphérique [2]. La grande taille de K⁺ favorise la formation des oligomères silicates avec qui Al(OH)4 - préfère se lier. Par conséquent, lorsque la solution de KOH est utilisée, il se forme plus de précurseur géopolymérique, facilitant une meilleure polymérisation et des meilleures résistances en compression que les géopolymères synthétisés dans les solutions de NaOH [2, 31].

Les ions potassium semblent être responsables d'un meilleur degré de condensation par rapport aux ions sodium dans les mêmes conditions. Puisque K⁺ est plus basique, il permet des grandes vitesses de dissolution des silicates. En plus, le fait que K⁺ ait une sphère d'hydratation plus petite que Na⁺ permet des réactions de polycondensation plus denses et plus intimes. L'addition de KOH tendrait à améliorer le degré de polycondensation dans la solution de silicate d'ion alcalin alors que l'addition de NaOH augmenterait la quantité de silicates monomères [2, 31].

Réticulation géopolymérique a basse température de quelques aluminosilicates

I-3-3-1 : La L.T.G.S et les matériaux de construction

I-3-3-2 : Le temps et l'énergie dans les procédés L.T.G.S

I -3-4 : Les réactions de polycondensation