Formulation et durabilité des bétons de géopolymères à base de métakaolin pour une application en préfabrication

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Danielle Bonneau
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Laboratoire Matériaux et Durabilité des Constructions INSA - Université Paul Sabatier - Toulouse - France Formulation et durabilité des bétons de géopolymères à base de métakaolin pour une

1 Laboratoire Matériaux et Durabilité des Constructions INSA - Université Paul Sabatier - Toulouse - France Formulation et durabilité des bétons de géopolymères à base de métakaolin pour une application en préfabrication Raphaëlle Pouhet Encadrant: Martin Cyr Raphaëlle Pouhet - Septembre octobre , Avenue de Rangueil Toulouse Cedex 4 France - 1

2 Plan de présentation Contexte et présentation du sujet de thèse Formulation des géopolymères à base de métakaolin industriel Mise en œuvre de béton de géopolymère Étude de durabilité 2

3 Contexte et présentation du sujet Thèse CIFRE Depuis avril 2012 Siège Social : Toulouse Spécialisée dans la fabrication de planchers en béton précontraint et de produits en béton pressés 20 sites de production Désir d innovation: Produit à base de liant alternatif 3

Contexte et présentation du sujet Objectif de la thèse : o Formulation: Établir une formulation performante pour une préparation industrielle de béton de

4 Contexte et présentation du sujet Objectif de la thèse : o Formulation: Établir une formulation performante pour une préparation industrielle de béton de géopolymère à base de métakaolin. o Durabilité: Étudier les propriétés physico-chimique et mécanique dans le temps des géopolymères, afin d évaluer leur durabilité. 4

5 Formulation des géopolymères Formulation: Importance des proportions molaires Bibliographie sur la formulation des géopolymères P. Duxson et al. / Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects 269 (2005)

6 Formulation des géopolymères Réseau neuronal artificiel A. Kamalloo et al. / Archive of SID (2010) 3 < SiO 2 /Al 2 O 3 < 4,5 0,8 < Na 2 O/Al 2 O 3 < 1,5 10 < H 2 O/Na 2 O < 16 6

7 Formulation des géopolymères Géopolymère formulé au LMDC + + Études de formulation réalisé Silicate de sodium (Gaches Chimie) Hydroxyde de sodium Métakaolin flash (Argéco développement) = Pâte de géopolymère 50 MPa 7

8 Formulation des géopolymères Formulation optimale SiO 2 /Al 2 O 3 = 3,6 Na 2 O/Al 2 O 3 = 0,9 H 2 O/Na 2 O = 14,5 Al 2 O 3 :3,6 SiO 2 :0,9 Na 2 O :13 H 2 O 8

9 Application aux bétons de géopolymère Formulation de bétons Peu d études sur ce sujet Cendres volantes pauvres en calcium (CaO = 2,1% en masse) B. Joseph, G. Mathew / Scientia Iranica, Transactions A: Civil Engineering (2012)) 9

10 Application aux bétons de géopolymère Études de durcissement: Études réalisée sur béton/mortier 3 jours = 90% RC finale 10

11 Application aux bétons de géopolymère Béton de géopolymère: Plan d expérience o Rapport liant/granulats : 0,2; 0,3; 0,4 o Rapport H 2 O/Na 2 O: 14,5; 17; 20 Granulat siliceux: 0 12mm Vibration Etude mécanique sur cube 10x10x10cm Cure: 24h, 100%HR Casse à 7jours 11

12 Application aux bétons de géopolymère Béton de géopolymère: Plan d expérience RC en fonction du rapport e/c dans les béton de ciment 12

13 Application aux bétons de géopolymère La résistance de la pâte fixe la résistance du béton 13

14 Étude de la durabilité Cinq sujets d étude sur la durabilité : thèmes Gel / Dégel Attaques sulfatiques Carbonatation publications trouvée Bibliographie sur la durabilité des géopolymères Avec métakaolin Réaction alcali-granulat Perméabilité aux chlorures

15 Gel / Dégel La succession de températures négatives et positives au cours du temps induit: Microfissures internes Écaillage Techniques de mesure utilisés dans la littérature: Variation de la résistance mécanique Mesure de la perte de masse Variation du module dynamique 15

Gel / Dégel Škvára F et al (Ceramics Silikáty 49 (3) 195-204 (2005)): Mortier de géopolymères à base de

16 Gel / Dégel Škvára F et al (Ceramics Silikáty 49 (3) (2005)): Mortier de géopolymères à base de cendre volante Mortier de géopolymère à base de cendre volante (4x4x16cm) après 150 cycles de gel/dégel 16

17 Gel / Dégel Y. Fu et al (Construction and Building Materials 25 (2011) ) Mortier de géopolymères à base de laitier après 300 cycles: 90% du module d élasticité dynamique conservé perte de masse inférieure à 1% couches superficielles des dégâts de gel-dégel très minces structure très compacte 17

au LMDC, sur une matrice non optimisée et sans air

18 Gel / Dégel Littérature: Bonne durabilité des géopolymères face aux cycles de gel/dégel Etude préliminaire réalisée au LMDC, sur une matrice non optimisée et sans air entrainé Raphaël Bucher, rapport de stage M2R, LMDC Toulouse,

19 Réaction alcali-granulat Réaction alcali-granulat = RAG Réaction entre les alcalins (ciment) et la silice des granulats Production d'un gel expansif Fissurations 3 conditions doivent être remplies pour déclencher la pathologie. Michaël DIERKENS, Principales agressions et attaques du béton, CETE de LYON,

20 Réaction alcali-granulat Cendres volantes (CaO = 3,21%): Expansion négligeable du géopolymère OPC1 (90 ème jours) I. García-Lodeiro et al. / Cement and Concrete Research 37 (2007) FA1 (90 ème jours) 20

21 Réaction alcali-granulat I. García- Lodeiro et al. / Cement and Concrete Research 37 (2007) jours 90 jours 4 géopolymère 5 zéolites 6 produit de RAG avec une morphologie type rosette 21

22 Carbonatation Réaction de carbonatation: Ca(OH) 2 (pâte) + CO 2 (air) CaCO 3 + H 2 O Chute de ph de 13 à 9,5 Dépassivation de l acier de renfort Corrosion des armatures Quelle réaction dans une matrice de géopolymère? Laitier CaO 45% Cendre volante CaO 2-5% Mk CaO 1% 22

23 Carbonatation Cendre volante Formation de bicarbonate de sodium 23

24 Carbonatation Conditions accélérées ph < 10 Le test accéléré est-il représentatif de la réaction naturelle? Condition normale ph > 10 CNTP S.A. Bernal et al. / Cement and Concrete Research 42 (2012)

25 Carbonatation Analyse DRX sur pâte de géopolymère Première étude de durabilité 25

26 Perspectives Objectifs des études à venir: Choix des bétons pour l étude de durabilité en fonction des applications visées Adaptation des tests de durabilité à la matrice géopolymériques Apporter une contribution à la compréhension des mécanismes de dégradation 26

27 Conclusion Bibliographie Peu d études appliquées à la construction pour les géopolymères à base de métakaolin Manque d information sur les bétons de géopolymère, et leur durabilité. Travaux de thèses Résultats sur mortier et béton encourageant Porosité élevée Durabilité 27

28 Merci de votre attention 28

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