Etude des mécanismes de dissolution/polycondensation lors de la géopolymérisation : réactivité du métakaolin et influence de la solution d'activation - PASTEL - Thèses en ligne de ParisTech Access content directly
Theses Year : 2019

Study of the dissolution/polycondensation mechanisms during geopolymerization : reactivity of the metakaolin and influence of the activating solution

Etude des mécanismes de dissolution/polycondensation lors de la géopolymérisation : réactivité du métakaolin et influence de la solution d'activation

Abstract

Geopolymers are alternative aluminosilicates binders prepared from metakaolin and alkaline silicate solutions. However, the origin of their setting through a massive polycondensation of aluminosilicates remains unclear. The influence of hydroxide ions and of the stoichiometry Si-Al-alkali in solution has to be clarified. But these species are also implicated in the dissolution of metakaolin. First, interactions between hydroxides and silicates in the activating solution were expressed by means of the Hammett function H- to quantify free hydroxides, and of the buffering capacity β to quantify hydroxide bonded to silicates. Then the dissolution was dissociated from the polycondensation by progressively diluting the metakaolin mixed with the solution. The dissolution was then monitored by microcalorimetry and static 27Al NMR. As a complement, the geopolymerization was described as occurring in several steps using rheometry, conductimetry, SAXS and QENS. Third, a microcalorimetry-NMR correlation exhibited that the dissolution pathway remained unchanged whatever the initial silicate and sodium concentrations and the nature of the alkali used, thus whatever the initial H- and β. On the contrary, the higher those parameters, the higher the dissolution rate. The rheological setting time of geopolymers is also directly dependent on the dissolution rate. The suggested mechanisms involves that the initially bonded hydroxides in the activating solution, expressed by β, are progressively released in solution according to a dissolution-condensation loop process.
Les géopolymères sont des liants alumino-silicatés alternatifs préparés notamment à partir de métakaolin et d’une solution de silicate alcalin. Toutefois, l’origine de leur prise par polycondensation massive d’aluminosilicates est encore imprécise. L’influence des ions hydroxyde et de la stœchiométrie Si-Al-alcalin en solution doit être éclaircie. Or ces espèces sont aussi impliquées dans la dissolution du métakaolin. Tout d’abord, les interactions entre les ions hydroxyde et les silicates dans les solutions d’activation ont été traduites par la fonction de Hammett H-, pour quantifier les hydroxydes en solution, et par le pouvoir tampon β, pour quantifier les hydroxydes liés aux silicates. Ensuite, la dissolution a été dissociée de la condensation en diluant progressivement le métakaolin dans la solution et la dissolution a été suivie par microcalorimétrie et RMN statique de l’27Al. En complément, d’autres techniques ont permis de distinguer plusieurs étapes pendant la géopolymérisation (rhéométrie, conductimétrie, DXPA, DQEN). Dans un troisième temps, la corrélation microcalorimétrie-RMN a montré que le mode de dissolution du métakaolin était indépendant des teneurs initiales en silicate et en sodium de la solution et de la nature de l’alcalin, donc des H- et β initiaux. En revanche, plus ces paramètres sont élevés, plus la vitesse de dissolution est importante. Le temps de prise rhéologique des géopolymères est aussi directement dépendant de la vitesse de dissolution. Le mécanisme envisagé implique que les hydroxydes liés initiaux de la solution, traduits par β, sont progressivement relâchés en solution selon un processus de dissolution-condensation en boucle.
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Cite

Julien Aupoil. Etude des mécanismes de dissolution/polycondensation lors de la géopolymérisation : réactivité du métakaolin et influence de la solution d'activation. Matériaux. Université Paris sciences et lettres, 2019. Français. ⟨NNT : 2019PSLET014⟩. ⟨tel-02863870⟩
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