Formulation et étude d’un géopolymère accumulateur d’énergie thermique dans le cadre de l’éco-construction des bâtiments - PASTEL - Thèses en ligne de ParisTech Access content directly
Theses Year : 2023

Formulation and study of a thermal energy storage geopolymer in the context of eco-construction of buildings

Formulation et étude d’un géopolymère accumulateur d’énergie thermique dans le cadre de l’éco-construction des bâtiments

Abstract

The incorporation of microcapsulated phase change materials (MPCM) into cement-based materials or geopolymers is one of the effective technologies to meet the final energy demand. However, due to the high rate of environmental impacts associated with cement manufacturing, the use of geopolymers has attracted great interest from researchers due to their low environmental impact and superior mechanical and durability properties compared to clinker-based materials.On the other hand, the incorporation of MPCM in geopolymers induces negative effects on their mechanical and thermal performances, the use of the latter still requires in-depth investigations on their durability indicators (chloride diffuvisivity, porosity, permeability etc.). This thesis work is perfectly in line with this problematic, and deals with the effect of the combination of NASH (sodium alumina silicate hydrate) and CASH (calcium alumina silicate hydrate) gel to overcome the negative effects of MPCM incorporation on the performance of geopolymers based on blast furnace slag. To achieve this objective, twelve mortars were studied (three cement-based and nine geopolymer-based) by varying the percentage of metakaolin addition (0%, 10% and 20%) in geopolymer mortars, and the rate of MPCM incorporation (0%, 5% and 10%) in both types of mortars: geopolymer mortars (GPM) and cement mortars (CM).The first part of this study is devoted to the characterization of the microstructure, physical, mechanical and thermal properties of GPM and CM. The results obtained showed that the coexistence of NASH and CASH gel brought improvements in terms of mechanical properties and thermal conductivity compared to GPM-MPCM without metakaolin addition. Indeed, the addition of 10 and 20% metakaolin was sufficient to achieve this coexistence. With a concentration of MPCM up to 10% in the geopolymer mortars, the compressive strength was increased by about 21% and the thermal conductivity was increased by about 31%, leading to an improvement in the thermal capacity up to 1280 J/Kg.K.The second part of the work deals with the study of the effect of the incorporation of microcapsulated phase change materials on some durability indicators of GPM and CM. The results indicate that the incorporation of MPCM increases the total porosity, this induces an increase in the water absorption by capillarity and a decrease in the electrical resistivity of the GPM and CM. On the other hand, the inclusion of MPCM exerts an influence on the decrease of the pore connectivity and the increase of the tortuosity of the pore network on the one hand and the increase of the chloride ion binding capacity on the other hand. This led to the decrease of the chloride migration coefficient in the steady state. In addition, it should be noted that GPM have larger pore sizes than CM. This may be due to the drying protocol which is likely to induce desiccation and microcracks in the CASH gel. However, in the presence of these microcracks, the study revealed that the chemical reaction of the GPM controls the chloride ion transport mechanisms more than its porosity.
L'incorporation de matériaux à changement de phase microcapsulés (MCPM) dans des matériaux à base de ciment ou des géopolymères est l'une des technologies efficaces pour répondre à la demande énergétique finale. Cependant, en raison du taux élevé d'impacts environnementaux associés à la fabrication du ciment, l'utilisation de géopolymères a suscité un grand intérêt de la part des chercheurs en raison de leur faible impact environnemental et de leurs propriétés mécaniques et de durabilité supérieures à celles des matériaux à base de clinker.En revanche, l'incorporation de MCPM dans les géopolymères induit des effets négatifs sur leurs performances mécaniques et thermiques. L'utilisation de ces derniers nécessite encore des investigations approfondies sur leurs indicateurs de durabilité (diffuvisivité des chlorures, porosité, perméabilité etc..). Ce travail de thèse s'inscrit parfaitement dans cette problématique, et traite de l’effet de la combinaison du gel NASH (sodium alumina silicate hydrate) et du gel CASH (calcium alumina silicate hydrate) pour surmonter les effets négatifs de l'incorporation de MCPM sur les performances des géopolymères à base de laitier de haut fourneau. Pour atteindre cet objectif, douze mortiers ont été étudiés (trois à base de ciment et neuf à base de géopolymère) en variant le pourcentage d'ajout de métakaolin (0%, 10% et 20%) dans les mortiers géopolymères, et le taux d'incorporation de MCPM (0%, 5% et 10%) dans les deux types de mortiers : mortiers géopolymère (MGP) et mortiers de ciment (MC).La première partie de cette étude est consacrée à la caractérisation de la microstructure, des propriétés physiques, mécaniques et thermiques des MGP et des MC. Les résultats obtenus ont montré que la coexistence du gel NASH et CASH a apporté des améliorations en termes de propriétés mécaniques et de conductivité thermique par rapport au MGP-MCPM sans ajout de metakaolin. En effet, l'ajout de 10 et 20% de métakaolin était suffisant pour obtenir cette coexistence. Avec une concentration de MCPM allant jusqu'à 10% dans les mortiers géopolymères, la résistance en compression a été augmentée d'environ 21% et la conductivité thermique a été augmentée d'environ 31%, ce qui a conduit à une amélioration de la capacité thermique spécifique allant jusqu'à 1280 J/Kg.K.La deuxième partie du travail porte sur l’étude de l’effet de l'incorporation de matériaux à changement de phase microcapsulés sur quelques indicateurs de durabilité des MGP et MC. Les résultats indiquent que l’incorporation des MCPM augmente la porosité totale, ceci induit une augmentation de l'absorption d'eau par capillarité et une diminution de la résistivité électrique du MGP et du MC. En revanche, l'inclusion du MCPM exerce une influence sur la diminution de la connectivité des pores et l'augmentation de la tortuosité du réseau poreux d'une part et l'augmentation de la capacité de fixation des ions chlorure d'autre part. Ceci a conduit à la diminution du coefficient de migration des chlorures à l'état stationnaire. En outre, il convient de noter que les MGP présentent des pores de plus grande taille que les MC. Cela peut être dû au protocole de séchage qui est susceptible d'induire une dessiccation et des microfissures dans le gel CASH. Cependant, en présence de ces microfissures, l'étude a révélé que la réaction chimique du MGP contrôle davantage les mécanismes de transport des ions chlorure par rapport à sa porosité.
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Dates and versions

tel-03965505 , version 1 (31-01-2023)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03965505 , version 1

Cite

Bouha El Moustapha. Formulation et étude d’un géopolymère accumulateur d’énergie thermique dans le cadre de l’éco-construction des bâtiments. Matériaux. HESAM Université; Université de Nouakchott, 2023. Français. ⟨NNT : 2023HESAE001⟩. ⟨tel-03965505⟩
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