Le Laboratoire de Physico-chimie des

Matériaux Minéraux vous souhaite la

bienvenue à la soutenance de Master

de M. Djobo Yankwa Jean Noël

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EFFETS DE L’INCORPORATION D’ADJUVANTS MINÉRAUX SUR LES PROPRIÉTÉS DE CIMENTS

GÉOPOLYMÈRES A BASE DE SCORIES VOLCANIQUES

Mémoire présenté et soutenu publiquement en vue de l’obtention duDiplôme de Master en chimie

Option : Physico-chimie des matériaux minérauxPar:

DJOBO YANKWA JEAN Noël

Matricule 06T087Licencié en Chimie

Sous la direction de :

ELIMBI Antoine

Maître de Conférences

Année 2013

Plan

INTRODUCTION

GÉNÉRALITÉS

MATERIAUX UTILISES ET METHODES EXPERIMENTALES

RESULTATS ET DISCUSSION

CONCLUSION ET PERSPECTIVES

Introduction

• Les enjeux climatiques liés à la production duciment portland sont énormes

• 1 tonne de ciment Portland 1 tonne de CO2

• Les géopolymères sont des matériaux obtenus àbasse température par interaction entre un milieubasique et la poudre d’un matériau aluminosilicate

• 1 tonne de ciment géopolymère 184 Kg de CO2

Introduction

Source d’aluminosilicate: kaolin, métakaolin,cendres volantes

• Scories volcaniquesLes géopolymères à base de ce matériauprésentes de faibles propriétés comparées à cellesobtenues à partir du métakaolin ou des cendresvolantes.

Introduction

Amélioration des propriétés des géopolymèrespar ajout de différentes sources de calcium et desminéraux riches en alumine lors de lagéosynthèse.

Au Cameroun, il existe une quarantaine demassifs qui se répartissent sur plus de 500 Km etjonchés à leur bas-fond par de nombreux dépôtde scories volcaniques.

Introduction

Objectif général

Étudier la possibilité d’utiliser la bauxite et lacoquille d’huitre comme adjuvants minéraux auxscories volcaniques.

Généralités Ciment Portland Définition :

Le ciment est un liant hydraulique, c’est-à-dire unmatériau finement moulu qui fait prise et durcit enprésence de l’eau mais ne se dissout pas dans l’eau. Composition

Clinker + Gypse + ajouts minérauxCiment géopolymère Définition

Toute classe de matériau semi-cristallin ou amorpheobtenu par la réaction entre une poudre d’aluminosilicateet une solution alcaline.

Généralités

Historique

La synthèse de matériaux de construction par desliants activés par une solution alcaline a étédéveloppée pour la première fois par Prudon (1940).

Les géopolymères furent donc développés en tantqu’alternative aux polymères organiques résistantsau feu, suite à la série d’incendie survenue enEurope dans les années 1970

Généralités

Synthèse des géopolymères

• Matériaux aluminosilicatesCe sont des matériaux constituésmajoritairement de silice (SiO2) et d’alumine(Al2O3) partiellement ou totalement amorphe

• Solution activatricesHydroxydes alcalins (NaOH ou KOH) avec lesilicate de sodium ou de potassium(Na2SiO3, K2SiO3)

GénéralitésMécanisme de la géopolymérisation

• Destruction/coagulation : rupture des liaisonsSi-O-Al et Si-O-Si et formation des précurseursSi(OH)4 et Al(OH)4

- .

• Coagulation/condensation : formation desoligomères AlSi2O2(OH)8

- qui se condensent enun gel.

• Condensation/cristallisation: réarrangement etréorganisation, augmentation de la connectivité duréseau du gel et formation d’un réseau 3Dd’aluminosilicates amorphes.

Généralités

Géopolymères et ajouts

• Adjuvants chimiquesProduits chimiques incorporés à faible dose ( 5˂%)au cours de la synthèse du ciment ou du mortier.

• Adjuvants minérauxMatériaux minéraux finement divisés, ajoutés auciment en grande quantité (>10%).

Généralités Utilisations des géopolymères

Le bâtiment et génie civil: matériaux deconstruction (ciment et béton);

Technologique: matériaux composites pour laprotection des avions et des véhicules deformule 1 contre les incendies;

Archéologie: adhésifs utilisés pour restaurer lesœuvres d’arts;

Environnement pour encapsuler les déchetsradioactif sur de longue durée sans êtreendommagé, et pour absorber les métaux lourds

GénéralitésDifférences entre ciments portland et ciments

géopolymères

OPCCaO + SiO2

Clinker (C3S, C2S, C3A et C4AF)

C-S-H + Ca(OH)2

(Portlandite)

1450°C

Hydratation

GPCSiO2 + Al2O3

-Si – O – Al – O -

N-A-S-H ou K-A-S-H (gel 3D aluminosilicate)

20°-90°C + solution alcaline

Polycondensation

OPCCaO + SiO2

Clinker (C3S, C2S, C3A et C4AF)

C-S-H + Ca(OH)2

(Portlandite)

MATERIAUX ET METHODES EXPERIMENTALES

Matériau aluminosilicate : Scories volcaniques (ZG)

Adjuvants minéraux: Bauxite (BX); Coquille d’huitre (CH)

Solution alcaline: NaOH (12M)

+ Ms = 0,7

Na2O.SiO2

(28,7 % SiO2 , 8,9 % Na2O et 62,4 % H2O)

E/C= 0,20 L/S= 0,40

Démoulage après 24h

Démoulage après

24h

Scorie volcanique

Ajouts de Bauxite et/ou

coquille d’huitre

Ajout de la solution

alcaline

Pâte de ciment

géopolymère

Éprouvettes cylindrique

(30mm :60mm)

Coulage dans un

moule tronconique Eprouvette cylindrique (10mm :20mm)

Détermination du temps

de début de priseMEB

Mesure du retrait linéaire

aux 1, 7, 14, 21,28e jours

Résistance à la compression

à 28 jours

DRX, FTIR

Malaxage pendant 5min

Protocole expérimental

vibrer pendant 3min

Résultats et Discussion

Caractérisation des matières premières Analyse granulométrique de ZG

SBET= 15,7 m2/g

Figure : Distribution granulométrique des particules ZG

Surface spécifique de ZG

Résultats et DiscussionOxydes ZG CH BX

SiO2 41,36 0,30 1

Al2O3 15,41 0,19 58,10

Fe2O3 12,88 0,10 5,54

TiO2 3,04 - 2,40

MnO 0,2 - -

MgO 6,45 - -

CaO 7,88 74,73 0,08

K2O 0,90 - -

Na2O 2,22 0,57 -

SO3 - 0,11 0,07

P2O5 0,48 - 0,17

Cr2O3

ZrO2

Cl-

SrO

ZnO

As2O3

V2O5

0,03

-

-

-

-

-

-

-

-

0,12

0,32

0,07

0,27

-

0 ,06

0,08

0,14

0,05

0,03

0,30

0 ,08

PF 9,31 23,23 31,67

Total 100.16 100,01 98,77

Analyses chimiques

Résultats et DiscussionCaractérisation des matières premières

DRX

Figure: Diffractogramme de rayons X de ZGFigure: Diffractogramme de rayons X de BXFigure: Diffractogramme de rayons X de CH

2 Thêta

Inte

nsi

té (

un

ité

arb

)

Résultats et DiscussionCaractérisation des matières premières

ATG/DSC

Figure : Thermogramme de DSC et d’ATG de BX

200°C

350°C

340°C

380°C520°C

2 Al(OH)3350°C Al2O3 + 3H2O

(gibbsite) (alumine) (eau)

α-Al2(OOH)2520°C Al2O3 + H2O

(boehmite) (alumine) (eau)

150°C430°C

625°C

850°C

850°C

CaCO3830-850°C

CaO + CO2(calcite)

830°C

Figure : Thermogramme de DSC et d’ATG de CH

Caractérisation des Géopolymères Synthétisés

Résultats et Discussion

Aspect des éprouvettes géopolymères

Figure : Géopolymères de formulations ZGBi et ZGCi (a= ZG ; b=ZGB10 ; c = ZGB20 ; d= ZGB30 ; e= ZGC10 ; f= ZGC20 ; g= ZGC30).

(a) (b) (C) (d)(a) (e) (f) (g)

Na2O + CO2 Na2CO3

Résultats et Discussion DRX

Figure : Diffractogramme de rayons X des géopolymères de formulations ZGBi

Gi: GibbsiteCo: CorindonAn: AnataseD: DiopsideM: MaghémiteAno: AnorthoclaseH: Hématite

2Thêta

Inte

nsi

té (

un

ité a

rb.)

Résultats et Discussion

DRX

Figure: Diffractogramme des géopolymères de formulation ZGCi

2 Thêta

C: Calcite

D: Diopside

M: Maghémite

Ano: Anorthoclase

H: Hematite

Mu: Muscovite

IR

Figure : Spectres IR des géopolymères formulations ZGBi

IR

Figure : Spectres IR des géopolymères de formulations ZGCi

Résultats et Discussion Caractérisation des Géopolymères SynthétisésMicrostructure

Figure: Microstructure des géopolymères de formulations ZGBi (a= ZG ; b= ZGB20 ; c = ZGB30)

(a)

(b) (c)

Résultats et Discussion Caractérisation des Géopolymères SynthétisésMicrostructure

Figure: Microstructure des géopolymères de formulations ZGCi (a= ZG ; d= ZGC20 ; e = ZGC30)

(a)

(d) (e)

Résultats et discussion

Figure : géopolymères de formulations ZGBi (A) et ZGCi (B)

Caractérisation des Géopolymères Synthétisés Temps de début de prise

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 10 20 30

Tem

ps

de

dé

bu

t d

e p

rise

(min

)

% Bauxite

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

0 10 20 30

Tem

ps

de

dé

bu

t d

e p

rise

(min

)

% Coquille d'huitre

(B)(A)

Caractérisation des Géopolymères Synthétisés Retrait linéaire

Résultats et discussion

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

RL7 RL14 RL21 RL28

GPZG

ZGB10

ZGB20

ZGB30

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

RL7 RL14 RL21 RL28

GPZG

ZGC10

ZGC20

ZGC30

(B)

Figure : Retrait linéaire des géopolymères de formulations ZGBi (A) et ZGCi (B)

(A)

Résultats et discussion

Caractérisation des Géopolymères Synthétisés Résistance à la compression

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 10 20 30 40

Re

sist

ance

à la

co

mp

ress

ion

(MP

a)

% de Bauxite

(A)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 10 20 30 40

Re

sist

ance

à la

co

mp

ress

ion

(MP

a)

% de Coquille d‘huitre

(B)

Figure : géopolymères de formulations ZGBi (A) et ZGCi (B)

Conclusion et perspectivesConclusion• L’ajout de la bauxite ou de la coquille d’huitre

permet de compenser le déficit en Al2O3 et enCaO dans les scories volcaniques;

• Diminution du temps de début de prise et duretrait linéaire;

• Les adjuvants utilisés n’ont pas un grand effet surla résistance à la compression;

• L’ajout de 10% de bauxite permet de diminuerl’efflorescence;

Conclusion et perspectives

Perspectives• Amorphiser la bauxite;

• Déterminer le rapport solution alcaline/solidequi donne les meilleures propriétés;

• Etudier l’effet du temps de malaxage;

• Etudier l’influence de ces adjuvants surd’autres propriétés de ciment géopolymères.

Remerciements

Merci pour votre aimable attention

Thank for your kind attention