Influence de chamotte terre cuite ou des gravats de béton sur les propriétés mécaniques des géopolymères à base de cendres volantes

Dans le travail présenté, nous étudions l'influence de l'ajout croissant de débris de briques d'argile et de gravats de béton sur le comportement de prise et les propriétés des matériaux des géopolymères à base de cendres volantes. Les géopolymères préparés sont testés pour déterminer leur résistance à la compression, leur densité apparente, leur conductivité thermique et d'autres propriétés. Pour corréler de manière significative les caractéristiques du matériau avec le comportement de prise et les structures formées, les matériaux de départ et les liants résultants sont analysés au moyen de la spectroscopie infrarouge, de l'analyse par diffraction des rayons X et de la microscopie électronique à balayage. Dans les analyses, il a pu être démontré que les débris de briques et les gravats de béton conviennent suffisamment comme matières premières formant une matrice pour la production de géopolymères. Dans le même temps, différentes propriétés des matériaux pourraient être déterminées et attribuées à différents mécanismes de prise et mécanismes de formation de résistance.

1. Introduction

Le ciment est l'un des matériaux de construction les plus couramment utilisés dans le monde aujourd'hui, avec une facture de 4,1. tonnes utilisées dans le monde en 2020 [1]. D'un point de vue écologique, cela est particulièrement problématique. Le ciment, qui est un composant élémentaire du béton, se compose principalement de matières premières primaires telles que le calcaire, la craie et l'argile, qui sont généralement extraites dans des mines à ciel ouvert.

Les matières premières primaires extraites doivent être transformées par concassage, broyage et mélange en farine crue, qui est ensuite cuite en clinker de ciment à 1 450 °C [2]. Les émissions de CO2 de l'énergie nécessaire aux procédés thermiques et électriques représentent 40 %, 60 % supplémentaires sont dus à la calcination, au cours de laquelle du CO2 chimiquement lié est libéré. Ainsi, pour la production de ciment à l'échelle internationale, environ 900 kg de CO2 sont émis par tonne de clinker de ciment [3]. Dans les usines de production allemandes ultramodernes, 791 kg de CO2 par tonne sont encore rejetés. La production de ciment Portland à elle seule, avec 0,6 à 0,8 kg de CO2 par kg de clinker de ciment, représente 8 % des émissions mondiales de CO2 [4]. En Allemagne, l'industrie du ciment est responsable de 19,99 mill.t d'équivalent CO2, ce qui, par rapport aux émissions totales du secteur industriel allemand, correspond à une part de 17 % [5].

Pour atteindre les objectifs d'action climatique, dès leur production, les matériaux de construction du futur devraient présenter une consommation d'énergie réduite, des émissions de CO2 réduites, un pourcentage réalisable de matériaux recyclés et une recyclabilité dans le cycle des matériaux. Les volumes élevés de déchets de construction et de démolition dans le secteur de la construction posent un grave problème environnemental. Le volume mondial de déchets de construction représente environ 25 à 30 % de tous les déchets solides [6]. Rien qu'en Allemagne, plus de 228 mill. tonnes de déchets de construction et de démolition ont été produites en 2018 [7]. Il est dans l'intérêt de tous de mettre l'industrie de la construction en harmonie avec son environnement en économisant l'énergie et les ressources en matières premières, en réduisant les émissions de CO2 et en recyclant les déchets de construction et de démolition.

L'industrie des matériaux de construction peut se rapprocher de ces objectifs en promouvant l'économie circulaire basée sur le traitement de déchets de construction et de démolition adaptés et leur recyclage en de nouveaux types de matériaux de construction de substitution. Dans le même temps, l'espace d'enfouissement de valeur peut être économisé. Une possibilité pour augmenter le recyclage des déchets de construction est la technologie d'activation alcaline ou de géopolymérisation des ressources minérales secondaires [8, 9]. J. Davidovits, qui a étudié les géopolymères à base de métakaolin, est considéré comme le fondateur de cette nouvelle classe de matériaux [10, 11]. Selon les connaissances actuelles, la géopolymérisation est un processus réactionnel multiphase complexe divisé en trois étapes principales :

1. La dissolution partielle et complète des silicates et des aluminosilicates, par ex. dans le métakaolin ou les cendres volantes causées par la rupture des liaisons Si-O-Si ou Si-O-Al en solution alcaline.

2. La phase d'accumulation dans laquelle les tétraèdres de silicate et d'aluminate se lient alternativement les uns aux autres à la suite de réactions de condensation, formant des monomères de sialate [12].

3. La phase de réticulation au cours de laquelle l'ensemble du système se transforme en un réseau tridimensionnel inorganique, le géopolymère [13-15].

Les géopolymères peuvent différer considérablement dans leur composition chimique et leur structure. En fonction de leur teneur en calcium, ils peuvent être classés en deux catégories car cela a une influence majeure sur la structure du liant activé par les alcalis en cours de formation.

Pour activer les matières premières à faible teneur en calcium comme les cendres volantes ou la farine de brique, des valeurs de pH relativement élevées des solutions d'activateur sont nécessaires pour démarrer la réaction. La structure de gel qui se formerait dans un géopolymère à faible teneur en calcium peut être supposée être une structure désordonnée d'aluminosilicate de type zéolite [16]. Ici, les structures du réseau oxydique-polyédrique ne se forment statistiquement que dans certaines circonstances, mais suivent les règles de Pauling [17]. Pour les cations Si et Al avec des anions oxygène disposés en tétraèdre, cela signifie :

- Chaque cation forme un polyèdre de coordination à partir d'anions (Règle 1).

- La neutralité tarifaire prévaut sur l'ensemble du réseau (Règle 2).

- Les tétraèdres de coordination sont reliés par des coins communs. Partager les bords ou les surfaces déstabilisent la structure, car l'objectif doit toujours être la distance maximisée entre les cations chargés positivement (règles 3 et 4).

Les axiomes de Paulings sont étendus avec la règle de Loewenstein, qui dit que les liaisons Al-O-Al sont thermodynamiquement défavorables dans les structures tétraédriques et se produisent donc avec une faible probabilité. Tant que le rapport Si / Al est supérieur à un, la règle de Loewenstein est suivie dans les géopolymères. Cette préférence thermodynamique peut être attribuée au grand rayon du cation dans les tétraèdres d'aluminate avec le numéro quatre de coordination simultanément faible. En conséquence, les liaisons de pont d'oxygène entre les tétraèdres d'aluminate devraient couvrir une distance relativement grande, tandis que les tétraèdres avec leur charge négative combinée ont tendance à se repousser. Pour cette raison, les espaces cationiques autour d'un tétraèdre d'aluminate sont principalement occupés par des atomes de silicium relativement petits et leurs tétraèdres ou polyèdres avec des cations centraux d'un nombre de coordination plus élevé [18]. Ce comportement explique également pourquoi les zéolithes apparaissent fréquemment comme sous-produits dans les géopolymères à faible teneur en calcium. On peut donc supposer que la structure des gels de géopolymères est similaire à celle des zéolithes, comme déjà suggéré par Davidovits [10]. Cette spéculation a pu être prouvée dans divers travaux au moyen de la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire à rotation d'angle magique (RMN MAS) [19-22, 19, 23].

Une autre caractéristique structurelle des géopolymères à faible teneur en calcium sont les cations alcalins en dehors de la structure de base, qui compensent les charges nettes négatives générées par les tétraèdres d'aluminate. Si, comme dans les travaux décrits ici, la soude caustique est utilisée pour activer les précurseurs à faible teneur en calcium, un gel d'alumino-silicate de sodium hydraté (N-A-S-H) se forme avec une structure de type zéolithe très fortement réticulée [24, 25] . Dans les géopolymères à haute teneur en calcium, avec de légères différences, une structure similaire se forme avec des propriétés quelque peu différentes. Une différence cruciale est que les précurseurs à haute teneur en calcium, comme, par exemple, le sable de laitier granulé ou les gravats de béton peuvent déjà être activés par des activateurs avec une valeur de pH beaucoup plus faible. En conséquence, les géopolymères à haute teneur en calcium peuvent être produits avec une gamme beaucoup plus large de solutions d'activateur [26, 27]. Avec l'activation de précurseurs à haute teneur en calcium au moyen de solutions d'hydroxyde alcalin, un gel d'hydrate de silicate de calcium substitué par l'aluminium (C-A-S-H) est formé [24, 28]. Ce gel est moins similaire aux structures de la zéolithe, mais présente une structure plus proche de la tobermorite, comme on le trouve également dans les gels d'hydratation du ciment Portland.

Cependant, les géopolymères à haute teneur en calcium présentent une concentration en calcium inférieure à celle des gels de ciment Portland et une substitution en Al plus forte des tétraèdres de type à trois chaînes [28]. Cela conduit à un degré beaucoup plus élevé de polymérisation et de réticulation entre les chaînes de tobermorite, ce qui a été prouvé sur la base de la présence de groupes Q3 [29]. Dès que la teneur en Al du gel C-A-S-H dépasse une certaine valeur limite qui, selon la longueur de la chaîne, se situe entre six et dix emplacements de chaîne, le degré de réticulation diminue avec l'incorporation supplémentaire d'Al. Cela peut être attribué à la règle de Loewenstein décrite précédemment, selon laquelle les liaisons Al-O-Al ne sont pas formées [18]. Dans le gel C-A-S-H également, des quantités considérables d'ions sodium sont incorporées, c'est pourquoi il est souvent décrit comme C-(N)-A-S-H-gel [30, 31]. En même temps, des gels N-A-S-H plus fortement réticulés sont présents comme sous-produits dans les liants en formation. Ceci s'applique particulièrement lorsque des mélanges de précurseurs pauvres en calcium et riches en calcium sont utilisés, comme c'est le cas dans ce travail [29, 32]. Comme ces deux aluminosilicates N-A-S-H et C-A-S-H peuvent également coexister, il est intéressant d'explorer quelles propriétés matérielles résultent des diverses combinaisons des matières premières à faible et à haute teneur en calcium, cendres volantes, farine de brique et gravats de béton [33–35 ].

Source ZiegleIndustrie International