Caractérisation de la porosité des géopolymères : évolution temporelle et étude de l'eau confinée

par Virginie Benavent

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Fabien Frizon et de Arnaud Poulesquen.

Soutenue le 04-10-2016

à Montpellier , dans le cadre de I2S - Information, Structures, Systèmes , en partenariat avec Centre d'études nucléaires de la Vallée du Rhône (laboratoire) .

Le président du jury était Martin Cyr.

Le jury était composé de Fabien Frizon, Arnaud Poulesquen, Martin Cyr, Pierre Levitz, Diane Rebiscoul, Luc Nicoleau.

Les rapporteurs étaient Martin Cyr, Pierre Levitz.


  • Résumé

    Ce travail s’inscrit dans le cadre de l’étude de liants aluminosilicatés que sont les géopolymères. La première partie de ce travail a consisté à caractériser la texture poreuse des géopolymères, par des techniques intrusives (porosimétrie à eau, adsorption-désorption d’azote, intrusion mercure) et non-intrusives (diffusion des rayons X et des neutrons aux petits angles). Le terme « texture poreuse » regroupe la forme et la taille des pores, le volume poreux, la surface spécifique et la connectivité des pores. En parallèle, l’évolution de la texture poreuse et des propriétés mécaniques a été suivie sur une période de deux ans, en évitant les échanges avec le milieu extérieur afin d’étudier l’évolution intrinsèque des géopolymères. La seconde étape a consisté à étudier les propriétés thermodynamiques, la structure et la dynamique de l’eau confinée dans la porosité, par calorimétrie différentielle à balayage basse température, par diffusion des neutrons et par des essais de migration. La structure poreuse des géopolymères est complexe, puisqu’il s’agit d’une porosité multi échelle, méso- et macroporeuse, essentiellement ouverte et connectée. Elle consiste en un réseau vermiculaire de mésopores et un réseau de macropores connecté via les mésopores. La taille caractéristique (comprise entre 4 et 10 nm environ) et le volume des mésopores dépendent de la formulation de la pâte de géopolymère, à savoir de la teneur en eau, du rapport molaire Si/Al et de la nature du cation compensateur de charge. Il a été montré que les géopolymères étudiés sont très poreux, la porosité représentant entre 40 et 50 % du volume total du matériau. Le volume mésoporeux représente entre 7 et 15 % du volume total, le reste étant attribué à un volume macroporeux. Au cours du temps, la porosité des géopolymères se ferme légèrement, ceci étant attribué à un mécanisme de dissolution-reprécipitation au niveau des murs de pores. Les propriétés mécaniques atteignent un maximum entre 7 et 10 jours, puis sont stables dans le temps lorsque les échantillons sont conservés à 20°C et à l’abri du séchage ou de la carbonatation de la solution porale. Par ailleurs, trois types d’eau ont été mises en évidence au sein des pores : (i) l’eau liée chimiquement et/physiquement à la surface des parois, (ii) l’eau libre confinée dans les mésopores, et (iii) l’eau libre dans les macropores. A l’échelle locale, les molécules d’eau possède une mobilité proche de celle de l’eau libre, tandis qu’à l’échelle macroscopique, une diminution d’un ordre de grandeur du coefficient de diffusion a été observé, avec un effet probable de la taille des mésopores.

  • Titre traduit

    Characterization of geopolymer porosity : temporal evolution and study of the confined water


  • Résumé

    In this study, we have investigated the porous network of geopolymers. The first step consisted in characterizing the structure of the porous network by the means of both intrusive experimental techniques (water porosimetry, gas sorption and mercury intrusion) and non-intrusive techniques (small-angle X-ray and neutron scattering). By the same time, the evolutions of the porous structure as well as the mechanical properties were followed over time. The second step was to determine the structure, the thermodynamics and the dynamics of water confined in the porosity by differential scanning calorimetry, quasi-elastic neutron scattering and migration tests.Geopolymer pore structure is a complex multi-scale porosity, a meso- and macroporous network, essentially open and connected. It consists in a vermicular mesoporous network which connects the macropores. The mesopore characteristic size depends on the formulation of the geopolymer paste and is ranged between about 4 and 10 nm. Geopolymer have a total pore volume comprised between 40 and 50 %, the mesoporous volume represents between 7 and 15 % of the material global volume. The majority of the pore volume is then attributed to macropores. A slight closure of porosity was observed with time and was attributed to a dissolution-precipitation mechanism occurring at pore wall interfaces. The mechanical properties reach a maximum within 10 days, and then are stable over time when the samples were kept from drying and carbonation and at the temperature of 20°C. Besides, three kinds of water were highlighted inside the porosity: (i) an interfacial water linked at the pore surfaces, (ii) free water inside the mésopores and (iii) free water inside macropores. At local time scale, the mobility of water was found close to the one of free water, and at the macroscopic scale, a decrease in diffusion coefficient of one order of magnitude was observed, together with an effect of mesopore size.


Il est disponible au sein de la bibliothèque de l'établissement de soutenance.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe

Où se trouve cette thèse\u00a0?

  • Bibliothèque : Bibliothèque interuniversitaire. Bibliothèque électronique.
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.