Physico-chimie de la gélification du silicate de sodium en milieu basique

Physical chemistry of the gelation of sodium silicate in an alkaline medium

• Auteur / Autrice : Monique Tohoué Tognonvi
• Direction : Jean-Pierre Bonnet, Sylvie Rossignol
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science des matériaux céramiques et traitements de surface
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Limoges
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Limoges. Faculté des sciences et techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Gélification

Sodium -- Composés

Gel de silice

Résumé

La consolidation des matériaux cimentaires et géopolymériques implique la formation d’un gel à base de silicate dont le mécanisme de formation est difficile à identifier du fait que celle-ci intervient in situ dans un milieu complexe et évolutif dont il ne constitue qu’une phase minoritaire. L’étude portant sur le comportement des solutions de silicate de sodium en milieu basique est donc essentielle pour comprendre et/ou maîtriser la composition de la phase liquide de tels systèmes. Des études combinées d’analyse chimique (ICP-AES), de RMN et de DCRX de la solution mère ([Si] = 7 mol/l, pH = 11,56, Si/Na = 1,71) ont permis d’identifier la présence majoritaire d’espèces complexes neutre de type Si7O18H4Na4, susceptibles de se dissocier, de s’agréger et/ou de se condenser par dilution à l’eau et/ou à l’acide chlorhydrique. La dilution à l’acide conduit, dans une gamme de pH et de concentration en silicium relativement faible, à l’obtention de différents gels : * des gels transparents réversibles constitués d’agrégats de particules qui seraient de type Si7O18H4Na4 et qui n’évolueraient pas au cours du temps ; * des gels blancs solubles, qui conduisent progressivement à la formation d’un solide soluble constitué de colloïdes de composition de type NaSi1,87O4,24 ; * des gels "irréversibles" qui ont une synérèse conduisant à la formation d’un solide fortement consolidé constitué d’une phase soluble riche en sodium qui serait de même nature que les gels blancs (NaSi1,87O4,24) et d’une phase insoluble de type silice et de composition NaSi12,66O25,82. La gélification résulterait de la formation de petites particules susceptibles de grossir en nombre et en taille et de se regrouper pour remplir l’espace disponible. Quant au processus de mûrissement, il serait le résultat d’un phénomène de dissolution/reprécipitation.

Consolidation of cementitious and geopolymer materials involves the formation of silicate gel. This mechanism is hard to identify because it occurs in-situ in a complex and evolving system. The silicate gel represents only a minor phase. The study of the behaviour of sodium silicate solutions in an alkaline medium is therefore necessary to understand and/or master the composition of liquid phase of such systems. Combined studies of chemical analysis (ICP-AES), NMR spectroscopy and SAXS analysis of a concentrated solution ([Si]=7 mol/l, pH=11. 56, Si/Na=1. 71) were used to identify the neutral complex Si7O18H4Na4 as the major species. It is likely to dissociate, aggregate and/or condense on dilution with water and/or hydrochloric acid. Dilution with acid, leads in a range of relatively low pH and silicon concentration to the formation of various gels : * reversible transparent gels made up of aggregates of Si7O18H4Na4 particles and which do not change with time ; * soluble white gels that lead to gradual formation of a soluble solid consisting of the colloid composition of NaSi1,87O4,24 ; * “irreversible” gels which provide a syneresis phenomenon leading to formation of a strongly consolidated solid made up of soluble phase rich in sodium similar to white gels (NaSi1,87O4,24) and an insoluble silica-type phase with a composition of NaSi12,66O25,82. Gelation results from the formation of small particles, which grow in number and size and then join together to fill the available space. Ripening takes place through a dissolution/reprecipitation mechanism.