Influence des paramètres de formulation sur la texturation et la structuration des géopolymères

Influence of formulation parameters on the texturing and and the structural evolution of geopolymers

• Auteur / Autrice : Prune Steins
• Direction : Sylvie Rossignol, Fabien Frizon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux céramiques et traitements de surface
• Date : Soutenance le 30/09/2014
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Groupe d'Etudes des Matériaux Hétérogènes
• Jury : Président / Présidente : Jacques Persello
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Spalla, Arnaud Poulesquen
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Baptiste d' Espinose, Laurent Michot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Texture

Structure

Géopolymères

Mots clés libres

Géopolymère

Solution d’activation

Texturation

Structure poreuse

Geopolymer

Activating Solution

Texturing

Porous Structure

Résumé

Dans le cadre du conditionnement des déchets nucléaires, les géopolymères représentent une alternative potentielle aux liants hydrauliques classiques. A ce jour, il est admis que la formation des géopolymères procède selon un mécanisme de dissolution - restructuration - polymérisation conduisant à un matériau solide. Cependant, les liens précis entre la composition de la solution d’activation, le déroulement des réactions de géopolymérisation et la microstructure finale doivent être déterminés du point de vue de la texturation et de l’évolution structurale du matériau. Ainsi plusieurs paramètres de formulation ont été étudiés : la nature de l’activateur alcalin, la concentration en silice et l’ajout d’une source d’aluminium. Il apparait que l’environnement chimique des précurseurs silicatés ou alumino-silicatés est contrôlé par les paramètres de formulation constitutifs de la solution d’activation. Lors de la formation du réseau géopolymérique, ces précurseurs jouent un rôle primordial sur la cinétique de dissolution du métakolin, la taille, l’arrangement et l’agrégation des oligomères alumino-silicatés participant à la formation du réseau poreux. A plus long terme, certaines caractéristiques du réseau poreux qui sont-elles même contrôlées par la taille et l’agencement des oligomères, varient légèrement au cours du temps. Le réarrangement de la structure poreuse associé d’une part à la densification du réseau solide, et d'autre part à la fermeture partielle de la porosité conduit à une légère augmentation de la taille des pores et à une diminution du volume poreux accessible.

In the context of conditioning of nuclear waste, geopolymers represent a potential alternative to conventional hydraulic binders. Currently, it is recognized that the formation of geopolymer proceeds according to a mechanism of dissolution - restructuring - polymerization resulting in a solid material. Despite the availability of many studies to understand these mechanisms, the precise relationship between the chemical nature of the activating solution, the geopolymerization process and the final microstructure should be determined from the point of view of the texturing and the structural evolution of the material. In this work, several parameters were studied: the nature of the alkali activator, the silica concentration and the addition of an aluminum source. It appears that the chemical environment of the silicate or aluminosilicate precursors is controlled by the activating solution composition. During the consolidation of the geopolymer network, these precursors play an important role on the dissolution rate of metakaolin, the size, the rearrange¬ment and the aggregation of aluminosilicate oligomers involved in the porous solid network formation. Subsequently, some characteristics of the porous network which are controlled by the size and the rearrangement of oligomers vary slightly over time. The refinement of the porosity associated to first, a densification of the solid network, and secondly, a partial closure of the porosity at the nanometer scale leads to an increase in the pore size and a decrease of the pore volume.