Étude de l'activation alcaline des composés calcaires et siliceux pour la formulation de nouveaux matériaux de construction à faible impact environnemental

Study of alkaline activation of calcareous and siliceous compounds for formulation of new building materials with low environmental impact

• Auteur / Autrice : Annelise Cousture Agniel
• Direction : Jean-Louis Gallias
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil - Cergy
• Date : Soutenance le 27/06/2023
• Etablissement(s) : CY Cergy Paris Université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie (Cergy-Pontoise, Val d'Oise)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : L2MGC - Laboratoire de mécanique et matériaux du génie civil - Laboratoire de mécanique et matériaux du génie civil / L2MGC
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Louis Gallias, Sébastien Jean Félix Remond, Martin Cyr, Norbert Renault, Khadim Ndiaye, Catherine A. Davy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sébastien Jean Félix Remond, Martin Cyr

Mots clés

Mots clés contrôlés

Construction -- Matériaux -- Essais

Mots clés libres

Activation alcaline

Filler calcaire

Silicates

Carbonates alcalins

Silicates calcosodiques

Alkaline activation

Limestone filler

Silicates

Alkaline carbonates

Calcareous-Sodic silicates

Résumé

De nos jours, la problématique environnementale est un enjeu majeur pour l'ensemble des secteurs économiques liés à l'activité humaine. Le secteur du Bâtiment, conscient de son impact, notamment au cours de la phase fabrication des matériaux et produits, développe de nouvelles solutions, notamment le remplacement du ciment par de nouveaux liants, obtenus par activation alcaline de matériaux naturels ou à recycler. Ce projet s'inscrit dans cette démarche et porte sur l'étude de matériaux, à impact environnemental réduit, obtenus à partir de composés calcaires et siliceux activés par l'hydroxyde de sodium. L'objectif de cette thèse est d'approfondir les connaissances sur la réactivité de ces composés, ainsi que sur la nature des produits de cette réaction. L'influence de différents paramètres de formulation et de cure sur les propriétés physico-mécaniques de ces nouveaux matériaux a été précisément étudiée afin de pouvoir obtenir une formulation optimisée, avec des propriétés satisfaisantes à l'état frais et durci, pouvant être utilisée comme nouveau matériau de construction en environnement sec en substitution aux matériaux cimentaires classiques analogues. Afin d'y parvenir, une campagne expérimentale été menée sur des mortiers et pâtes équivalentes dans deux types de systèmes : calcaire/hydroxyde de sodium et calcaire/verre recyclé/ hydroxyde de sodium. Les processus réactionnels mis en jeu ont été déterminés grâce au couplage du suivi de la chaleur d'hydratation avec des analyses par spectrométrie infrarouge. L'identification des produits de réaction a pu être obtenue, par diverses analyses physico-chimiques (FTIR, DRX, ATG-ATD, MEB-EDX). Une étude paramétrique a également permis de proposer des formulations optimisées.Dans le système calcaire/hydroxyde de sodium, il a été possible de proposer une méthodologie de quantification fiable et reproductible qui a permis de réaliser une simulation thermodynamique (Logiciel GEMS) pouvant prédire la composition en hydrates des mortiers en fonction de différents paramètres, validant les choix expérimentaux retenus. La formulation optimisée présent un impact environnemental réduit, par rapport à des matériaux de construction actuellement utilisés. Du fait de dissolution dans l'eau des produits de la réaction, un composé siliceux, issu du recyclage de bouteilles de verre, a été introduit (deuxième système : calcaire/verre recyclé/soude) afin de favoriser la formation de phases silicatées peu sensibles aux environnements humides. Cet ajout entraine des changements dans le comportement des mortiers à l'état frais comme durci ainsi qu'au niveau du processus réactionnel du fait de la formation d'une nouvelle phase amorphe, hydratée et de type gel silicaté incorporant différents cations. Sa présence permet, en environnement humide agressif, de maintenir une certaine cohésion, de conserver les capacités liantes de la pâte et donc les résistances mécaniques ainsi que de limiter le gonflement des mortiers.

Nowadays, environmental issues are a major issue for all economic sectors linked to human activity. The Building sector, aware of its impact, especially during the manufacturing phase of materials and products, is developing new solutions, such as replacing cement with new binders, obtained by alkaline activation of natural or recycled materials. This project is a part of this approach and focuses on the study of materials, with reduced environmental impact, obtained from limestone and siliceous compounds activated by sodium hydroxide. The aim of this research project is to increase knowledge on the reaction mechanisms of these compounds with a simple, as well as the nature of the products of this reaction. The influence of different formulation and curing parameters on the physico-mechanical properties of these new materials has been precisely studied in order to be able to obtain an optimized formulation, with satisfactory properties (fresh and hardened state) in a dry environment, which can be used as new construction material as a substitute for similar conventional cementitious materials. Therefore, an experimental campaign was carried out on mortars and equivalent pastes in two types of systems: limestone/sodium hydroxide and limestone/recycled glass/sodium hydroxide. The reaction processes involved were determined by coupling the monitoring of the heat of hydration with infrared spectrometry analyses. The identification of the reaction products was obtained by various physico-chemical characterizations (FTIR, XRD, TGA-DTA, SEM-EDX). Optimized formulations have been proposed after a parametric study. In the limestone/sodium hydroxide system, a reliable and reproducible quantification methodology was proposed. It made possible to carry out a thermodynamic simulation (GEMS software) that can predict the hydrate composition of mortars according to different parameters, validating the experimental choices made. The optimized formulation has a reduced environmental impact, compared to currently building materials.Due to the dissolution of the reaction products in water, a siliceous compound, from the recycling of glass bottles, was introduced (second system: limestone/recycled glass/soda) in order to promote the formation of insensitive silicate phases to humid environments. This addition leads to changes in the behavior of mortars (fresh and hardened state) as well as in the reaction process due to the formation of a new amorphous, hydrated phase identified as a silicate gel type incorporating different cations. Its presence, in an aggressive humid environment, makes possible to maintain a certain cohesion, to preserve the binding capacities of the paste and therefore the mechanical resistance as well as to limit the swelling of the mortars.