Soutenance mémoire
Dans le contexte général du réchauffement climatique sur la réduction des émissions de gaz à effet de serre, l’une des pistes étudiées est axée sur les matériaux et liants à faible impact carbone. Dans le cadre de ces travaux de thèse, les Matériaux à Activation Alcaline (MAA) ou géopolymère sont une des pistes privilégiées pour atteindre cet objectif. En effet, ces matériaux possèdent des propriétés mécaniques équivalentes et des propriétés physico-chimiques supérieures à celle des matériaux cimentaires (OPC) qui sont aujourd’hui les plus communément utilisés (Facheco-Torgal et al., 2015; Provis & Deventer, 2013). De plus, l’utilisation des matériaux locaux intervient significativement sur la diminution de l’empreinte carbone dans les constructions par la diminution de la durée de transport nécessaire entre la zone d’extraction et le lieu de construction. L’objectif principal des travaux de recherche, vise à tester l’utilisation de sols argileux comme squelette argileux dans des MMA. Afin d’y parvenir, une nouvelle méthode d’optimisation mécanique et environnementale a été utilisé ; le plan expérimental factoriel centré réduit.
Avant-propos
La recherche scientifique associée au génie civil utilise principalement les symboles de la chimie des ciments. Dans ce rapport, les formules ayant recours à cette notation seront donc notées en italique.
Le béton à base de ciment portland (OPC) est le moyen le plus utilisé de nos jours dans le domaine du génie civil car il présente une bonne résistance en compression après durcissement qui lui confère un large choix dans leur utilisation. En effet, le béton apporte une vraie souplesse au niveau du processus, procédés et possibilités de fabrication avec un coût relativement faible.
Les Matériaux à Activation Alcaline (MAA) présenté par Glukhovsky en 1959 sont un substitut alternatif aux bétons à ciment Portland utilisé pour des constructions dans les blocs communistes. En 1979, Davidovits a déposé le nom «géopolymère», après l’invention et l’étude d’un polymère inorganique ayant pour caractéristique principale une grande résistance au feu. Dans les années 1980, le terme « ciment de géopolymère » est finalement utilisé pour décrire ce nouveau type de liant sur la base de ces travaux (Davidovits, 1994; Favier, 2014; Pouhet, 2015; Provis & Deventer, 2013).
Utilisation et chronologie moderne des Matériaux à Activation Alcaline (MAA)
L’utilisation des MAA dans le domaine de la construction remonte aux années 1950 en URSS. Afin de remédier à la crise de ciment Portland qui affectait le pays, Glukhovsky, en 1959, a développé un liant alcalin à base de laitier. De manière intéressante, comme le reporte Palomo et al., semblent être durables (Favier, 2014; Palomo et al., 2014; Pouhet, 2015).
Dans les années 1970, le terme de « géopolymère » est déposé par Davidovitz. L’un de ses produits, le Pyrament® développé avec la société Lone Star Industries Inc constitué d’un mélange de géopolymère et de ciment Portland est notamment utilisé dans le cadre de chantiers militaires américains .
En 2000 la société australienne Zeobond commercialise le E-crete®, un ciment à activation alcaline. En 2013, dans le même pays, le « University of Queensland’s Global Change Institut », est le premier bâtiment public à utiliser un béton à base du laitier activé, notamment pour ses poutres préfabriquées. En 2014, le Brisbane West Wellcamp Airport en Australie est construit en utilisant 70 000 tonnes de ciment géopolymère ; tandis qu’en France en 2015, la société Hoffmann Green Cement Technologies est créée afin de produire du ciment à activation alcaline.
Définition des MAA
Géopolymères ou MMA ?
Les deux termes « géopolymères » et « matériaux à activation alcaline » reste à ce jour le terrain d’une profonde scission dans la communauté scientifique. En effet, pour Davidovits, il existe une différence fondamentale entre ces deux expressions. Les géopolymères ne peuvent pas être représentés comme un sous-ensemble des MAA puisque, contrairement à ces derniers, ils ne sont pas formés d’un gel d’hydrates, mais bien d’une chaine de polymère basée sur des unités aluminates et silicates, avec une cristallisation visible en diffraction à rayon X. À l’inverse, Provis et Van Deventer classent les géopolymères comme correspondant à une sous catégorie des MAA dont les teneurs en calcium sont relativement faibles (Provis & Deventer, 2013). Les auteurs Provis et Deventer précisent que cette représentation est simplifiée et qu’elle ne saurait traduire la complexité structurelle de ces matériaux. Cependant, elle reste un bon outil de vulgarisation permettant la comparaison entre le ciment Portland et les géopolymères.
Aujourd’hui, c’est cette appellation « géopolymère » qui est majoritairement utilisée dans la littérature scientifique dans le domaine du génie civil. La majorité des sources scientifiques utilisées dans ce chapitre utilise ce terme. Afin de respecter les choix des auteurs et pour les articles l’employant, les termes ont donc été gardé dans ce chapitre. Néanmoins, dans ces travaux de thèse, les termes géopolymère et MAA seront utilisés avec une connotation égale.
Principaux précurseurs
Les MAA sont des liants inorganiques nécessitant une activation chimique pour la formation de leur matrice liante. Les précurseurs sont nombreux mais partagent tous une caractéristique commune : des teneurs élevées en aluminates et silicates amorphe. Ainsi, les laitiers de hauts fourneaux, le métakaolin, les cendres volantes, ou encore les pouzzolanes, sont des matériaux particulièrement intéressants pour l’activation alcaline puisqu’ils présentent une très grande réactivité due à leur structure amorphe obtenue après vitrification. Dans un diagramme ternaire, la présente ces matériaux ainsi que d’autres matériaux couramment utilisés dans le domaine du génie civil (Lothenbach et al., 2011).
De manière générales, les types de précurseurs utilisés dans les MAA varient selon les disponibilités locales. Le but étant d’obtenir des matériaux écologiques, les MAA devrait normalement être constitués majoritairement de précurseurs proches géographiquement de leur lieu d’utilisation final.
Laitiers de Haut-Fournaux
Les scories sont des sous-produits de la production métallurgique. Dans le cas de la sidérurgie, les scories pauvres en fer sont plutôt connues sous l’appellation de laitier de haut-fourneaux. Ces matériaux sont obtenus par récupération de la matière surnageant audessus du métal en fusion, qui subit par la suite une trempe à l’eau ou à l’air. C’est cette trempe qui limite la formation de cristaux et augmente la réactivité potentielle du matériau.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre I Synthèse bibliographique
Avant-propos
Introduction
Utilisation et chronologie moderne des Matériaux à Activation Alcaline (MAA)
Définition des MAA
I 4 1. Géopolymères ou MMA ?
I 4 2. Principaux précurseurs
I 4 3. Différentes solutions d’activation
I 4 4. Processus de prise
Etat frais et durci des MAA
I 5 1. Etat frais
I 5 2. Etat durci
Point environnemental
Valorisation des terres excavées
I 7 1. Exemple avec les chantiers du Grand-Paris
I 7 2. Compositions d’une argile
Conclusion
Chapitre II Matériaux et méthodes
Introduction
Matériaux
II 2 1. Laitier de haut fourneau
II 2 2. Sols et sables
Matériels et méthodes
II 3 1. Optimisation de la phase liante
II 3 2. Changement de la phase granulaire
II 3 3. Séchage des échantillons par solvant organique
II 3 4. Inductively Coupled Plasma- Atomic Emission Spectroscopy (ICP-AES)
II 3 5. Analyse Thermo-Gravimétrique (ATG)
II 3 6. Calorimétrie semi-adiabatique (calorimètre de Langavant)
II 3 7. Essais au mini cône (Essais de béton équivalent)
II 3 8. Essais mécaniques
II 3 9. Granulométrie
II 3 10. Mesure de la porosité accessible à l’eau et de la masse volumique
Conclusion
Chapitre III Optimisation de la phase liante par un plan d’expériences
Introduction
Plan d’expériences centré réduit
III 2 1. Outils de contrôle du modèle
III 2 2. Résultats et discussion
III 2 3. Modèles de résistance mécanique en compression
III 2 4. Résultats du modèle d’optimisation mécanique et environnementale à 7 jours
Affaissement, Porosité et Densité
III 3 1. Analyse des modèles complets
III 3 2. Etude des coefficients
Conclusion
Chapitre IV Modification de la charge granulaire
IV 1. Introduction
Test de réactivité des sols
Test de formulation
IV 3 1. Maniabilité
IV 3 2. Aspect visuel
IV 3 3. Résistance mécanique
Analyses photographique des MAA avec substitution par un squelette granulaire argileux
IV 4 1. Echantillons avec substitution par le « sol 2» après coulage
IV 4 2. Analyse des éprouvettes de MAA avec substitution par le « sol 1 » après rupture mécanique
Propriétés mécaniques des MAA avec substitution par un squelette granulaire argileux
IV 5 1. Essais de compression et de flexion à 7 jours
IV 5 2. Essais de flexion et de compression à 28 jours
Résultats de l’analyse thermogravimétrique des MAA avec substitution par un squelette granulaire argileux
IV 6 1. Analyses des résultats à 7 jours
IV 6 2. Analyses des résultats à 28 jours
Résultats de la calorimétrie semi-adiabatique (calorimètre de Langavant) des MAA avec substitution par un squelette granulaire argileux
Conclusion
Conclusions générales
