Formulation et durabilité des bétons de géopolymères … · Plan de présentation Contexte et...
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1 Raphaëlle Pouhet - Septembre
2012
Laboratoire
Matériaux et Durabilité des Constructions
INSA - Université Paul Sabatier - Toulouse - France
135, Avenue de Rangueil 31077 Toulouse Cedex 4 France - http://www-lmdc.insa-toulouse.fr
Formulation et durabilité des
bétons de géopolymères à base
de métakaolin pour une
application en préfabrication
10 octobre 2012
Raphaëlle Pouhet
Encadrant: Martin Cyr
Plan de présentation
Contexte et présentation du sujet de thèse
Formulation des géopolymères à base de
métakaolin industriel
Mise en œuvre de béton de géopolymère
Étude de durabilité
2 Raphaëlle Pouhet - 10 octobre 2012
Contexte et présentation du sujet
Thèse CIFRE
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Contexte • Formulation • Application aux bétons • Durabilité
Depuis avril 2012
Raphaëlle Pouhet - 10 octobre 2012
• Siège Social : Toulouse
• Spécialisée dans la fabrication de
planchers en béton précontraint
et de produits en béton pressés
• 20 sites de production
Désir d’innovation: Produit à base de liant alternatif
Contexte et présentation du sujet
Objectif de la thèse :
o Formulation: Établir une formulation performante pour
une préparation industrielle de béton de géopolymère
à base de métakaolin.
o Durabilité: Étudier les propriétés physico-chimique et
mécanique dans le temps des géopolymères, afin
d’évaluer leur durabilité.
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Contexte • Formulation • Application aux bétons • Durabilité
Raphaëlle Pouhet - 10 octobre 2012
Formulation: Importance des proportions molaires
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P. Duxson et al. / Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects 269 (2005) 47–58
Bibliographie sur la
formulation des
géopolymères
Formulation des géopolymères Contexte • Formulation • Application aux bétons • Durabilité
Raphaëlle Pouhet - 10 octobre 2012
Réseau neuronal artificiel
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A. Kamalloo et al. / Archive of SID (2010)
3 < < 4,5
0,8 < < 1,5
10 < < 16
SiO2/Al2O3
Na2O/Al2O3
H2O/Na2O
Formulation des géopolymères Contexte • Formulation • Application aux bétons • Durabilité
Raphaëlle Pouhet - 10 octobre 2012
Métakaolin flash (Argéco développement)
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Silicate de sodium (Gaches Chimie)
Hydroxyde de
sodium
+ +
=
Pâte de géopolymère
≈ 50 MPa
Géopolymère formulé au LMDC
Formulation des géopolymères Contexte • Formulation • Application aux bétons • Durabilité
Raphaëlle Pouhet - 10 octobre 2012
Études de formulation réalisé
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Formulation optimale SiO2/Al2O3 = 3,6
Na2O/Al2O3 = 0,9
H2O/Na2O = 14,5 …
Al2O3 :3,6 SiO2 :0,9 Na2O :13 H2O
Formulation des géopolymères Contexte • Formulation • Application aux bétons • Durabilité
Raphaëlle Pouhet - 10 octobre 2012
Formulation de bétons – Peu d’études sur ce sujet
– Cendres volantes pauvres en calcium (CaO = 2,1% en masse)
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B. Joseph, G. Mathew / Scientia Iranica, Transactions A: Civil Engineering (2012))
Application aux bétons de géopolymère Contexte • Formulation • Application aux bétons • Durabilité
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Études de durcissement:
Application aux bétons de géopolymère Contexte • Formulation • Application aux bétons • Durabilité
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Études réalisée sur
béton/mortier
3 jours = 90% RC finale
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Béton de géopolymère: Plan d’expérience
o Rapport liant/granulats : 0,2; 0,3; 0,4
o Rapport H2O/Na2O: 14,5; 17; 20
Application aux bétons de géopolymère Contexte • Formulation • Application aux bétons • Durabilité
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Granulat siliceux: 0 – 12mm
Vibration
Etude mécanique sur
cube 10x10x10cm
Cure: 24h, 100%HR
Casse à 7jours
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Béton de géopolymère: Plan d’expérience
Application aux bétons de géopolymère Contexte • Formulation • Application aux bétons • Durabilité
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→ RC en fonction du rapport e/c dans les béton de ciment
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Application aux bétons de géopolymère Contexte • Formulation • Application aux bétons • Durabilité
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→ La résistance de la pâte fixe la résistance du béton
Cinq sujets d’étude sur la durabilité :
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thèmes
Gel / Dégel
Attaques sulfatiques
Carbonatation
Réaction alcali-granulat
Perméabilité aux chlorures
publications trouvée
6
6
16
4
9
Avec métakaolin
0
1
0
0
4
Étude de la durabilité
Bibliographie sur la
durabilité des
géopolymères
Contexte • Formulation • Application aux bétons • Durabilité
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La succession de températures négatives et
positives au cours du temps induit:
• Microfissures internes
• Écaillage
Techniques de mesure utilisés dans la
littérature:
– Variation de la résistance mécanique
– Mesure de la perte de masse
– Variation du module dynamique
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Gel / Dégel
Contexte • Formulation • Application aux bétons • Durabilité
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Gel / Dégel
Škvára F et al (Ceramics − Silikáty 49 (3) 195-204 (2005)):
Mortier de géopolymères à base de cendre volante
Mortier de géopolymère à base de
cendre volante (4x4x16cm) après 150
cycles de gel/dégel
Contexte • Formulation • Application aux bétons • Durabilité
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Gel / Dégel
Y. Fu et al (Construction and Building Materials 25 (2011) 3144–3148)
Mortier de géopolymères à base de laitier après 300 cycles:
90% du module d‘élasticité dynamique conservé
perte de masse inférieure à 1%
couches superficielles des dégâts de gel-dégel très minces structure très compacte
Contexte • Formulation • Application aux bétons • Durabilité
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Gel / Dégel
Littérature: Bonne durabilité des géopolymères
face aux cycles de gel/dégel
Raphaël Bucher, rapport de stage M2R, LMDC
Toulouse, 2011
Contexte • Formulation • Application aux bétons • Durabilité
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Etude préliminaire réalisée
au LMDC, sur une matrice non
optimisée et sans air entrainé
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Réaction alcali-granulat = RAG
– Réaction entre les alcalins (ciment) et la silice des granulats
– Production d'un gel expansif
– Fissurations
Réaction alcali-granulat
3 conditions
doivent être
remplies pour
déclencher la
pathologie.
Michaël DIERKENS, Principales agressions et attaques du béton, CETE de LYON, 2011
Contexte • Formulation • Application aux bétons • Durabilité
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Cendres volantes (CaO = 3,21%): – Expansion négligeable du géopolymère
20
I. García-Lodeiro et al. / Cement and
Concrete Research 37 (2007) 175–183
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Réaction alcali-granulat
OPC1 (90ème jours)
FA1 (90ème jours)
Contexte • Formulation • Application aux bétons • Durabilité
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I. García-Lodeiro et al. /
Cement and
Concrete
Research 37 (2007) 175–183
21
Réaction alcali-granulat
16 jours 90 jours
4 – géopolymère
5 – zéolites
6 – produit de RAG avec une morphologie type “rosette”
Contexte • Formulation • Application aux bétons • Durabilité
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Réaction de carbonatation:
Ca(OH)2 (pâte) + CO2 (air) → CaCO3 + H2O
Chute de pH de 13 à 9,5
Dépassivation de l’acier de renfort
Corrosion des armatures
Quelle réaction dans une matrice de géopolymère ?
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Laitier → CaO ≈ 45% Cendre volante → CaO ≈ 2-5% Mk → CaO ≈ 1%
Carbonatation
Contexte • Formulation • Application aux bétons • Durabilité
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Cendre volante → Formation de bicarbonate de sodium
Carbonatation
Contexte • Formulation • Application aux bétons • Durabilité
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Conditions accélérées
pH < 10
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Carbonatation
S.A. Bernal et al. / Cement and Concrete
Research 42 (2012) 1317–1326
Condition normale pH > 10
Le test accéléré est-il
représentatif de la réaction
naturelle ?
CNTP
Contexte • Formulation • Application aux bétons • Durabilité
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25 25 25
Carbonatation
Contexte • Formulation • Application aux bétons • Durabilité
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Première étude de
durabilité
Analyse DRX sur pâte de géopolymère
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Objectifs des études à venir:
Choix des bétons pour l’étude de durabilité en
fonction des applications visées
Adaptation des tests de durabilité à la matrice
géopolymériques
Apporter une contribution à la compréhension
des mécanismes de dégradation
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Perspectives Contexte • Formulation • Application aux bétons • Durabilité
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Conclusion
Bibliographie
• Peu d’études appliquées à la construction pour les
géopolymères à base de métakaolin
• Manque d’information sur les bétons de
géopolymère, et leur durabilité.
Travaux de thèses • Résultats sur mortier et béton encourageant
• Porosité élevée
• Durabilité…
Contexte • Formulation • Application aux bétons • Durabilité
Raphaëlle Pouhet - 10 octobre 2012