ÉTUDE RHEOLOGIQUE DES GEOPOLYMERES

Ce chapitre est dédié à l’étude de la rhéologie des géopolymères. Les géopolymères frais sont des suspensions viscoélastiques de métakaolin dans une solution de silicates. Comme, nous l’avons déjà fait observer, le géopolymère frais doit répondre à plusieurs critères rhéologiques stricts pour la cimentation des puits. Les viscosités élevées des solutions de silicates et les fractions volumiques élevées de métakaolin contribuent à rendre les formulations de géopolymères très visqueuses ce qui les condamne pour des opérations de cimentation de puits. Dans le chapitre précédent, les phénomènes responsables de la viscosité des solutions de silicate ont été étudiés, et un modèle empirique de viscosité a été établi pour ces solutions. Dans un premier temps, ce chapitre portera sur le comportement rhéologique des suspensions de métakaolin dans les solutions de silicates. Puis, sera étudiée l’évolution des propriétés viscoélastiques des géopolymères frais aux premiers instants de la géopolymérisation. Cette même étude montre que la cinétique de l’évolution de la viscosité des géopolymères frais est influencée par divers facteurs, comme la composition de la source d’alumine (cendres volantes, métakaolin) et la température. La vitesse de l’évolution de la viscosité, K, suit une relation de type Arrhenius (K = Aexp(-Ea/RT)). étudiée15,55. L’efficacité de ces superplastifiants sur les pâtes de géopolymère frais dépend de leur stabilité en milieu très alcalin. De plus, les additifs pour lesquels les répulsions électrostatiques entre particules prévalent sur la complexation sont les plus efficaces. Néanmoins, les propriétés rhéologiques de ces géopolymères frais additionnés sont encore loin de celles des ciments. En effet pour un géopolymère frais à base de cendres volantes avec un rapport liquide sur solide de 0,4, la viscosité plastique passe de 2,5

Enfin, l’étude la plus récente65 porte sur l’utilisation de géopolymères comme alternative au ciment pour la construction de puits pétroliers. Pour atteindre des viscosités raisonnables, le choix des auteurs s’est porté vers des formulations très diluées. Cependant, les caractéristiques mécaniques des matériaux pris sont à la Les géopolymères frais sont des suspensions de métakaolin dans une solution de silicate. Nous étudions ici le comportement de ces suspensions. Deux solutions de silicates de formulation SiO2/Na2O = 2 ; H2O/Na2O = 15, et SiO2/Na2O = 2 ; H2O/Na2O  le géopolymère frais subit une montée de la vitesse de cisaillement γ& de 0 à 200 s-1 en 400 s à 40°C, puis reste sous cisaillement à 200 s-1 pendant 300 s, toujours à 40°C. Ces deux premières étapes homogénéisent le milieu, et permettent d’atteindre l’équilibre en température. Lors de la troisième étape, la contrainte de cisaillement τ  (en Pa) est mesurée en fonction de la vitesse de cisaillement γ& de 200 s-1 à 5 s-1, avec un pas de 5 s-1. Pour chaque vitesse de cisaillement, on réalise un palier de 10 s avant d’enregistrer la contrainte de cisaillement correspondante ; nous avons vérifié que la durée de ce palier permettait d’avoir une valeur de la contrainte stabilisée. Ainsi, l’âge de la pâte de géopolymère n’excède pas 30 min à la fin de la mesure, on peut considérer que durant la mesure, la nature chimique de la pâte n’évolue que très peu.

1 le terme de puissance). Pour lesquels, la contrainte du seuil à l’écoulement τ0 et la consistance k augmentent avec la fraction volumique de métakaolin, mais surtout le terme de puissance n diminue lorsque Φmk augmente, jusqu’à se retrouver un comportement de type Bingham pour les solutions les plus concentrées en métakaolin. Φmk aux premiers instants, juste après le gâchage à 10 s-1. Dans cette gamme de fraction volumique, on peut proposer une approximation de la viscosité des géopolymères frais à partir des paramètres de formulation par une relation empirique du type :  Les viscosités importantes rendent difficiles le pompage et la mise en place des géopolymères frais en fond de puits. Les modèles courants de viscosité des suspensions, comme les modèles de Krieger-Dougherty ou de Mooney, ne s’adaptent pas aux pâtes de géopolymères frais. Tout se passe comme si la fraction volumique de métakaolin Φmk était sous estimée, et qu’il y avait une fraction 2). Le protocole de préparation des pâtes de géopolymères est le même que celui présenté au chapitre 2. Une fois le géopolymère préparé, la pâte est soumise à un cisaillement Aux premiers instants, on constate une baisse de la viscosité. Plusieurs effets peuvent être responsables de cette observation. Tout d’abord, la dissolution du métakaolin conduit à une baisse de la fraction volumique de solide, mais augmente la proportion d’espèces dissoutes. La deuxième hypothèse que l’on peut avancer est la stabilisation en température de la pâte. L’expérience se faisant à 40°C, c’est à dire à une température supérieure à la température de malaxage, durant les premières minutes de la mesure, la température de la pâte augmente induisant une diminution de la viscosité.