Histoire des géopolymères

Joseph Davidovits18 en 1979. Le nom de géopolymère provient de l’analogie faite par Davidovits entre ce matériau inorganique et les polymères organiques. Davidovits les présente comme étant résistants au feu, à la chaleur, aux acides et à la compression. Les premiers géopolymères ont été synthétisés par réaction hydrothermale d’aluminosilicate avec une solution concentrée de silicates alcalins décrite comme une solution alcaline activante ; cette solution est composée de cations alcalins et d’anions silicate. Le but de ces travaux pionnier était de trouver un nouveau matériau de construction susceptible de devenir une réelle alternative au ciment Portland. La chimie des géopolymères est bien différente de celle des ciments. Les ciments doivent leurs propriétés mécaniques à une phase minérale spécifique, les C-S-H (Silicate de Calcium Hydraté). Le ciment est un liant hydraulique car il a la propriété de durcir avec l’eau, il s’agit d’une réaction d’hydratation d’oxyde de calcium, et de silicate qui forme des C-S-H. La réaction de géopolymérisation est plus proche de la formation des zéolithes et des gels aluminosilicates. En raison de leurs propriétés de résistance mécanique, les géopolymères sont qualifiés de liants alcalins. Davidovits, le premier à avoir étudié les géopolymères, ne trouva aucune nomenclature capable de décrire correctement leur structure. Ces géopolymères apparaissant amorphes aux rayons X, Davidovits leur imagina donc une structure analogue à celle des polymères organiques, et créa une nomenclature pour décrire le réseau tridimensionnel de tétraèdres SiO4 et MAlO4 (où M est un cation

Ces oligomères polysialates n’autorisent pas la formation de liaisons Al-O-Al ; bien qu’elles soient thermodynamiquement défavorables, elles ne sont pas impossibles. Cette nomenclature permet de spécifier la connectivité de chaque tétraèdre dans l’espace, mais ignore la possibilité de Al seconds voisins, elle est donc très utile pour discuter de certaines propriétés macroscopiques comme la prise, la résistance aux acides ou au feu… Néanmoins, le manque d’outils d’analyse pour les matériaux géopolymères amorphes rend délicat les discussions sur leur structure. des aluminosilicates alcalins a été adoptée : la notation Qn(mAl), avec 0 ≤ m ≤ n ≤ 4, où n est le nombre de coordination de l’atome central de silicium avec des Si ou Al seconds voisins, et m le nombre de Al deuxième voisin. Cette notation introduite par  source de silice n’est dissoute dans la solution alcaline. Davidovits16 a aussi comparé les valeurs de 2θmax de géopolymères avec les valeurs de 2θmax des pics de diffraction de cristaux naturels, et synthétiques d’aluminosilicate ; cette comparaison montre que les géopolymères sont les équivalents amorphes des principaux cristaux d’aluminosilicate. Cependant, toute discussion sur la structure moléculaire basée sur la diffraction des rayons X est sans fin, car les matériaux amorphes sont très peu résolus par cette méthode.

Selon Davidovits, la structure macromoléculaire des géopolymères ressemble à la zéolithe correspondant à sa formule chimique. Cette affirmation est fondée sur les similitudes entre les mécanismes et les cinétiques observées lors des synthèses hydrothermales de zéolithes et de géopolymères à base de kaolin. Barbosa et Mackenzie7,8 ont réalisé des analyses thermiques sur des géopolymères synthétisés à partir de métakaolin, une perte d’eau est observée autour de 200°C. Cette perte d’eau conduit à un léger retrait. La structure reste ensuite stable de 250°C à 800°C. Au delà un retrait irréversible se produit lorsque le gel cristallise. Suite à une étude  : dissolution/hydrolyse, restructuration et polycondensation/gélification. Ces trois étapes sont concomitantes, et en partie réversibles. La cinétique de chaque étape dépend de plusieurs facteurs comme le type de minéral d’aluminosilicate, le ratio solide/liquide, les concentrations en silicates et alcalins… Duxson22 a étudié l’évolution des propriétés mécaniques et de la microstructure de géopolymères pour des rapports Si/Al compris entre 1,15 et 2,15. Dans cette étude, l’effet des silicates est indirect, car c’est l’influence du rapport Si/Al qui importe. Le module d’Young et la résistance à la compression de géopolymères à base de métakaolin atteignent un maximum pour un rapport Si/Al = 1,90. Les analyses de la microstructure de ces matériaux ont montré des changements significatifs. Pour Si/Al ≤ 1,40, les matériaux présentent une importante porosité et sont peu structurés (figure 1.6 (a)). Pour Si/Al ≥ 1,65, les matériaux sont beaucoup plus homogènes et présentent des pores de l’ordre du micron (figure 1.6 (b)).