Matériaux bruts et protocole de préparation

Le premier aspect contraignant des géopolymères est leur viscosité élevée. Les géopolymères frais sont des suspensions viscoélastiques d’une source d’alumine dans une solution de silicate alcaline. La viscosité des solutions de silicate peut s’avérer être une limite pour l’application visée. De plus, la composition chimique de ces solutions va impacter non seulement les caractéristiques physiques des géopolymères, mais aussi la réaction de géopolymérisation. Un chapitre est donc consacré à l’étude des solutions de silicate i.e. à leurs caractérisations aussi bien chimique que physique, le but étant de comprendre quels sont les phénomènes responsables des viscosités élevées des solutions de silicate alcalines. Le chapitre suivant s’intéresse à la viscosité des géopolymères frais, mais aussi à l’évolution de cette viscosité aux premiers instants de la géopolymérisation, en fonction des différents paramètres de formulation et de la température.  Le dernier axe d’étude de cette thèse porte sur le suivi cinétique de la géopolymérisation par une méthode chimique et une autre mécanique. Le but étant de déterminer les paramètres et phénomènes gouvernant la cinétique de géopolymèrisation. Une première étape de ce travail a donc été de développer des techniques de caractérisations de la cinétique.  L’un des atouts majeurs des géopolymères est leur facilité de synthèse. La synthèse d’un géopolymère se limite au malaxage d’une argile calcinée avec une solution alcaline. Cette facilité de synthèse entraîne une diversité des sources et des protocoles de préparation, rendant toute analyse comparative difficile. Le choix des matériaux utilisés, et la description du protocole de préparation sont donc importants.

Le diamètre médian (d 0,5) des particules par granulométrie par voie humide est de 11 µm en volume et de 0,76 µm en nombre, contre 8 µm en volume et de 0,36 µm en nombre par granulométrie par voie sèche. La figure 2.2 représente les spectres RMN MAS 27Al et RMN MAS 29Si du métakaolin. Pour notre étude, il est important de connaître la spéciation des atomes d’aluminium du métakaolin. En effet, dans nos formulations, le métakaolin constitue l’unique source d’aluminium des géopolymères étudiés dans cette thèse. Cette spéciation des atomes d’aluminium sera particulièrement étudiée dans un chapitre ultérieur. Comme nous le verrons plus tard, il est difficile de préciser la spéciation  La figure 2.3 représente les diffractogrammes aux rayons X de la kaolinite Merck, et du métakaolin. Le métakaolin est globalement amorphe, avec quelques résidus cristallins de kaolinite responsable des pics de diffractions observables sur le spectre du métakaolin. Les solutions de silicate alcalines sont, elles aussi, synthétisées à partir de matériaux purs provenant du commerce. Ainsi, le gel de silice Davisil®, Grade 636 de Sigma Aldrich a été choisi comme source de silice. Le choix s’est porté sur ce gel, pour deux raisons. Tout d’abord sa pureté : il est composé de SiO2 à plus de 99%. Ensuite, la taille importante des particules 250-500  µm rend la silice non pulvérulente, donc sans risque lors de sa manipulation. Les solutions de silicate alcalines sont issues de la dissolution de ce gel de silice dans une solution alcaline, préparée à partir d’eau distillée et de soude ou de potasse de chez Merck. Pour cela, la silice est dissoute dans une solution d’hydroxyde alcalin. La solution de silicate alcaline est laissée sous agitation pendant 24 h, afin de s’assurer que la silice soit bien dissoute et que l’équilibre chimique entre les espèces silicatées soit atteint. Cette étape se déroule dans un récipient hermétique afin d’éviter l’évaporation de l’eau et la carbonatation de la solution. Nos géopolymères sont synthétisés à partir de métakaolin gâché avec une solution de silicate alcaline. Afin de caractériser nos formulations, nous utilisons des rapports de formulations A/B correspondant au rapport du nombre de moles de l’espèce A sur  Les géopolymères sont définis par trois rapports de formulation Si/Al, Na/Al et H2O/M2O. Le métakaolin possède une stœchiométrie de 2SiO2.Al2O3, et donc un rapport Si/Al de 1 ; il est donc facile de faire varier la composition des géopolymères par l’utilisation de solutions d’activation de concentrations différentes en silice. La gamme de formulation de géopolymères accessibles est limitée par la gamme de solutions de silicate alcaline. En effet, au-delà d’une certaine concentration en silice fluctuant selon le rapport H2O/M2O et la nature de l’alcalin, il y a apparition Les différentes études présentées dans cette thèse ont nécessité l’utilisation de plusieurs techniques expérimentales. Certaines de ces techniques sont courantes dans le domaine d’étude des ciments mortiers. D’autres techniques, moins communes et développées à IFP Énergies nouvelles, feront l’objet d’une présentation plus détaillée. Les différentes techniques sont présentées par ordre d’apparition dans cette thèse, mais peuvent toutefois être utilisées dans différents chapitres.