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1 Raphaëlle Pouhet - Septembre 2012 Laboratoire Matériaux et Durabilité des Con

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 Formulation et durabilité des bétons de géopolymères à base de métakaolin pour une application en préfabrication 10 octobre 2012 Raphaëlle Pouhet 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 3 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 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. 4 Contexte • Formulation • Application aux bétons • Durabilité Raphaëlle Pouhet - 10 octobre 2012 Formulation: Importance des proportions molaires 5 P. Duxson et al. / Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects 269 (2005) 47–58 Bibliographie sur la formulation des géopolymères Bibliographie sur la formulation des géopolymères Formulation des géopolymères Formulation des géopolymères Contexte • Formulation • Application aux bétons • Durabilité Raphaëlle Pouhet - 10 octobre 2012 Réseau neuronal artificiel 6 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 Formulation des géopolymères Contexte • Formulation • Application aux bétons • Durabilité Raphaëlle Pouhet - 10 octobre 2012 Métakaolin flash (Argéco développement) 7 Silicate de sodium (Gaches Chimie) Hydroxyde de sodium + + + + = = Pâte de géopolymère 50 MPa Pâte de géopolymère ≈ 50 MPa Géopolymère formulé au LMDC Formulation des géopolymères Formulation des géopolymères Contexte • Formulation • Application aux bétons • Durabilité Raphaëlle Pouhet - 10 octobre 2012 Études de formulation réalisé Études de formulation réalisé 8 Formulation optimale 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 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) 9 B. Joseph, G. Mathew / Scientia Iranica, Transactions A: Civil Engineering (2012)) Résultats semblables aux Bétons de ciment Application aux bétons de géopolymère Application aux bétons de géopolymère Contexte • Formulation • Application aux bétons • Durabilité Raphaëlle Pouhet - 10 octobre 2012 10 10 Études de durcissement: Application aux bétons de géopolymère Application aux bétons de géopolymère Contexte • Formulation • Application aux bétons • Durabilité Raphaëlle Pouhet - 10 octobre 2012 Études réalisée sur béton/mortier Études réalisée sur béton/mortier 3 jours = 90% RC finale 11 11 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 Application aux bétons de géopolymère Contexte • Formulation • Application aux bétons • Durabilité Raphaëlle Pouhet - 10 octobre 2012 Granulat siliceux: 0 – 12mm Vibration Etude mécanique sur cube 10x10x10cm Cure: 24h, 100%HR Casse à 7jours 12 12 Béton de géopolymère: Plan d’expérience Application aux bétons de géopolymère Application aux bétons de géopolymère Contexte • Formulation • Application aux bétons • Durabilité Raphaëlle Pouhet - 10 octobre 2012 → RC en fonction du rapport e/c dans les béton de ciment 13 13 Application aux bétons de géopolymère Application aux bétons de géopolymère Contexte • Formulation • Application aux bétons • Durabilité Raphaëlle Pouhet - 10 octobre 2012 → La résistance de la pâte fixe la résistance du béton Cinq sujets d’étude sur la durabilité : 14 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 Étude de la durabilité Bibliographie sur la durabilité des géopolymères Bibliographie sur la durabilité des géopolymères Contexte • Formulation • Application aux bétons • Durabilité Raphaëlle Pouhet - 10 octobre 2012 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 15 Gel / Dégel Gel / Dégel Contexte • Formulation • Application aux bétons • Durabilité Raphaëlle Pouhet - 10 octobre 2012 16 Gel / Dégel 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 Raphaëlle Pouhet - 10 octobre 2012 17 Gel / Dégel 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 Raphaëlle Pouhet - 10 octobre 2012 18 Gel / Dégel 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 Raphaëlle Pouhet - 10 octobre 2012  Etude préliminaire réalisée au LMDC, sur une matrice non optimisée et sans air entrainé 19 Réaction alcali-granulat = RAG – Réaction entre les alcalins (ciment) et la silice des granulats – Production d'un gel expansif – Fissurations Réaction alcali-granulat 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 Raphaëlle Pouhet - 10 octobre 2012 Cendres volantes (CaO = 3,21%): – Expansion négligeable du géopolymère 20 I. García-Lodeiro et al. / Cement and Concrete Research 37 (2007) 175–183 20 Réaction alcali-granulat Réaction alcali-granulat OPC1 (90ème jours) FA1 (90ème jours) Contexte • Formulation • Application aux bétons • Durabilité Raphaëlle Pouhet - 10 octobre 2012 21 21 I. García- Lodeiro et al. / Cement and Concrete Research 37 (2007) 175–183 21 Réaction alcali-granulat 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 Raphaëlle Pouhet - 10 octobre 2012 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 ? 22 Laitier → CaO ≈ 45% Cendre volante → CaO ≈ 2-5% Mk → CaO ≈ 1% Carbonatation Carbonatation Contexte • Formulation • Application aux bétons • Durabilité Raphaëlle Pouhet - 10 octobre 2012 23 Cendre volante → Formation de bicarbonate de sodium Carbonatation Carbonatation Contexte • Formulation • Application aux bétons • Durabilité Raphaëlle Pouhet - 10 octobre 2012 Conditions accélérées  pH < 10 24 Carbonatation 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 Raphaëlle Pouhet - 10 octobre 2012 25 25 25 Carbonatation Carbonatation Contexte • Formulation • Application aux bétons • Durabilité Raphaëlle Pouhet - 10 octobre 2012 Première étude de durabilité Première étude de durabilité Analyse DRX sur pâte de géopolymère 26 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 26 Perspectives Perspectives Contexte • Formulation • Application aux bétons • Durabilité Raphaëlle Pouhet - 10 octobre 2012 27 27 Conclusion 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 Merci de votre attention 28 Raphaëlle Pouhet - 10 octobre 2012 uploads/Ingenierie_Lourd/ pouhet-et-al 2 .pdf