Contexte de la recherche sur les géopolymères
Le béton est actuellement le matériau de construction le plus utilisé au monde. Plus de 95 % du ciment produit et utilisé aujourd'hui est du ciment Portland. Cependant, sa production consomme d'importantes ressources et de l'énergie et émet des quantités considérables de poussières et de gaz résiduaires (tels que le CO₂ et le SO₂), ce qui accroît les pressions environnementales. De plus, le ciment Portland présente certaines limites lorsqu'il est utilisé dans les bétons hautes performances. C'est pourquoi l'utilisation d'adjuvants minéraux a commencé à être étudiée pour produire un nouveau type de liant destiné à le remplacer.
Comparés au ciment ordinaire, les géopolymères présentent des propriétés mécaniques et une durabilité supérieures. De plus, ils présentent de nombreux avantages en termes d'origine des matières premières, de consommation énergétique, de performance et de durabilité. Ils peuvent être considérés comme un ciment « vert et respectueux de l'environnement », appelé à devenir un matériau de construction écologique incontournable au XXIe siècle.
À l'aide d'un malaxeur à béton planétaire à contre-courant, les matières premières peuvent être mélangées uniformément dans des conditions de cisaillement élevé, ce qui contribue à activer leurs composants réactifs plus efficacement.
Qu'est-ce qu'un géopolymère ?
1. Définition
(1) Un géopolymère est un matériau fabriqué à partir de composés d'aluminosilicate d'origine naturelle ou artificielle dans des conditions alcalines par géopolymérisation, produisant un matériau semblable au ciment avec une résistance, une stabilité et une durabilité élevées.
(2) Un géopolymère est un nouveau liant alcalin-activé, différent du ciment Portland ordinaire. Comparé au ciment Portland, il utilise des matières premières abondantes, consomme moins d'énergie, n'émet quasiment aucun déchet et évite la consommation de calcaire, ce qui en fait un matériau de construction écologique.
(3) D'un point de vue de la production, les géopolymères sont fabriqués en faisant réagir chimiquement des matières premières aluminosilicates (telles que le métakaolin ou les cendres volantes) avec un activateur alcalin ; cette réaction produit un matériau chimiquement analogue à certaines cendres volcaniques.
(4) D'un point de vue structurel, les géopolymères forment une nouvelle classe de matériaux avec un réseau aluminosilicate 3D.
(5) Du point de vue des liaisons, les géopolymères sont constitués d'un réseau de liaisons covalentes principalement formées de silicium et d'aluminium.
2.Structure
La structure principale d'un géopolymère est une structure aluminosilicate 3D, amorphe à semi-cristalline. Elle est composée de tétraèdres silicium-oxygène et d'aluminium-oxygène.
L’utilisation d’un malaxeur à béton planétaire à contre-courant pendant la production permet de disperser et d’activer uniformément ces composants, produisant ainsi une structure de réseau 3D plus homogène.
Schéma de la structure du géopolymère
Préparation du géopolymère
1. Principales matières premières
(1) Métakaolin, produit par un traitement thermique approprié de l'argile kaolinique.
(2) Sous-produits industriels riches en aluminosilicate, tels que les scories de haut fourneau, les cendres volantes, le phosphogypse et les déchets d'argile.
(3) Résidus de feldspath, chimiquement analogues au métakaolin mais avec une petite quantité de calcium.
(4) Activateur alcalin, généralement de l'hydroxyde de sodium ou de potassium, du verre soluble ou du silicate de potassium.
(5) Modificateurs de prise, silicate de calcium faible, fumée de silice et adjuvants (tels que retardateurs).
2. Processus de préparation
(1) Si le métakaolin est la matière première, il faut d'abord l'activer par traitement thermique à environ 850 °C. Le choc thermique le transforme en une forme réactive.
(2) La matière première est ensuite mélangée dans un malaxeur planétaire à contre-courant avec un activateur alcalin et de l'eau. Le verre soluble est fréquemment utilisé ; son module, sa concentration et ses conditions de durcissement influent sur les propriétés finales.
(3) Après avoir ajouté de l'eau et la solution alcaline, le mélange est vigoureusement mélangé, versé dans des moules, compacté par vibration, puis démoulé et durci.
(4) Si les cendres volantes sont la matière première, la procédure est analogue.
Résumé : La procédure principale comprend (1) le prétraitement des matières premières, (2) la préparation et le dosage de la solution alcaline, (3) le mélange dans un malaxeur à béton planétaire à contre-courant, (4) le moulage et le compactage par vibration, et (5) le démoulage et le durcissement.
3. Mécanisme de polymérisation
Le procédé de géopolymérisation comprend :
(1) dissolution de matériaux aluminosilicates dans des conditions alcalines ;
(2) diffusion des espèces dissoutes dans les pores ;
(3) formation d’une phase gel par polycondensation ;
(4) durcissement progressif en un matériau monolithique.
L'utilisation d'un malaxeur à béton planétaire à contre-courant pendant ce processus garantit un mélange uniforme et une réaction plus complète.
Caractéristiques de performance des géopolymères
1. Propriétés physiques
(1) Faibles coefficients de retrait et de dilatation ;
(2) Excellente résistance aux hautes températures ;
(3) Résistance à la compression, à la flexion et au cisaillement supérieure à celle du ciment Portland ordinaire ;
(4) Durable et chimiquement stable dans des conditions agressives.
L’utilisation d’un malaxeur à béton planétaire à contre-courant permet de développer une structure dense et homogène, ce qui contribue directement à ces propriétés souhaitables.
| Propriétés physiques | Gamme | Remarques |
| Densité (g*cm)-3） | 0,85-1,8 | Augmente avec l'augmentation de la teneur en silicium |
| Point de fusion(°C) | 800-1400 | |
| Coefficient de dilatation thermique (10)-6°C-1） | 4-25 | Augmente avec l'augmentation de la teneur en silicium |
| dureté de Mohs | 4-7 | Cela dépend de la méthode de formage et des propriétés de la charge |
| Résistance à la compression/Mpa | ≥15 | Système géopolymère pur |
| Résistance à la flexion/Mpa | ≥5 | Système composite géopolymère |
| résistance au cisaillement/Mpa | 30-190 |
2. Propriétés chimiques
(1) Capacité à encapsuler des ions de métaux lourds ;
(2) Prise et durcissement rapides ;
(3) Résistance aux acides exceptionnellement forte ;
(4) Degré de polymérisation et de résistance à l'oxydation plus élevé.
3. Avantages
(1) Consommation d’énergie réduite pendant la production ;
(2) Disponibilité de matières premières abondantes et moins chères ;
(3) Durable, chimiquement inerte et respectueux de l’environnement ;
(4) Moins de retrait, plus grande stabilité dimensionnelle.
Applications industrielles des géopolymères
1.Infrastructures et construction :
Les géopolymères sont utilisés pour réparer et renforcer les bâtiments et les ponts, augmentant ainsi leur résistance aux tremblements de terre et aux ouragans. Les matériaux composites géopolymères à fibres continues sont actuellement utilisés dans de nombreuses régions pour le renforcement des structures.
2. Applications aéronautiques :
Les matériaux géopolymères, avec leur légèreté et leur résistance thermique, ont été utilisés pour les composants d'avions, tels que les panneaux de cabine et les sièges.
L'utilisation d'un malaxeur à béton planétaire à contre-courant pendant la production garantit des propriétés de matériau uniformes souhaitées pour cette application.
3. Applications automobiles :
En 1994-95, l'équipe Benetton F1 a appliqué avec succès des matériaux composites géopolymères aux composants de sa voiture de F1 - une avancée majeure en termes de légèreté, de résistance aux hautes températures et de stabilité mécanique.
4.Fonderie et métallurgie des métaux non ferreux :
Étant donné que les géopolymères peuvent conserver leur stabilité structurelle à des températures de 1 000 à 1 200 °C, ils trouvent des applications dans la coulée de métaux non ferreux et la métallurgie.
5.Construction civile :
Les géopolymères durcissent rapidement et développent rapidement leur résistance, généralement en 4 heures, ce qui les rend idéaux pour les réparations et les projets accélérés dans les secteurs des autoroutes, des aéroports et des chemins de fer.
6. Applications de circulation et de réparation :
Pour les réparations d'autoroutes ou d'aéroports, unbétonnière planétaire à contre-courantPermet de produire un mélange à prise rapide. Le matériau est praticable en une heure ; après six heures, il peut accueillir des avions.
7. Élimination des déchets nucléaires et dangereux :
Les géopolymères forment une structure en forme de cage qui encapsule en toute sécurité les ions de métaux lourds et les déchets nucléaires, empêchant ainsi leur libération dans l’environnement.
8. Applications artistiques et décoratives :
Les matériaux géopolymères peuvent être traités pour ressembler à la pierre naturelle, ce qui les rend souhaitables pour les composants architecturaux et ornementaux.
9. Installations de stockage :
L’utilisation de matériaux géopolymères pour construire des silos de stockage de céréales permet un contrôle naturel de la température et de l’humidité ainsi qu’une résistance aux parasites.