Effet de la Concentration en Hydroxyde de Sodium et du Degré de Durcissement Thermique sur le Mortier Géopolymère à base de Cendres volantes

Résumé

Le béton / mortier géopolymère est le nouveau développement dans le domaine des constructions de bâtiments dans lequel le ciment est totalement remplacé par un matériau pouzzolanique comme les cendres volantes et activé par une solution alcaline. Cet article a présenté l’effet de la concentration d’hydroxyde de sodium, de la température et de la durée du chauffage du four sur la résistance à la compression du mortier géopolymère à base de cendres volantes. Solution de silicate de sodium contenant du Na2O à 16,45%, du SiO2 à 34,35% et du H2O à 49.20% et solution d’hydroxyde de sodium de 2.91, 5.60, 8.10, 11.01, 13.11, et 15.08. Les concentrations de moles ont été utilisées comme activateurs alcalins. Des mélanges de mortier géopolymères ont été préparés en considérant un rapport solution/cendres volantes de 0,35, 0,40 et 0,45. La température de cuisson au four a été maintenue à 40, 60, 90 et 120 ° C chacune pendant une période de chauffage de 24 heures et la résistance à la compression a été testée à l’âge de 3 jours comme période d’essai après un degré de chauffage spécifié. Les résultats des tests montrent que la maniabilité et la résistance à la compression augmentent toutes deux avec l’augmentation de la concentration de solution d’hydroxyde de sodium pour tous les rapports solution / cendres volantes. Le degré de chauffage joue également un rôle essentiel dans l’accélération de la résistance; cependant, il n’y a pas de changement important de la résistance à la compression au-delà de la période d’essai de trois jours après la période spécifiée de chauffage du four.

1. Introduction

L’industrie du ciment est l’un des principaux contributeurs à l’émission de gaz à effet de serre comme le dioxyde de carbone, qui représente environ 1,35 milliard de tonnes par an. Jour après jour, la production mondiale de ciment Portland augmente avec la demande croissante de l’industrie de la construction qui franchit le millier de millions de tonnes par an. De l’autre côté, les cendres volantes sont les déchets des centrales thermiques à base de charbon, qui sont disponibles en abondance mais posent des problèmes d’élimination. Plusieurs hectares de terres précieuses sont nécessaires à leur élimination. Comme les cendres volantes sont légères et volent facilement, cela crée de graves problèmes de santé comme l’asthme, la bronchite, etc. Selon l’enquête, la production totale de cendres volantes dans le monde est d’environ 780 millions de tonnes par an. Avec le silicium et l’aluminium comme constituants principaux, les cendres volantes sont un matériau de remplacement efficace du ciment, mais l’utilisation n’est que de 17 à 25%. À l’heure actuelle, les cendres volantes sont utilisées dans la production de ciment de Pouzzolane Portland, le remplacement partiel du ciment et le mélange améliorant la maniabilité dans le béton, ainsi que dans la production de blocs et de briques cellulaires et dans la stabilisation du sol. Chaque tonne de cendres volantes utilisée à la place du ciment Portland permet d’économiser environ une tonne d’émission de dioxyde de carbone dans l’atmosphère. Le mortier et le béton fabriqués avec des cendres volantes sont respectueux de l’environnement et peuvent être fabriqués pour remplacer plus de 50% du ciment pour produire du béton à haut volume de cendres volantes.

Mais pour une utilisation complète des cendres volantes, Davidovits a suggéré le processus d’activation dans lequel le ciment est totalement remplacé par un matériau pouzzolanique et activé par une solution alcaline appelée géopolymère. Le développement du béton / mortier géopolymère peut fournir une solution pour produire des matériaux de construction plus écologiques pour le développement durable.

Davidovits a souligné l’impact du réchauffement climatique dû aux émissions de CO2 des productions de ciment Portland et la nécessité de matériaux cimentaires à faibles émissions de CO2. Rai et coll. a présenté plusieurs aspects environnementaux de l’élimination des cendres de charbon et de la contamination des eaux souterraines, tandis que Pandey et al. a mis en évidence le problème dû à la production de cendres volantes dans les centrales thermiques et à son élimination, ainsi que la pollution impliquée en raison de la présence d’arsenic. Rajamane et Sabitha ont étudié l’action pouzzolanique des cendres volantes et des fumées de silice avec l’hydroxyde de calcium généré lors de l’hydratation du ciment. Suri a expliqué l’application des cendres volantes pour la fabrication de produits de construction innovants pour la construction, de l’utilisation partielle à complète des cendres volantes dans le béton géopolymère. Jiminez et coll. rapporté que les cendres volantes activées ont des propriétés de prise rapide et de développement de résistance rapide et sont également utilisées pour l’immobilisation des déchets toxiques. Davidovits a démontré la polycondensation du géopolymère à des températures inférieures à 100 °C et la réaction chimique impliquée dans leur formation. Hardjito et coll. a étudié l’effet du rapport masse-eau des solides géopolymères sur la résistance à la compression du béton géopolymère à base de cendres volantes, tandis que Fongjan et Ludger ont observé les rapports molaires oxyde, les propriétés physiques et les morphologies des matériaux solides et les conditions de durcissement sont les facteurs clés influençant les propriétés potentielles du mortier géopolymère. Rangan et coll. a constaté que le béton géopolymère à base de cendres volantes présente une excellente résistance à l’attaque du sulfate, subit un faible fluage et subit très peu de retrait de séchage. Hardjito et coll. a étudié les effets du temps de mélange et de la période de repos tandis que Sumajouw et al. a étudié le comportement et la résistance des colonnes et poutres en béton géopolymère renforcé. L’effet de la composition molaire des oxydes présents dans le mélange et de la teneur en eau utilisée sur le procédé de polymérisation a été étudié par Barbosa et al. . van Jaarsveld et coll. on a observé que la teneur en eau a un effet substantiel sur les propriétés finales du géopolymère, alors que le rapport solution/cendres volantes n’est pas un paramètre pertinent comme l’ont observé Palomo et Fernandez-Jimenez. Ranganath et Mohammed ont mis en évidence l’effet des cendres volantes, de la teneur en eau, du rapport silicate de sodium sur hydroxyde de sodium et de la durée du durcissement à température élevée sur les propriétés du béton géopolymère, alors que Mustafa Al Bakri et al. et Jamkar et coll. observé l’augmentation de la maniabilité et de la résistance à la compression avec l’augmentation de la finesse des cendres volantes.

Dans la présente étude, un travail expérimental est effectué pour étudier l’effet de diverses concentrations de solution d’hydroxyde de sodium en termes de molarité à des rapports solution / cendres volantes de 0,30, 0,35 et 0,40 sur la maniabilité en termes d’écoulement à l’état plastique et l’effet du degré de chauffage sur la résistance à la compression après une période spécifiée de durcissement thermique du mortier géopolymère à base de cendres volantes.

2. Programme expérimental

2.1. Matériaux

Dans la présente enquête, une cendre volante traitée à faible teneur en calcium a été utilisée comme matière première. Le résidu de cendres volantes retenu sur tamis de 45 µm a été rapporté à 7,67%. Le tableau 1 montre la composition chimique de l’échantillon de cendres volantes traité à sec. Les solutions d’hydroxyde de sodium de qualité laboratoire sous forme de flocons (pureté à 97,8%) et de silicate de sodium (solides à 50,72%) ont été utilisées comme activateurs alcalins. Le sable de rivière disponible localement a été utilisé comme matériau de remplissage. Le sable est tamisé à l’aide de tamis de tailles 2 mm, 1 mm, 500 microns et 90 microns. Ces fractions de taille sont combinées en proportion égale pour maintenir un classement conforme au sable standard selon IS 650: 1991. Les rapports solution alcaline/cendres volantes ont été considérés comme étant de 0,35, 0,40 et 0,45 pour chaque solution concentrée d’hydroxyde de sodium de 2,91 M, 5,61 M, 8,11 M, 11,01 M, 13,11 M et 15,06 M. Le durcissement au four a été effectué à 60 ° C, 90 ° C et 120 ° C chacun pendant une période de chauffage de 24 heures et testé après 3 jours de période d’essai après chauffage.

2.2. Préparation d’une solution d’hydroxyde de sodium

Selon la concentration de solution d’hydroxyde de sodium requise, des flocons d’hydroxyde de sodium ont été ajoutés dans un litre d’eau distillée au lieu de préparer une solution d’un litre. Ensuite, la molarité a été trouvée à partir des mesures de laboratoire. Par exemple, une solution d’hydroxyde de sodium à 3 M est constituée de 3 × 40 = 120 grammes de solides NaOH par litre de solution. Mais au lieu de cela, des flocons d’hydroxyde de sodium de 120 g ont été ajoutés dans un litre d’eau distillée. Le volume total de solution était donc de 1,030 litre. Le solide contenu dans un litre de solution d’hydroxyde de sodium a été estimé à (120/1030) × 1000 = 116,40 g. La molarité de la solution est donc (116,40/40) = 2,91 M au lieu de 3 M. Une solution d’hydroxyde de sodium a été préparée deux jours avant la coulée des cubes de mortier de manière à refroidir la solution jusqu’à température ambiante spécifiquement en saison estivale.

2.3. Préparation de Mélanges de mortier géopolymères

Des mélanges de mortier géopolymères ont été préparés après avoir remplacé totalement le ciment par la même quantité de cendres volantes et l’avoir activé par des solutions alcalines d’hydroxyde de sodium et de silicate de sodium. Des cubes de mortier géopolymère ont été préparés en utilisant des proportions 1: 3 de cendres volantes et du sable disponible localement classé de manière similaire au sable standard. Les quantités de solution alcaline et d’eau ont été calculées en considérant un rapport solution/ cendres volantes de 0,35, 0,40 et 0,45, un rapport massique silicate de sodium / hydroxyde de sodium de 1,0 et un rapport massique solide eau / géopolymère de 0.2625 sur la base d’une enquête antérieure. Des quantités calculées de solution de silicate de sodium mélangées à une solution de silicate de sodium avec de l’eau supplémentaire, le cas échéant, dans une bouteille en verre d’une capacité de cinq litres et agitées doucement pour donner une solution homogène. La solution préparée a été conservée de côté pendant environ 2 heures afin d’éviter toute contamination lors de la coulée.

La coulée du mortier géopolymère est similaire à celle du mortier de ciment dans lequel un mélange sec de cendres volantes et de sable calibré a été réalisé dans un bol de capacité 6 kg puis une solution alcaline y est ajoutée et soigneusement mélangée pendant 2 à 3 minutes de manière à donner un mélange homogène. Il a été constaté que le mortier géopolymère frais à base de cendres volantes était visqueux, cohésif et de couleur foncée. Après avoir obtenu le mélange homogène, l’ouvrabilité du mortier de géopolymère frais a été mesurée par un appareil à table d’écoulement selon IS 5512-1983 et IS 1727-1967. Ensuite, pour chaque concentration d’hydroxyde de sodium, 48 cubes de taille 70.7 mm × 70,7 mm × 70,7 mm ont été coulés en trois couches. Chaque couche a été bien compactée par une tige de bourrage de diamètre 20 mm. Après compactage du mortier, la surface supérieure a été nivelée à la truelle et les côtés du moule ont été taraudés doucement pour expulser l’air, le cas échéant, présent à l’intérieur du mortier. Tous les cubes ont été retirés des moules après 24 heures de coulée puis placés dans un four pour le durcissement thermique (chauffage). Pour éviter la variation soudaine de la température, les cubes de mortier ont été laissés refroidir jusqu’à température ambiante dans le four lui-même. Après 24 heures, les échantillons ont été retirés du four et le poids de chaque échantillon a été prélevé pour déterminer la densité massique, puis testé pour la résistance à la compression après 3 jours de chauffage. La procédure d’essai est similaire à celle du mortier de ciment mentionnée dans IS 4031 (partie VI)-1981. Trois cubes ont été coulés et testés pour leur résistance à la compression pour chaque période de durcissement.

3. Résultats et discussions

Les résultats de l’ouvrabilité en termes d’écoulement et d’effet de diverses concentrations de solution d’hydroxyde de sodium et de température sur la résistance à la compression du mortier géopolymère sont présentés dans les sections suivantes.

3.1. Effet de la concentration d’hydroxyde de sodium sur l’ouvrabilité du mortier géopolymère

Comme le mortier géopolymère était visqueux et que l’eau sortait pendant le processus de polymérisation, le test de la table d’écoulement montre des résultats relativement bons que les autres méthodes de mesure de l’ouvrabilité. La figure 1 montre l’effet de la concentration de la solution d’hydroxyde de sodium en termes de molarité sur l’écoulement du mortier géopolymère après 10 secousses pour des rapports solution/cendres volantes de 0,35, 0,40 et 0,45. On observe que la concentration plus élevée de solution d’hydroxyde de sodium a entraîné un débit plus élevé pour un rapport solution alcaline / cendres volantes de 0,35 et 0,40. Cela signifie que le flux de mortier géopolymère augmente avec l’augmentation de la concentration de solution d’hydroxyde de sodium. Mais pour un rapport solution/cendres volantes de 0,40, le taux de gain d’écoulement n’est pas très significatif à et au-dessus de 11.Concentration de 01 M de solution d’hydroxyde de sodium. Cela pourrait être dû à la réduction de la quantité d’eau nécessaire pour maintenir le rapport solide eau / géopolymère de 0,2625 dans le mélange et le mortier géopolymère fabriqué avec une solution d’hydroxyde de sodium hautement concentrée donne un mélange très visqueux.

Figure 1

Effect of concentration of sodium hydroxide on flow of geopolymer mortar for different solution-to-fly ash ratios.

3.2. Effet de la concentration de l’hydroxyde de sodium sur la résistance à la compression du mortier géopolymère

La figure 2 montre l’effet de la concentration de la solution d’hydroxyde de sodium en termes de molarité sur la résistance à la compression du mortier géopolymère chauffé au four à des températures de 40, 60, 90 et 120 ° C pendant une durée de 24 heures et testé après 3 jours de chauffage au four pour un rapport solution / cendres volantes de 0,35. On observe que la résistance à la compression du béton géopolymère augmente avec l’augmentation de la concentration en solution d’hydroxyde de sodium pour toutes les températures mais que le taux de gain de résistance est différent pour différentes concentrations en solution d’hydroxyde de sodium. Le taux de gain de résistance est plus élevé entre des températures de durcissement de 40 et 60 ° C par rapport à 60 à 90 ° C et 90 à 120 ° C pour toutes les concentrations de solution d’hydroxyde de sodium. Cependant, il n’y a pas de variation significative de la résistance à la compression du mortier géopolymère à et au-dessus de 13.Concentration de 11 M de solution d’hydroxyde de sodium. Elle est due à une formation de mélange très visqueux à une concentration plus élevée d’hydroxyde de sodium qui crée un problème de compactage. On observe également que la concentration légère de solution d’hydroxyde de sodium de 2,91 M donne une résistance médiocre.

Figure 2

Effet du degré de chauffage pour différentes concentrations de solution de NaOH sur la résistance à la compression à un rapport solution / cendres volantes de 0,35.

Les figures 3 et 4 montrent l’effet de la concentration de la solution d’hydroxyde de sodium sur la résistance à la compression du mortier géopolymère pour un rapport solution/cendres volantes de 0,40 et 0,45 en maintenant d’autres paramètres constants. On observe que la résistance à la compression du béton géopolymère augmente avec l’augmentation de la concentration en solution d’hydroxyde de sodium pour toutes les températures mais le taux de gain de résistance à 60°C et plus n’est pas très significatif. Cela signifie que le degré de chauffage à 60 ° C est suffisant lorsque les rapports solution/cendres volantes sont de 0,40 et 0.45. De même, une solution d’hydroxyde de sodium avec une concentration de 8,01 M suffit pour obtenir une résistance remarquable. Un rapport solution-cendres volantes plus élevé montre une résistance plus élevée à la même concentration de solution d’hydroxyde de sodium. Mais un rapport solution-cendres volantes plus élevé donne un mélange plus visqueux et crée des difficultés de compactage qui réduisent finalement la résistance, comme on l’observe clairement sur la figure 4.

Figure 3

Effet du degré de chauffage pour différentes concentrations de solution de NaOH sur la résistance à la compression à un rapport solution / cendres volantes de 0,40.

Figure 4

Effet du degré de chauffage pour différentes concentrations de solution de NaOH sur la résistance à la compression à un rapport solution / cendres volantes de 0,45.

3.3. Effet de la Concentration de la Solution d’hydroxyde de Sodium sur la Densité Massique du Mortier Géopolymère

Le tableau 2 montre l’effet de la concentration de la solution d’hydroxyde de sodium sur la densité massique du mortier géopolymère calculé après chauffage au four à 90 ° C pendant une durée de 24 heures et refroidissement des cubes au four pendant encore 24 heures pour un rapport solution/cendres volantes de 0,35. On observe que la masse volumique moyenne est de 2178,73 kg/m3 pour l’ensemble des mélanges. Il n’y a pas de variation importante de la densité massique du mortier géopolymère pour toutes les concentrations de solution d’hydroxyde de sodium pour tous les rapports solution/cendres volantes, comme on l’observe dans les tableaux 2, 3 et 4. Cela signifie que la densité du béton géopolymère ne dépend pas de la concentration de la solution d’hydroxyde de sodium ni des rapports solution/cendres volantes.

3.4. Effet de la concentration de la solution d’hydroxyde de sodium sur l’alcalinité du mortier géopolymère

Après avoir testé la résistance à la compression des cubes de mortier, le matériau du cube de mortier a été broyé et tamisé à travers un tamis de 90 µm. Ensuite, 20 g de poudre ont été prélevés avec 200 mL d’eau distillée dans un bécher en verre d’une capacité de 500 mL. Le mélange a été agité pendant quelques minutes et après 24 heures, la solution a été filtrée à l’aide du papier Whatman n° 9. Ensuite, l’alcalinité de la solution filtrée a été mesurée sur un pH-mètre numérique.

Les tableaux 2, 3 et 4 montrent l’effet de la concentration de la solution d’hydroxyde de sodium sur l’alcalinité du mortier géopolymère pour des rapports solution/cendres volantes de 0,35, 0,40 et 0,45, respectivement. On observe que l’alcalinité du mortier géopolymère n’est pas très affectée par l’augmentation de la concentration en solution d’hydroxyde de sodium. Le pH maximal du mortier géopolymère est de 10,92, ce qui est inférieur à celui du mortier de ciment conventionnel (pH = 11,3–11,6). Cela signifie qu’il y a moins de chances de réaction alcali-agrégat même si une solution hautement alcaline est utilisée pour la préparation du mortier géopolymère.

3.5. Effet de la durée du chauffage sur la résistance à la compression du mortier géopolymère

La figure 5 montre l’effet de la durée du chauffage sur la résistance à la compression du mortier géopolymère à des températures de 60 °, 90 ° et 120 ° C pour une solution d’hydroxyde de sodium concentrée de 13,11 M à un rapport solution / cendres volantes de 0,40. On observe que la résistance à la compression du mortier géopolymère augmente avec l’augmentation de la durée de chauffage à une température particulière. On observe également que le taux de gain de résistance augmente à mesure que la durée de chauffage augmente spécifiquement à température plus élevée. Après 12 heures de cuisson à température, le taux de gain de résistance n’est pas très significatif spécifiquement à 90 °C et 120°C Mais à température de chauffage de 60°C, le taux de gain de résistance est en constante augmentation pour toutes les périodes de cuisson. Cela signifie que la résistance du béton géopolymère peut être augmentée en augmentant la température avec une durée de chauffage réduite. Mais à une température de chauffage de 120 ° C, des fissures se développent sur la surface du béton, de sorte que la température appropriée pour la fabrication du béton géopolymère se situe entre 60 et 90 ° C.

Figure 5

Effet de la durée de chauffage sur la résistance à la compression à 13,11 M NaOH.

3.6. Effet de la période d’essai sur la résistance à la compression du mortier géopolymère

Pour optimiser la durée du durcissement à la température, une étude plus approfondie a été réalisée en considérant une durée supplémentaire de 8 et 10 heures et pour la période d’essai de 1, 2, 3 et 7 jours en maintenant le durcissement à la température à 90 ° C. La figure 6 montre l’effet de la période d’essai sur la résistance à la compression du mortier géopolymère à une température de durcissement de 90 ° C pendant différentes durées de chauffage. La période d’essai est la durée considérée après le chauffage des cubes jusqu’à l’essai de résistance à la compression à température ambiante. On observe que la résistance du mortier géopolymère augmente avec l’augmentation de la période d’essai lorsque la durée de chauffage est de 6 heures, tandis que pour une durée de chauffage plus élevée, un gain de résistance important est observé jusqu’à la période d’essai de 3 jours puis augmente avec une vitesse lente. Il n’y a pas de changement important dans la résistance à la compression du mortier géopolymère testé après une période d’essai de 3 jours pendant 8, 10 et 12 heures de chauffage. Cela signifie que seulement 3 jours de période d’essai sont suffisants pour atteindre la résistance souhaitée pour le chauffage du four à 90 ° C et pour une durée de 8 heures.

Figure 6

Effet de la période d’essai sur la résistance à la compression du mortier géopolymère à une température de durcissement de 90 ° C pendant différentes durées de chauffage.

4. Conclusions

Cet article présentait l’effet de la concentration d’hydroxyde de sodium, de la température, de la durée de chauffage et de la période d’essai sur le développement du mortier géopolymère. On observe que l’ouvrabilité ainsi que la résistance à la compression du mortier géopolymère augmentent avec l’augmentation de la concentration en solution d’hydroxyde de sodium en termes de molarité. Le taux de gain de résistance est lent lorsque la chaleur est durcie à 40 ° C par rapport à la résistance à 120 ° C, Mais il n’y a pas de changement notable de résistance à la compression au-delà de la température de cuisson de 90 ° C. De même, une durée de chauffage de l’ordre de 6 à 24 heures produit une résistance à la compression plus élevée. Cependant, l’augmentation de la force au-delà de 12 heures n’est pas très significative. On observe également que la résistance à la compression du béton géopolymère augmente avec l’augmentation de la période d’essai jusqu’à trois jours. Ainsi, pour la préparation appropriée du mortier géopolymère, une solution à 13 molaires d’hydroxyde de sodium est recommandée sur la base de la maniabilité et de la résistance à la compression. De même, il est également recommandé que les cubes soient durcis dans un four à 90 ° C pendant 8 heures et testés après une période d’essai de 3 jours.

Conflit d’intérêts

Les auteurs déclarent qu’il n’y a pas de conflit d’intérêts concernant la publication de cet article.