1.2 Terminologie et chimie des
géopolymères
Les géopolymères résultent d'une
réaction chimique entre les matériaux aluminosilicates et les
solutions alcalines concentrées ; encore appelées solutions
activantes. Le nom chimique utilisé pour désigner les
géopolymères est poly(sialate). Sialate est une
abréviation de silicon-oxo-aluminate et le réseau sialate est
constitué des tétraèdres SiO4 et AlO4 liés
alternativement par la mise en commun de tous les atomes d'oxygene (Davidovits,
1991). La figure 1 présente la structure de base du réseau
sialate.
Figure 1 : Structure de base du
réseau sialate (tétraèdres SiO4 et AlO4).
Les poly(sialates) ont pour formule empirique :
Mp{(SiO2)zAlO2}p.wH2O où M désigne un cation, P est le
degré de polycondensation, z valant 1, 2 ou 3 et w décrivant
l'hydratation du composé. Les poly(sialates) sont décrits comme
étant des chaînes et des anneaux de polymères avec des
cations Si4+ et Al3+ en coordination IV, avec des anions
O2- (Davidovits, 1991). La figure 2 présente la structure de ces
polymères.
Figure 2 : Structure des
poly(sialates)
La structure sialate comporte une charge négative qui
est compensée par un cation, tels que : Na+, K+,
Li+, Ca2+, Ba2+ NH4 + ou H3O+
(Davidovits, 1991). Les poly(sialates) n'autorisent pas la formation des
liaisons Al-O-Al. Bien qu'elles soient thermodynamiquement défavorables
; elles ne sont pas impossibles (Duxson, 2006).
Quelque temps après que Davidovits ait utilisé
la nomenclature poly(sialates) pour décrire la structure des
géopolymères, de nombreuses études sur les zéolites
et les minéraux aluminosilicates ont été menées.
Une nouvelle notation a été introduite par Engelhardt, pour
décrire les squelettes des aluminosilicates alcalins : la notation
Qn(mAl), où n est le nombre de coordination de l'atome
central de silicium (Si) avec des atomes de Si ou d'aluminium (Al) comme
seconds voisins, m étant le nombre de Al second voisin, avec 0 = m = n =
4. (Duxson, 2006). La figure 3 présente la structure de base
tridimensionnelle de la notation Qn(mAl) où n est égal
à 4, correspondant à la valeur observée dans la matrice
géopolymère.
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Figure 3 : Structure de base
tridimensionnelle de la notation Qn(mAl) (Duxson, 2006).
Le mécanisme de la réaction de
géopolymérisation n'est pas encore entièrement
élucidé, les travaux sur le processus de cette réaction
étant encore récents par rapport à la découverte
des géopolymères. La majorité des mécanismes
proposés dans un premier temps consistait en deux étapes : une
dissolution du minéral d'aluminosilicate dans la solution alcaline
activatrice, suivie d'une polycondensation conduisant à un gel amorphe
(Xu et Van Deventer, 2000).
Des études plus récentes proposent un
mécanisme de réaction selon trois étapes (Xiao et
al., 2009) :
La déconstruction : il s'agit de la
dissolution de l'aluminosilicate dans la solution alcaline, c'est-à-dire
la rupture des liaisons Si-O-Si et Si-O-Al pour former des précurseurs
réactifs Si(OH)4 et Al(OH)4 - dans la solution ;
La polymérisation : les monomères
Si(OH)4 et Al(OH)4 - réagissent entre eux pour donner les
oligomères AlSi2O2(OH)8 - d'aluminosilicates qui se condensent en un gel
;
La stabilisation : le gel formé subit
probablement une réorganisation pour donner un grand réseau.
La réaction de géopolymérisation peut
être illustrée par les équations suivantes (Rovnanik, 2010)
:
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