I-3-2 : Les terminologies et l'historique des
géopolymères
Les géopolymères, selon J. Davidovits [21] ont
été développés dans la recherche des
polymères inorganiques résistants à la chaleur et non
combustibles, après de nombreux incendies favorisés par
l'inflammabilité des matériaux plastiques en France entre 1970 et
1973.
La famille des géopolymères
synthétisés à partir d'aluminosilicates est appelée
poly(sialate). Elle est constituée d'un réseau amorphe de SiO4 et
AlO4, où le silicium et l'aluminium ont une coordinance IV, avec le
partage de tous leurs oxygènes [22 ,23]. Sialate est
l'abréviation de silico-oxo-aluminate (-Si-O-Al-O-). La présence
de cations tels que Na+, K+, Li+,
Ca2+... dans le réseau est nécessaire pour
l'équilibration des charges négatives de Al3+ en
coordination IV avec les oxygènes [21]. La formule empirique des
poly(sialates) est la suivante [22 ,23] :
Mn[(-SiO2)z-AlO2]n w H2O
où z=1, 2, ou 3. M est un cation monovalent tel que
K+ ou Na+, n le degré de polycondensation et w le
nombre de molécules d'eau liées physiquement.
Les géopolymères comprennent trois classes de
polymères inorganiques, selon le ratio (R) SiO2/Al2O3 dans
l'unité monomère [22 ,23] :
- poly(sialate), PS, dont l'unité monomère est
(-Si-O-Al-O-), avec R=2 ;
- poly(sialate-siloxo), PSS, dont l'unité monomère
est (-Si-O-Al-O-Si-O-), avec R=4 ;
- poly(sialate-disiloxo), PSDS, dont l'unité
monomère est (-Si-O-Al-O-Si-O-Si-O-), avec R=6.
Les structures des différents types de poly(sialates)
selon Davidovits [21] sont présentées sur la figure 4.
Figure 4: Types de poly(sialates)
[21].
Les poly(sialates) et poly(sialates-siloxo)
cristallisés peuvent s'obtenir dans les conditions hydrothermales de
curage, alors que le curage à température ambiante induit des
matrices amorphes ou vitreuses [21]. En utilisant la kaolinite comme
précurseur géopolymérique, la polycondensation
hydrothermale à 150°C aboutirait à une sodalite bien
cristallisée [3].
I-3-3 : La réticulation
géopolymérique à basse température (L.T.G.S)
La réticulation géopolymérique à
basse température encore appelé « Low Temperature
Geopolymeric Setting » (L.T.G.S), est un procédé de
géopolymérisation qui utilise généralement des
faibles teneurs en catalyseurs alcalins (0,5 à 6% du poids des
matières premières aluminosilicates). La L.T.G.S permet de
transformer tout matériau aluminosilicate en un ensemble de produits
minéraux qui possèdent les caractéristiques des roches
(insensibilité à l'eau, tenue en température,
dureté, etc.) [24]. Ce procédé de
géopolymérisation assure la cohésion de la matière
terre selon un principe totalement différent de la stabilisation aux
liants hydrauliques. Il n'y a pas d'ajout de liant mais de catalyseurs
permettant aux constituants minéralogiques de réagir entre eux.
C'est l'aluminosilicate luimême qui fabrique, in situ, le liant
d'agglomération. Il s'agit d'un processus comparable à celui qui
a lieu pendant la cuisson céramique à 900°C-1100°C,
à la différence que, dans le cas de la L.T.G.S, la
réticulation peut commencer déjà à
température ambiante [24].
Lors de la fabrication des produits par L.T.G.S, Davidovits
[21] a utilisé des fins cristaux de quartz pour produire des blocs
composites Na-PS-quartz. Dans ces composites, les grains de quartz
entourés de micelles de kaolinite ont une séquence
-(Na-PS)-(SiO2)n-(NaPS)-(SiO2)n, qu'il a appelé SILIFACE Q. La structure
géopolymère résulte ici de la polycondensation des
sialates ou des poly(sialates) des micelles de kaolinite avec les liaisons du
siloxane (Si-O-Si) hydrolysées à la surface du quartz en silanol
(Si-OH). La réaction est la suivante (figure 5) [21]:
Quartz
Sialate
Structure géopolymère en formation
2
Figure 5 : Polycondensation du quartz
silanol Si-OH avec les poly(sialates) [21].
Les températures de travail dans les
procédés L.T.G.S varient généralement entre 50 et
500°C. La masse volumique des céramiques obtenues est voisine de
1.9 g/cm3. Leur porosité apparente se situe autour de 30% et
les résistances mécaniques à la compression peuvent
atteindre 40 MPa [20]. La figure 6 présente l'évolution de la
résistance à la compression en fonction de la température
de traitement pour un sol kaolinitique traité par le
procédé L.T.G.S.
Figure 6: Résistance à la
compression en MPa d'un sol kaolinitique non traité et traité par
L.T.G.S (3 % d'équivalent Na2O), température de traitement
20°C- 1000°C [3]
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