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    Béton géopolymère de cendres volantes :Résistance considérablement améliorée aux attaques alcalines extrêmes

    Blocs de béton géopolymère, thermodurci à 200 degrés Celsius puis immergé dans un milieu alcalin extrême pendant 14 jours à 80 degrés Celsius (a et b), résistent nettement mieux à l'attaque que les blocs thermodurcis à 600 degrés Celsius et soumis au même traitement (c et d) dans cette série d'images au microscope électronique à balayage. Les blocs montrent la présence d'une substance semblable à un gel, caractéristique de l'attaque alcaline de la solution de NaOH 3M. Le durcissement thermique a considérablement réduit l'intensité de l'attaque, mais n'a pas pu l'empêcher. Les cendres volantes générées par la production d'électricité au charbon peuvent être réutilisées en béton géopolymère de qualité supérieure. Cependant, un problème critique de durabilité a été la faible résistance aux attaques alcalines. Des chercheurs de l'UJ ont découvert qu'un traitement thermique à haute température à 200 degrés Celsius peut réduire de moitié ce mécanisme nocif dans les bétons géopolymères de cendres volantes. Crédit :Dr Abdolhossein Naghizadeh, Université de Johannesbourg.

    Les cendres volantes générées par les centrales électriques au charbon sont un casse-tête environnemental, créant une pollution des eaux souterraines et de l'air à partir de vastes décharges et barrages de cendres. Une partie des déchets peut être réutilisée en béton géopolymère, tels que les éléments préfabriqués thermodurcissables pour les structures.

    Cependant, un problème critique de durabilité a été la faible résistance à une attaque alcaline extrême. Des chercheurs de l'Université de Johannesburg ont découvert que le traitement thermique à haute température (HTHT) peut réduire de moitié ce mécanisme nocif dans le béton géopolymère de cendres volantes.

    « Dans une étude précédente, nous avons découvert que le béton géopolymère de cendres volantes peut être vulnérable dans des conditions alcalines extrêmes. La recommandation de l'étude était que ce matériau ne devrait pas être utilisé dans des structures qui sont exposées à des milieux fortement alcalins, comme certaines installations de stockage de produits chimiques. Les résultats de notre nouvelle étude montrent que la résistance aux alcalis du béton géopolymère peut être considérablement améliorée en l'exposant à une température évaluée, de manière optimale 200 degrés Celsius, ", explique le Dr Abdolhossein Naghizadeh.

    L'étude fait partie de la recherche doctorale de Naghizadeh au Département des sciences du génie civil de l'Université de Johannesburg.

    Milieu alcalin extrême

    Dans la recherche publiée dans Études de cas sur les matériaux de construction , des blocs de mortiers géopolymères de cendres volantes ont été diversement durcis à la chaleur à 100, 200, 400 ou 600 degrés Celsius pendant six heures. Ceux-ci ont ensuite été immergés dans l'eau, un milieu alcalin moyen ou un milieu alcalin extrême; et conservé à 80 degrés Celsius pendant 14 jours ou 28 jours, en fonction de la mesure des performances.

    La thermopolymérisation prolongée pendant 28 jours a été réalisée pour comparer les résultats avec ceux obtenus par les autres études, qui employait le même régime de durcissement. Ce durcissement à long terme est adapté à des fins de recherche, mais non recommandé pour la construction réelle. Le milieu alcalin moyen était une solution de NaOH 1M. Le milieu alcalin extrême était une solution de NaOH 3M.)

    "Les blocs durcis durcissent à 200 degrés, puis immergé dans le milieu extrême alcalin (les blocs "200/3M"), maintenu environ 50 % de résistance résiduelle à 22,6 MPa lors d'une attaque alcaline. Les blocs thermodurcis aux autres températures ont maintenu des résistances résiduelles beaucoup plus faibles à 10,3 à 14,6 MPa, " dit Naghizadeh.

    « Les blocs 200/3M immergés en milieu extrême alcalin n'ont présenté qu'une fissuration fine limitée, indiquant une faible expansion par rapport aux autres, qui présentait de graves fissures. La lixiviation du silicone et de l'aluminium était la plus faible pour les blocs 200/3M.

    "La diffraction des rayons X a montré que les minéraux cristallins, albite et sillimanite, formé dans la phase liante des blocs 200/3M. Les images au microscope électronique à balayage des liants 200/3M montrent la présence d'une substance semblable à un gel, caractéristique de l'attaque alcaline. Le thermodurcissement a considérablement réduit l'intensité de l'attaque, mais ne pouvait pas l'empêcher, " il dit.

    "Le traitement thermique à haute température (HTHT) à 200 degrés a créé cet effet en inhibant la dissolution des particules de cendres volantes n'ayant pas réagi dans la matrice de béton géopolymère durci. Cependant, le HTHT a également réduit la résistance à la compression de ces blocs de 26,7%."

    Mieux utilisé comme préfabriqué

    Les liants géopolymères de cendres volantes présentent des propriétés de durabilité remarquables. Parmi ceux-ci figurent une haute résistance à la réaction alcali-silice, résistance supérieure aux acides et haute résistance au feu, faible carbonatation et attaque sulfatée limitée, dit Naghizadeh. Le ciment géopolymère de cendres volantes convient principalement au béton préfabriqué fabriqué dans une usine ou un atelier. La raison en est que le développement de la résistance dans les mélanges de ciment géopolymère est généralement lent à température ambiante.

    Cela rend le durcissement thermique nécessaire ou essentiel pour un gain de résistance précoce. Les méthodes pratiques établies pour le durcissement à chaud du ciment Portland ordinaire préfabriqué (OPC) peuvent être adaptées à cet effet.

    Cela rend les géopolymères de cendres volantes adaptés aux éléments préfabriqués en béton tels que les poutres ou les poutres pour les bâtiments et les ponts, traverses de chemin de fer, panneaux muraux, dalles alvéolées, et tuyaux en béton. Pour le béton géopolymère de cendres volantes ordinaire, une période de chauffage de 24 heures à 60 à 80 degrés Celsius serait suffisante pour obtenir une résistance suffisante. Ce régime de cure (température et durée) est courant dans l'industrie du ciment, qui est également utilisé pour certains bétons de ciment Portland.

    Bien que l'utilisation du ciment géopolymère augmente chaque année, il n'est pas largement utilisé par rapport à l'OPC. Le géopolymère a été utilisé comme liant dans les structures résidentielles, des ponts, et des pistes principalement dans les pays européens, Chine, Australie, et les États-Unis.

    Un ciment de nouvelle génération

    Depuis le milieu du XVIIIe siècle, L'OPC a été largement utilisé pour produire du béton. Ses performances de durabilité sont bien comprises et son comportement à long terme peut être prédit. Cependant, une nouvelle génération de ciment apparaît comme une alternative appropriée à l'OPC dans certaines applications. Ces ciments géopolymères (ou liants géopolymères) ont une nature et une microstructure totalement différentes des OPC.

    Un matériau de départ utilisé pour le liant géopolymère doit être riche en alumine et en silicate. Sur ce critère, de multiples déchets ou sous-produits industriels sont admissibles, y compris la cendre de cosse de riz, les cendres volantes de l'huile de palme et les cendres volantes des centrales électriques au charbon. Cependant, les cendres volantes présentent deux avantages pour une utilisation comme ciment géopolymère, dit Naghizadeh.

    La série de photographies montre l'expansion de blocs de béton géopolymère de cendres volantes durcis à chaud puis immergés dans un milieu alcalin extrême à 80 degrés Celsius pendant 14 jours. Les blocs thermodurcis à 200 degrés Celsius ne présentent qu'une fissuration fine limitée indiquant une faible expansion, par rapport aux autres. Les cendres volantes générées par la production d'électricité au charbon peuvent être réutilisées en béton géopolymère. Cependant, un problème critique de durabilité a été la faible résistance aux attaques alcalines. Des chercheurs de l'Université de Johannesburg ont découvert qu'un traitement thermique à haute température à 200 degrés Celsius peut réduire de moitié ce mécanisme nocif dans les bétons géopolymères de cendres volantes. Crédit :Dr Abdolhossein Naghizadeh, Université de Johannesbourg.

    Premièrement, les cendres volantes sont disponibles en millions de tonnes dans le monde, y compris dans les pays en développement. La réutilisation des cendres volantes comme matériau de construction peut potentiellement réduire certains de ses impacts environnementaux. Actuellement, il est éliminé dans de vastes barrages de cendres et des décharges à proximité des centrales électriques au charbon, qui génèrent une pollution de l'air et des eaux souterraines.

    Le deuxième avantage des cendres volantes comme matériau de départ pour le ciment géopolymère est sa composition chimique. Typiquement, les cendres volantes sont suffisamment riches en oxydes réactifs de silicium et d'aluminium, ce qui se traduit par une meilleure géopolymérisation.

    Cela donne à son tour un liant avec une mécanique supérieure, propriétés physiques et de durabilité par rapport aux bétons géopolymères fabriqués à partir d'autres déchets contenant des alumino-silicates.

    Conception de mélange plus complexe

    Lors de la conception d'un bâtiment, l'ingénieur doit s'assurer que le béton utilisé dans la structure aura la résistance attendue pour la durée de vie. Cependant, les propriétés physiques et mécaniques du béton et d'autres matériaux de construction peuvent changer avec le temps. De tels changements peuvent influencer les performances des matériaux sur la durée de vie utile de la construction.

    Généralement, un mélange de béton OPC comprend du ciment, eau et agrégat. L'ingénieur civil développe une conception de mélange OPC en utilisant des proportions spécifiques de ces trois ingrédients pour la structure prévue.

    "Pour les bétons géopolymères à base de cendres volantes activés par le silicate de sodium et la soude, la conception du mix est plus complexe que pour l'OPC, " dit Naghizadeh. " D'autres paramètres sont impliqués :les quantités de cendres volantes, silicate de sodium, hydroxyde de sodium, l'eau, et agrégés ; ainsi que la concentration d'hydroxyde de sodium; la proportion et la qualité du verre dans l'alcali."

    Cendres volantes des barrages de cendres

    En Afrique du sud, les recherches sur l'utilisation des cendres volantes comme ciment géopolymère sont limitées, dit le professeur Stephen Ekolu. Ekolu est co-auteur de l'étude et ancien directeur de l'École de génie civil et de l'environnement bâti de l'Université de Johannesburg.

    "La recherche existante sur le béton géopolymère de cendres volantes utilise des cendres volantes fournies directement par les centrales électriques. Des recherches supplémentaires sont nécessaires sur l'utilisation des cendres volantes des décharges et des barrages de cendres, techniquement appelé "cendres inférieures" pour produire du ciment géopolymère.

    « Les plus grandes questions de recherche sont les problèmes de qualité des matériaux, conception de mélange, et développer la technologie pour permettre le durcissement dans des conditions ambiantes plutôt que la pratique actuelle de durcissement à des températures élevées. Une fois ces trois problèmes scientifiques résolus, les cendres volantes et en effet la plupart des autres formes de ciments géopolymères peuvent être mieux placées en remplacement des OPC dans le monde entier, " dit Ekolu.

    Pas une rallonge en béton

    Actuellement, une petite quantité de cendres volantes est utilisée comme allongeur de ciment commun. En Afrique du sud, ce montant est de 10 % des 36 millions de tonnes produites annuellement. Il est mélangé à du clinker pour produire du ciment Portland pouzzolanique (PPC).

    Bien que les cendres volantes soient utilisées comme prolongateur OPC commun, Le béton géopolymère à base de cendres volantes (FA-GC) n'est pas associé au béton à base d'OPC.

    La raison en est que le processus d'hydratation de l'OPC est complètement différent de la réaction de géopolymérisation de FA-GC. Aussi, Le béton à base d'OPC et le béton géopolymère nécessitent chacun une condition de cure différente.

    Production différente de l'OPC

    Les phases principales de la production d'OPC sont les processus de calcination et de broyage. Contrairement à l'OPC, la production de géopolymères ne nécessite pas ces phases. Les liants géopolymères à base de cendres volantes se composent de deux composants :les cendres volantes et un activateur alcalin. D'habitude, les cendres volantes sont utilisées telles qu'elles sont produites dans la centrale électrique, sans besoin de traitement supplémentaire.

    Des solutions d'activateurs alcalines telles que le silicate de sodium et l'hydroxyde de sodium sont également largement produites dans l'industrie. Ceux-ci sont utilisés à des fins multiples, comme la production de détergents et de textiles.

    Béton "plus vert"

    « La durabilité à long terme du ciment géopolymère dans différentes conditions environnementales nécessite des recherches supplémentaires. En outre, l'industrie de la construction manque globalement de connaissances techniques de la production de géopolymères. Pour utiliser des liants géopolymères, ingénieurs, les techniciens et les ouvriers du bâtiment ont besoin d'une formation pour concevoir et produire des conceptions de mélanges de béton géopolymère avec les propriétés requises, " dit Naghizadeh.

    "There is no doubt that production of Portland cement needs to be limited in future, due to its huge environmental impacts. This includes about 5 to 8% of global anthropogenic carbon-dioxide emissions into the atmosphere, which contributes to climate change, " says Ekolu.

    Several studies, including those from the University of Johannesburg, have shown that fly ash geopolymer can exhibit superior or similar properties to Portland cement. This makes it a suitable alternative to replace Portland cement in certain applications.

    De plus, the availability of fly ash worldwide, especially in developing countries, provides an opportunity to produce more economic concrete "greener" than Ordinary Portland cement from the viewpoint of potential repurposing of a problematic waste product.


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