Microstructure and thermomechanical properties of geopolymers from some cameroon’s volcanic ashe

Abstract

Cette étude porte sur l'activation alcaline des scories volcaniques pour produire des matériaux ayant une application potentielle dans la construction ou les réfractaires de basse température. Quatre scories volcaniques camerounaises (Va1, Va2 et Va3, Va4 en provenance de Foumbot et Djoungo respectivement) ont été utilisées. Pour des raisons pratiques, les scories volcaniques ont été broyées et tamisées à une granulométrie inférieure à 400 micromètres. Les solutions d’activation alcaline utilisées sont l'hydroxyde de sodium, l'hydroxyde de potassium, un mélange des deux, avec ou sans silice amorphe. La réactivité des systèmes a été étudiée par Calorimétrie Différentielle à Balayage (DSC). Plusieurs techniques ont été utilisées pour la caractérisation des matières premières et des produits de synthèse: Fluorescence X (XRF), Diffraction des rayons X (XRD), Spectroscopie Infrarouge à Transformée de Fourier (FTIR), Miscroscopie Electronique à Balayage (SEM), Microscopie optique numérique (DOM), Spectroscopie Mössbauer (MS), Calorimetrie Différentielle à Balayage, Analyses Thermogravimétrique et Thermique Différentielle (TGA/DTA), Analyses mécaniques et thermomécaniques (DMA). Les résultats obtenus montrent que la solution de NaOH est l'activateur alcalin le plus rapide, mais la réaction demeure très lente à la température ambiante. Les échantillons ont été traités à 90 °C pendant 7 jours, mais les résistances mécaniques augmentent sensiblement après 21 jours à 90 °C. Les spectres de rayons X des matériaux montrent un mélange de phases amorphes et cristallines aussi bien pour les scories pures que dans les matériaux de synthèse. La Microscopie électronique à balayage montre un mélange homogène de morphologies sous forme de plaquettes et d’agglomérés, avec une répartition homogène de Si, Al et O dans la matrice géopolymèrique. Les grosses particules se sont beaucoup plus comportées comme matériaux de remplissage tandis que les petites particules se sont dissoutes dans la solution d'activation formant la matrice geopolymérique. Les réactivités des cendres volcaniques augmentent avec leur teneur en phase amorphe. La résistance mécanique humide, à faible concentration de NaOH, augmente également avec la teneur en phase amorphe dans les cendres volcaniques. Pour les concentrations élevées de NaOH, aucune corrélation entre la quantité de phase amorphe dans les matières premières et la résistance finale des produits n’a pu être établie. Les conditions de synthèse, les rapports molaires Na2O/SiO2 ou Na2O/Al2O3 influencent le développement de la résistance à la compression des géopolymères. La synthèse dans un environement sec conduit à de meilleures résistances mécaniques (de l’ordre de 14-63 MPa). Toutefois, les résistances mécaniques diminuent (1-28 MPa) après immersion des spécimens pendant 24 heures dans l'eau, mais augmentent à nouveau partiellement ou totalement après 24 heures de séchage. L’addition de 40 % en masse de sable à la meilleure formulation a réduit la résistance à la compression de 55 à 30 MPa,encore suffisante pour des applications de construction. Les géopolymères sont relativement stables à la chaleur, présentant un faible retrait et maintenant environ 60 % de leur résistance initiale à la compression après chauffage à 900 °C. Toutefois, les matériaux plus stables thermiquement sont les spécimens à base de la solution de KOH. Les résultats obtenus suggèrent la possibilité d'utiliser les matériaux synthétisés pour des applications de construction et réfractaires à basse température jusqu'à environ 700-900 °C.