L’industrie du ciment fait face aujourd’hui à un problème environnemental majeur dû aux émissions de CO[indice inférieur 2] lors de la production du clinker du ciment Portland (CP). Bien que des efforts soient faits pour minimiser cet impact négatif sur l’environnement par l’utilisation de sous-produits industriels lors de la fabrication du clinker ou en remplacement partiel du ciment pendant la conception du béton, le crédit carbone reste toutefois élevé. Une des solutions est de remplacer totalement le CP par une nouvelle génération de liants minéraux connus sous le nom de géopolymères qui possèdent des propriétés similaires au CP. Ces liants sont obtenus par l’activation alcaline de matériaux siliceux ou aluminosilicates. C’est dans cette optique qu’une étude basée sur l’activation de la poudre de verre provenant du verre mixte recyclé a été initiée. Il s’agit donc dans cette étude d’optimiser une formulation de poudre de verre activé pour la conception de béton écologique. Cependant, la poudre de verre étant un silicate alcalin, le liant issu de son activation est instable du fait de la teneur élevée en alcalis qui ont tendance à lixivier. Pour stabiliser les alcalis, il a été nécessaire d’ajouter du métakaolin qui a une bonne aptitude de fixation des alcalis. En raison de la grande finesse du métakaolin, son addition augmente considérablement la demande en eau des mélanges et les superplastifiants à base de polycarboxylate se sont avérés inefficaces permettant seulement l’utilisation de teneurs en MK inférieures ou égales à 8%. Par ailleurs, la teneur élevée en alcalis permet l’utilisation de solution de NaOH modérément concentrée ([NaOH]≤ 8M). Aussi, ce type de système nécessite une activation thermique à 60°C pendant au moins 2 jours suivie de la maturation des échantillons à 20°C et 50% d’humidité relative. En effet, une cure normale à 100% d’humidité relative entraine une forte lixiviation des alcalis. Dans cette étude d’optimisation, plusieurs variables influencent donc le système étudié dont les plus importants sont, entre autres : • Le temps et la température de l’activation thermique ainsi que les conditions de cure ou de maturation (température et humidité) qui sont indispensables pour contrôler la cinétique de la réaction de géopolymérisation et donc des performances mécaniques des mortiers. • La teneur en métakaolin, matériau qui a permet de fixer les alcalis à l’intérieur de la matrice géopolymère en empêchant leur lixiviation avec une amélioration progressive des performances mécaniques du mortier. • La concentration en NaOH est une des variables les plus importantes affectant le processus de géopolymérisation. Du fait de la présence d’une teneur élevée en alcalis dans le verre, son activation nécessite une concentration modérée en NaOH. Les conditions optimales d’essais ainsi définies ont permis d’élaborer des bétons à base de poudre de verre présentant des performances mécaniques satisfaisantes (20 MPa à 28 jours). Les analyses minéralogiques, microstructurales et thermiques ont permis l’identification de deux types de gels lorsque la poudre de verre est activée en présence de métakaolin : du gel C-S-H et du gel N-A-S-H. Le processus de géopolymérisation qui se déroule en plusieurs étapes, dont la dissolution, la polymérisation et la condensation-réorganisation a pu être mis en évidence par des analyses calorimétriques.

L'apparition des efflorescences sur une construction cimentaire est un phénomène naturel. Il s'agit de la formation d'un dépôt blanc de carbonate de calcium à la surface du matériau, suite à son exposition à des conditions climatiques particulières. Ce phénomène conduit uniquement à une détérioration esthétique qui peut néanmoins engendrer des problèmes économiques importants, car source de litiges client-fournisseur.<br />Cette étude se propose de mieux comprendre ce phénomène, afin de l'atténuer. Pour ce faire, un protocole d'apparition contrôlée des efflorescences primaires a été mis au point, et a été associé à une méthode de quantification des efflorescences.<br />L'atténuation des efflorescences par la substitution d'une partie du ciment par un produit pouzzolanique a été étudiée. L'utilisation de produits très différents a permis d'identifier, à travers de nombreuses caractérisations, les propriétés de ces pouzzolanes qui leur permettent d'atténuer le plus efficacement les efflorescences.

La nécessité de construire de manière durable, rationnelle et écologique incite à l’innovation et la recherche d’alternatives, telles que la géopolymérisation et l’activation alcaline, qui suscitent un intérêt croissant. Dans ce sens, ces technologies permettent de valorise rdes matières premières à plus faible impact environnemental pour le développement d’une nouvelle famille de matériaux. Cependant, ces mécanismes réactionnels sont complexes et il est encore nécessaire de lever plusieurs verrous avant leur implémentation : la confusion entre les deux processus, l’absence d’approches de formulation rationnelles, la méconnaissance de certaines vulnérabilités, etc. La thèse s’intègre dans cette dynamique et a pour objectif une meilleure connaissance des géopolymères et des matériaux alcali-activés. Le cadre de travail est le développement de coulis d’injection. Un programme expérimental basé sur une sélection de compositions est établi afin de caractériser leurs principales propriétés. Les différences entre les deux processus de structuration sont relevées à travers une étude physico-chimique (DRX, RMN) et liées aux évolutions macroscopiques au jeune âge. Un travail d’optimisation de formulation est mené afin de répondre à des critères d’application et définir les paramètres influençant le comportement rhéologique et mécanique des coulis. Une méthodologie basée sur l’analyse micromécanique et l’homogénéisation multi-échelles a permis d’évaluer le module élastique des matériaux et peut servir de plateforme pour une analyse globale du comportement mécanique. Enfin, une étude de la durabilité est entamée en évaluant la sensibilité au séchage et à la lixiviation en milieu acide. / The need for more durable, rational and ecological constructions encourages innovation and the search for alternatives, such as geopolymerization and alkali-activation, with a growing interest. These technologies allow the use of resources with a lower environmental impact in developing a new class of materials. However, both reaction mechanisms are complex and some issues need further investigation before a proper implementation: the confusion between these processes, the absence of a rational design approach, the lack of knowledge concerning some mechanisms of degradation, etc. The present thesis joins this dynamic and aims at a better understanding of geopolymers and alkali activated materials to design soil injection grouts. An experimental program has been established based on selected mix designs to study their main properties. The differences between both structuration processes were determined through a physicochemical study (XRD, NMR). They were correlated to the macroscopic phenomena observed at early age. An optimization of the mixtures was carried to satisfy the application criteria and define the parameters controlling the rheological and mechanical behavior of the grouts. Using a micromechanical characterization and multiscale homogenization, a methodology has been designed to determine the elastic modulus of the materials.This can be used as a first tool to analyze the global mechanical behavior. Finally, the sensitivity to drying and exposure to acid environments was assessed.

L'objectif principal de cette thèse a été de montrer que le métakaolin, fabriqué par la société Argéco DEVELOPPEMENT selon un procédé de calcination flash, est un éco-matériau qui améliore les propriétés de structuration et de durabilité des bétons. L'approche retenue, basée sur l'équivalence de performances, a concerné la plupart des types de béton (bâtiments, ouvrages d'art, autoplaçants, hautes performances, ...). Le métakaolin a d'abord été caractérisé (propriétés physico-chimiques et réactivité), puis son effet sur la mise en œuvre des bétons a été étudié. Les performances des différents bétons testés ont ensuite été évaluées par la mesure de différents indicateurs de durabilité. Enfin, la durée de vie de bétons en environnement marin a été estimée grâce à un modèle probabiliste.

Les principaux objectifs de cette thèse étaient d'évaluer la formulation et la durabilité des géopolymères à base de métakaolin utilisés comme liants dans des matériaux de construction. Les géopolymères sont des matériaux à activation alcaline faisant l'objet d'études de plus en plus nombreuses de la communauté internationale car ils représentent une alternative aux ciments Portland traditionnels. La première partie de cette étude a donc été dédiée à la formulation de ces matériaux réalisés exclusivement à partir de métakaolin flash et de silicate de sodium et a permis de mettre en évidence des performances comparables à un CEM I 52.5. Une caractérisation physico-chimique ainsi qu'une étude du réseau poreux a souligné les différences entre ces deux matériaux et a permis l'élaboration d'une base de donnée sur les caractéristiques du matériau. La réalisation de béton, allant jusqu'à la fabrication en usine de préfabrication, a montré la capacité des géopolymères à remplacer totalement les liants hydrauliques connus, en terme de mise en œuvre et de performances mécaniques. Les questions de durabilité liées au fort taux d'alcalins dans cette matrice ont été traitées par des études sur la réaction alcali-silice et sur la carbonatation. Les résultats obtenus ont permis de conclure que la réaction alcali-silice ne serait pas préjudiciable dans une matrice de métakaolin activé par du silicate de sodium, et que la réaction très rapide des alcalins de la solution interstitielle des pâtes de géopolymère avec le CO2 atmosphérique ne conduirait pas à une chute de pH significative, préjudiciable dans les matrices cimentaires, mais faciliterait l'apparition d'efflorescences. / The main objectives of this thesis were to assess the formulation and durability of metakaolin-based geopolymers as a binder for civil engineering materials. Geopolymers are alkali-activated materials; they are increasingly studied by the international community as they represent an alternative to traditional Portland cement. The first part of this study has been dedicated to the formulation of these materials, exclusively made from flash metakaolin and sodium silicate, which has shown performances comparable to a CEM I 52.5. A physicochemical characterization and a study of the porous network have highlighted differences between these two materials and allowed developing a database on the characteristics of the material. The achievement of concrete, up to precast plant, showed their ability to completely substitute known hydraulic binders, in terms of workability and compressive strength. Durability issues related to the high alkali content in this matrix were assessed by studies on alkali-silica reaction and carbonation. The results obtained have concluded that the alkali-silica reaction would not be detrimental in a matrix of metakaolin activated by sodium silicate, and that the very rapid reaction of the alkalis in the geopolymer pastes pore solution with atmospheric CO2 do not lead to a significant drop of the concrete pH, which could be detrimental in cement matrix, but could lead to the appearance of efflorescence on the surfaces of geopolymer.

L'objectif de ce travail est de contribuer à la valorisation du métakaolin en substitution du ciment dans les matrices cimentaires en levant certains verrous scientifiques. En effet l'utilisation d'additions minérales modifie les propriétés des bétons, que cela soit à l'état frais, à l'état durcissant ou à l'état durci. A l'état frais, la rhéologie a été étudiée avec l'adaptation et l'application d'une méthode de formulation pour béton auto-plaçant. Cette application a été développée jusqu'à l'échelle industrielle. A l'état durcissant, la phase d'hydratation a été étudiée en s'attardant particulièrement sur l'effet de la nature du ciment substitué sur la réactivité du métakaolin. Enfin à l'état durci deux caractéristiques de durabilité ont été explorées, à savoir l'effet du métakaolin sur la carbonatation dans une première partie, puis sur la diffusion des chlorures dans une deuxième partie. / The objective of the present thesis was to promote the use of metakaolin as substitute for cement in cementitious matrix by unlocking several scientific challenges. The use of mineral additions modifies the properties of concrete in the fresh state, the hardening state and the durability state. In the fresh state, rheology was studied by adapting a formulation method for self-compacting concretes. This application was then further developed to be used at an industrial scale. In the hardening state, the hydration phases were analysed with a focus on the effect of the cement nature on the metakaolin reactivity. Finally in the durability state, two particular features were studied:1) the metakaolin effect on the carbonation kinetic and 2) the effect of the metakaolin on the chloride diffusion.

Il est communément admis que les géopolymères sont des solutions potentielles comme alternative aux liants hydrauliques classiques. Les géopolymères sont produits à partir de réactifs non carbonés contrairement au ciment portland et nécessitent relativement peu d'énergie pour être élaborés. Ce sont des liants inorganiques issus de l'activation alcaline d'aluminosilicates. Afin de faire des géopolymères une alternative viable et industriellement intéressante, plusieurs verrous technologiques doivent être levés en particulier sur leur mise en œuvre et les mécanismes chimiques impliqués au très jeune âge. Les études précédentes sur les mécanismes de cette réaction de géopolymérisation montrent l'existence d'un mécanisme en trois phases (dissolution – réorganisation – polymérisation). Notre étude s'est portée sur les mécanismes impliqués dans le comportement à l'état frais et en prise de géopolymère modèle à base de métakaolin. Pour cela, nous avons développé une approche combinée entre les mesures rhéologiques et chimiques (RMN liquide) afin de répondre à la complexité de l'hétérogénéité chimique locale pendant la géopolymérisation. Dans les deux premières parties de la thèse, nous nous sommes intéressés à comprendre le développement des propriétés mécaniques du gâchage à la prise du géopolymère. Lors de mesures de suivi de module élastique au cours du temps, nous observons également trois phases, une première augmentation de module dès les premières centaines de secondes, un plateau caractéristique d'une période de latence puis une seconde augmentation de module après plusieurs heures. Dans un premier temps, nous sommes intéressés à la première augmentation de module. Il a été établi que l'origine de ce module était la formation d'un premier gel de rapport Si/Al < à 4.5 localisé au niveau des joints de grains de métakaolin. Dans un second temps, nous sommes focalisé sur la dernière augmentation de module dont l'origine est la formation d'un second gel dont la composition chimique est celle du produit final c'est-à-dire le géopolymère de rapport Si/Al ~2.Finalement, dans une troisième partie, nous avons mis évidence les principales différences qui existent entre les géopolymères et de ciment Portland d'un point de vue rhéologique. Ces matériaux se comportent comme des fluides newtoniens. Les interactions entre les particules sont dominées par les effets hydrodynamiques, qui sont principalement contrôlés par la viscosité élevée de la solution alcaline de silicate et non par la contribution des contacts directs entre les grains de métakaolin / It is commonly accepted that the geopolymers are potential solutions as an alternative to conventional hydraulic binders. Geopolymers are produced from no-carbon reactants unlike Portland cement and require relatively little energy to be developed. These are inorganic binders from the alkali activation of aluminosilicates. To make a geopolymer as viable alternative and industrially interesting, several technological hurdles must be overcome in particular, their casting and the chemical mechanisms involved at very early age. Previous studies on the mechanisms of this reaction of geopolymerisation show the existence of a three phase's mechanism (dissolution - reorganization - polymerization). Our study focused on the mechanisms involved in fresh behavior and during setting of model metakaolin based geopolymers. For this, we have developed a combined approach between the rheological measurements and chemical measurements (liquid NMR) to respond to the complexity of the local chemical heterogeneity during geopolymerisation. In the first two parts of the thesis, we are interested in understanding the development of mechanical properties from mixing to setting of geopolymers. During the measurement of the elastic modulus' evolution, we also observe three phases, the first increase of elastic modulus during the first few hundred seconds, a plateau characteristic of a latency period followed by a second increase of elastic modulus after several hours. As a first step, we are interested in the first increase of modulus. It was established that the origin of this modulus was the formation of a first gel with a Si / Al ratio <4.5 localized at the grain boundaries of metakaolin. In a second step, we focused on the last increase of the elastic modulus. The origin is the formation of a second gel; the chemical composition is that of the final product that is to say the geopolymer with a Si / Al ratio ~ 2.Finally, in the third part, we have identified the major differences between geopolymer and Portland cement from a rheological point of view. These materials behave as Newtonian fluids. The interactions between the particles are dominated by hydrodynamic effects, which are mainly controlled by the high viscosity of the alkaline silicate solution and not the contribution of direct contacts between the grains of metakaolin

Il est communément admis que les géopolymères sont des solutions potentielles comme alternative aux liants hydrauliques classiques. Les géopolymères sont produits à partir de réactifs non carbonés contrairement au ciment portland et nécessitent relativement peu d'énergie pour être élaborés. Ce sont des liants inorganiques issus de l'activation alcaline d'aluminosilicates. Afin de faire des géopolymères une alternative viable et industriellement intéressante, plusieurs verrous technologiques doivent être levés en particulier sur leur mise en œuvre et les mécanismes chimiques impliqués au très jeune âge. Les études précédentes sur les mécanismes de cette réaction de géopolymérisation montrent l'existence d'un mécanisme en trois phases (dissolution - réorganisation - polymérisation). Notre étude s'est portée sur les mécanismes impliqués dans le comportement à l'état frais et en prise de géopolymère modèle à base de métakaolin. Pour cela, nous avons développé une approche combinée entre les mesures rhéologiques et chimiques (RMN liquide) afin de répondre à la complexité de l'hétérogénéité chimique locale pendant la géopolymérisation. Dans les deux premières parties de la thèse, nous nous sommes intéressés à comprendre le développement des propriétés mécaniques du gâchage à la prise du géopolymère. Lors de mesures de suivi de module élastique au cours du temps, nous observons également trois phases, une première augmentation de module dès les premières centaines de secondes, un plateau caractéristique d'une période de latence puis une seconde augmentation de module après plusieurs heures. Dans un premier temps, nous sommes intéressés à la première augmentation de module. Il a été établi que l'origine de ce module était la formation d'un premier gel de rapport Si/Al < à 4.5 localisé au niveau des joints de grains de métakaolin. Dans un second temps, nous sommes focalisé sur la dernière augmentation de module dont l'origine est la formation d'un second gel dont la composition chimique est celle du produit final c'est-à-dire le géopolymère de rapport Si/Al ~2.Finalement, dans une troisième partie, nous avons mis évidence les principales différences qui existent entre les géopolymères et de ciment Portland d'un point de vue rhéologique. Ces matériaux se comportent comme des fluides newtoniens. Les interactions entre les particules sont dominées par les effets hydrodynamiques, qui sont principalement contrôlés par la viscosité élevée de la solution alcaline de silicate et non par la contribution des contacts directs entre les grains de métakaolin

Il est communément admis que les géopolymères sont des solutions potentielles comme alternative aux liants hydrauliques classiques. Les géopolymères sont produits à partir de réactifs non carbonés contrairement au ciment portland et nécessitent relativement peu d'énergie pour être élaborés. Ce sont des liants inorganiques issus de l'activation alcaline d'aluminosilicates. Afin de faire des géopolymères une alternative viable et industriellement intéressante, plusieurs verrous technologiques doivent être levés en particulier sur leur mise en œuvre et les mécanismes chimiques impliqués au très jeune âge. Les études précédentes sur les mécanismes de cette réaction de géopolymérisation montrent l'existence d'un mécanisme en trois phases (dissolution - réorganisation - polymérisation). Notre étude s'est portée sur les mécanismes impliqués dans le comportement à l'état frais et en prise de géopolymère modèle à base de métakaolin. Pour cela, nous avons développé une approche combinée entre les mesures rhéologiques et chimiques (RMN liquide) afin de répondre à la complexité de l'hétérogénéité chimique locale pendant la géopolymérisation. Dans les deux premières parties de la thèse, nous nous sommes intéressés à comprendre le développement des propriétés mécaniques du gâchage à la prise du géopolymère. Lors de mesures de suivi de module élastique au cours du temps, nous observons également trois phases, une première augmentation de module dès les premières centaines de secondes, un plateau caractéristique d'une période de latence puis une seconde augmentation de module après plusieurs heures. Dans un premier temps, nous sommes intéressés à la première augmentation de module. Il a été établi que l'origine de ce module était la formation d'un premier gel de rapport Si/Al < à 4.5 localisé au niveau des joints de grains de métakaolin. Dans un second temps, nous sommes focalisé sur la dernière augmentation de module dont l'origine est la formation d'un second gel dont la composition chimique est celle du produit final c'est-à-dire le géopolymère de rapport Si/Al ~2.Finalement, dans une troisième partie, nous avons mis évidence les principales différences qui existent entre les géopolymères et de ciment Portland d'un point de vue rhéologique. Ces matériaux se comportent comme des fluides newtoniens. Les interactions entre les particules sont dominées par les effets hydrodynamiques, qui sont principalement contrôlés par la viscosité élevée de la solution alcaline de silicate et non par la contribution des contacts directs entre les grains de métakaolin

Ce travail est basé sur la synthèse d’un liant aluminosilicaté de type géopolymère à partir de différentes argiles tunisiennes. Afin de comprendre les mécanismes de géopolymérisation, une première étape a concerné la caractérisation des matières premières argileuses par différentes méthodes d’analyses ainsi que leur comportement vis-à-vis du traitement thermique. La faisabilité des matériaux consolidés a été étudiée afin de comprendre le rôle des minéraux associés et la granulométrie de l’argile, en présence d’une solution de référence et de sources aluminosilicatées connues, sur les produits synthétisés. Afin d’identifier le rôle de la solution alcaline, de nouvelles formulations ont été élaborées et comparées aux précédentes en présence des argiles tunisiennes. Plusieurs techniques ont été réalisées pour évaluer les matériaux au cours de leur formation par spectroscopie infrarouge et après consolidation par diffraction des rayons X, microscopie électronique à balayage et analyse thermique. Leurs propriétés mécaniques ont été testées par compression. / This work is based on the synthesis of geopolymers from different Tunisian clays. In order to understand the geoplymerization mechanisms two steps are established. The first is relate to the characterization of the raw clays materials through different analyzes and their behavior with thermal treatment. The second involve around the study of geopolymers feasibility in order to understand the role of associated minerals and particle size, in the presence of a reference solution and aluminosilicate sources, on the synthesized products. To identify the role of the alkaline solution, new formulations have been developed and compared with previous one in the presence of Tunisian clays. Several techniques are used to characterize the materials during their formation: Infrared Spectroscopy, X ray diffraction, Scanning Electron Microscopy analysis and Thermal analysis. Their mechanical properties were tested by compression.