Multiscale modelling of geopolymers : from liquid to solid state

Modélisation multi-échelle des géopolymères : du liquide au solide Alternative aux ciments, les matériaux géopolymères sont prometteurs dans le domaine du génie civil et de l’ingénierie nucléaire. Formés à partir d’aluminosilicates, ils présentent des propriétés mécaniques intéressantes pour le stockage de déchets radioactifs ou encore le développement de mousses isolantes. Le processus de géopolymérisation commence avec la dissolution d’un solide d’aluminosilicates par une solution alcaline à haut pH. Des oligomères de quelques nanomètres se forment alors et s’agrègent en un réseau poreux 3D à méso-échelle (plusieurs centaines de nm). Après 5h, les propriétés mécaniques sont atteintes, similaires à celles des matériaux cimentaires. Plusieurs questions se posent pour bien comprendre le processus complexe de géopolymérisation : d’où provient la cohésion ? Quel est le comportement de l’eau à l’interface des grains dans le gel ? Comment modéliser cette phase de gel à l’échelle atomique ? Dans cette thèse, des simulations de dynamique moléculaire sont utilisées pour mieux comprendre les mécanismes de formation de ces gels à l’échelle atomique (~1nm) et mésoscopique (~100nm), difficilement observable expérimentalement. A partir de grains d’aluminosilicate obtenus grâce à un potential d’interactions réactif, le potential d’interactions entre grains de géopolymères dans l’eau peut-être calculé. Ces calculs ont été effectués avec plusieurs charges de grains, modélisant différents pH. Deux approches sont proposées et comparées : une méthode perturbative et une méthode de métadynamique. Après analyse et discussion de leurs limites, la méthode de métadynamique est choisie pour une analyse approfondie de la cohésion. A faible charge de grains/niveau de déprotonation, une attraction est constatée, transitant vers une repulsion de Poiss-Boltzmann à plus hautes charges. Ainsi, la déprotonation apparaît comme un facteur déterminant de la formation du gel.Un modèle de « meta-grains » est proposé à partir de l’étude de la géométrie de nos grains et de leur polarizabilité ionique. De ce point de vue, les interactions peuvent être décomposés en termes plus fondamentaux à l’échelle du grains, avec des interactions de coulomb, dipole-dipole et de dispersion. Les résultats obtenus par la metadynamique sont retrouvés avec le choix d’une constante dielectrique basé sur la quantité d’eau à l’interface entre les grains. A haut degré de déprotonation, une répulsion de type DLVO apparait avec une interface riche en eau et un écrantage de Debye important. A très courte distance, l’attraction est de plus renforcée par la formation de liaisons hydrogènes à l’interface (sèche) entre les grains, faisant office de liaison de transition avec la formation de liaison Si-O-Si ou Si-O-Al entre les deux entités. Ces résultats sont discutés en comparaisons avec les expériences et les études menés sur la cohésion des argiles et ciments (CSH).Finalement, des modèles méso-échelle sont proposés pour la croissance de gels de géopolymères, à partir de ces potentiels d’interactions obtenus à conditions ambiantes. Les distributions de pores et intensités de dispersions pour les structures obtenues à partir de simulations d’agrégation de grains par Monte Carlo sont étudiées et comparés aux données expérimentales d’intrusion de mercure/nitrogen et de dispersion à petits angles.