Caractérisation de la porosité des géopolymères : évolution temporelle et étude de l'eau confinée

Ce travail s’inscrit dans le cadre de l’étude de liants aluminosilicatés que sont les géopolymères. La première partie de ce travail a consisté à caractériser la texture poreuse des géopolymères, par des techniques intrusives (porosimétrie à eau, adsorption-désorption d’azote, intrusion mercure) et non-intrusives (diffusion des rayons X et des neutrons aux petits angles). Le terme « texture poreuse » regroupe la forme et la taille des pores, le volume poreux, la surface spécifique et la connectivité des pores. En parallèle, l’évolution de la texture poreuse et des propriétés mécaniques a été suivie sur une période de deux ans, en évitant les échanges avec le milieu extérieur afin d’étudier l’évolution intrinsèque des géopolymères. La seconde étape a consisté à étudier les propriétés thermodynamiques, la structure et la dynamique de l’eau confinée dans la porosité, par calorimétrie différentielle à balayage basse température, par diffusion des neutrons et par des essais de migration. La structure poreuse des géopolymères est complexe, puisqu’il s’agit d’une porosité multi échelle, méso- et macroporeuse, essentiellement ouverte et connectée. Elle consiste en un réseau vermiculaire de mésopores et un réseau de macropores connecté via les mésopores. La taille caractéristique (comprise entre 4 et 10 nm environ) et le volume des mésopores dépendent de la formulation de la pâte de géopolymère, à savoir de la teneur en eau, du rapport molaire Si/Al et de la nature du cation compensateur de charge. Il a été montré que les géopolymères étudiés sont très poreux, la porosité représentant entre 40 et 50 % du volume total du matériau. Le volume mésoporeux représente entre 7 et 15 % du volume total, le reste étant attribué à un volume macroporeux. Au cours du temps, la porosité des géopolymères se ferme légèrement, ceci étant attribué à un mécanisme de dissolution-reprécipitation au niveau des murs de pores. Les propriétés mécaniques atteignent un maximum entre 7 et 10 jours, puis sont stables dans le temps lorsque les échantillons sont conservés à 20°C et à l’abri du séchage ou de la carbonatation de la solution porale. Par ailleurs, trois types d’eau ont été mises en évidence au sein des pores : (i) l’eau liée chimiquement et/physiquement à la surface des parois, (ii) l’eau libre confinée dans les mésopores, et (iii) l’eau libre dans les macropores. A l’échelle locale, les molécules d’eau possède une mobilité proche de celle de l’eau libre, tandis qu’à l’échelle macroscopique, une diminution d’un ordre de grandeur du coefficient de diffusion a été observé, avec un effet probable de la taille des mésopores.