Les matériaux géopolymères et en particulier les bétons géopolymères ont émergé comme l’une des alternatives crédibles aux bétons hydrauliques à base de ciment Portland, connu pour son caractère polluant, son coût relativement élevé et l’indisponibilité de la matière première (le calcaire) dans certaines régions du monde. Cependant, l'un des défis restant à relever pour étendre le champ d'application des géopolymères est leur performance relativement faible dans des conditions de durcissement ambiantes, en particulier lorsque l’aluminosilicate a une faible teneur en calcium à l’instar du métakaolin (MK). Les approches consistant à remplacer partiellement l'aluminosilicate à faible teneur en calcium par des produits riches en calcium sont connues pour améliorer les performances mécaniques des bétons géopolymères durcis en conditions ambiantes. Cependant, l'impact de ces matériaux riches en calcium sur les propriétés physiques, mécaniques, microstructurales, et la durabilité des géopolymères, en particulier sur leur résistance à haute température, n'est pas encore bien compris. Cette étude évalue l'effet de différents ajouts riches en calcium, à savoir le résidu de carbure de calcium (« CCR »), la chaux vive (« QLM »), la chaux éteinte (« SLM ») et le ciment Portland ordinaire (« OPC »), sur les propriétés du béton géopolymère à base de métakaolin (« MK ») activé par une solution de NaOH 12M et durci dans les conditions ambiantes du climat sub-saharien (Burkina Faso). Les résultats indiquent que les conditions de cure ont un effet significatif sur les propriétés physico-mécaniques des bétons géopolymères. La substitution de 5% à 15% du MK par des produits riches en calcium conduit à une amélioration de la résistance mécanique du béton géopolymère. L'analyse microstructurale montre que les produits de réaction sont principalement composés de deux types de zéolithes (zéolite A et zéolite X) et d'un gel de C-(N)-A-S-H à faible teneur en calcium. Plus le produit riche en calcium a tendance à dégager de la chaleur, plus les réactions de géopolymérisation sont rapides, et vice versa. Cette étude démontre la faisabilité de la conception de bétons géopolymères à base de métakaolin à température ambiante pour atteindre une résistance de 30 MPa et ainsi répondre aux besoins des applications d'ingénierie. Les résultats indiquent aussi que l'ajout de produits riches en calcium a un effet négligeable sur la porosité accessible à l'eau des bétons, mais qu'il améliore leur sorptivité en réduisant leur capacité d'absorption de l'eau par capillarité. La chaux vive présente les meilleures performances globales en matière de durabilité. Lors de l'essai d'attaque acide, les bétons contenant des QLM sont les seuls à conserver une résistance à la compression supérieure à 20 MPa après 28 jours dans un environnement acide. L'acide sulfurique est plus agressif pour les bétons de géopolymères que l'acide chlorhydrique. Globalement, la résistance à l'acide des bétons de géopolymères dépend de leur microstructure, en particulier de la présence de phases de type portlandite. Les bétons contenant du CCR, du SLM et du OPC, ayant en commun une plus grande propension à former de la portlandite, sont plus sensibles aux attaques acides, en particulier dans un environnement d'acide sulfurique. Lorsqu'ils sont exposés à des températures élevées, les produits de réaction tels que la zéolithe X et la zéolithe Heulandite-calcienne ne sont pas stables et tendent à disparaître à 350 °C, tandis que la zéolithe A est stable. Cette étude montre que la stabilité thermique des pâtes géopolymères est affectée différemment selon le type de produit calcique employé dans leur formulation.

Abstract : Geopolymer concrete has emerged as one of the most promising alternatives to Portland cement-based hydraulic concretes, which are notorious for their polluting nature, relatively high cost and the unavailability of the raw material (limestone) in certain regions of the world. However, one of the remaining challenges that need to be addressed to extend their field of application is their relatively weak performance under ambient curing conditions, especially for low-calcium alumino-silicate such as Metakaolin-based geopolymer concretes. Approaches consisting of partial replacement of the low-calcium aluminosilicate by calcium-rich products are known to improve mechanical performances of ambient-cured geopolymer concretes. However, the impact of these calcium rich materials on the physic, mechanical microstructure and durability especially the high temperature resistance of these geopolymer materials is still not well understood. This study assesses the effect of different calcium-rich additions namely calcium carbide residue (CCR), quick lime (QLM), slaked lime (SLM), and ordinary Portland cement (OPC) (on the properties of metakaolin (MK) based geopolymer concrete activated by NaOH solution 12M and cured in ambient condition of sub-Saharan climate. The results indicate that curing conditions have a significant effect on the physico-mechanical properties of geopolymer concretes. The substitution of MK by calcium-rich products leads to an improvement in mechanical strength of geopolymer concrete compared to plain MK-based geopolymer concrete. The microstructural analysis shows that the reaction products mainly consist of 2 types of zeolites (Zeolite A and Zeolite X) and low-Ca C-(N)-A-S-H gel. The more heat the calcium-rich product tends to release, the faster the geopolymerization reactions and vice versa. This study demonstrates the feasibility to design metakaolin-based geopolymer concretes at room temperature to reach up to a strength of 30MPa for engineering applications. The results indicate that the addition of calcium-rich products has a negligible effect on the water-accessible porosity of concretes, while it improves their sorptivity by reducing their capacity to absorb water by capillary action. Quicklime shows the best overall durability performance, and in the acid attack test, QLM-containing concretes are the only ones to retain compressive strengths exceeding 20 MPa after 28 days in acidic environment. Sulfuric acid is more aggressive towards geopolymer concretes than hydrochloric acid. Overall, the acid resistance of geopolymer concretes is influenced by their microstructure, particularly the presence of portlandite-like phases: concretes containing calcium-rich products with a higher propensity to form portlandite are more susceptible to acidic attack, especially sulfuric acid environment. When exposed to elevated temperature, reaction products such as zeolite X and Heulandite-calcian Zeolite were not stable and tend to disappear at 350 °C, while the zeolite A are stable. This study shows that the thermal stability of geopolymer pastes is differently affected depending on the type of calcium addition; given the different reaction of geopolymer products to the temperature.

Les matériaux géopolymères et en particulier les bétons géopolymères ont émergé comme l’une des alternatives crédibles aux bétons hydrauliques à base de ciment Portland, connu pour son caractère polluant, son coût relativement élevé et l’indisponibilité de la matière première (le calcaire) dans certaines régions du monde. Cependant, l'un des défis restant à relever pour étendre le champ d'application des géopolymères est leur performance relativement faible dans des conditions de durcissement ambiantes, en particulier lorsque l’aluminosilicate a une faible teneur en calcium à l’instar du métakaolin (MK). Les approches consistant à remplacer partiellement l'aluminosilicate à faible teneur en calcium par des produits riches en calcium sont connues pour améliorer les performances mécaniques des bétons géopolymères durcis en conditions ambiantes. Cependant, l'impact de ces matériaux riches en calcium sur les propriétés physiques, mécaniques, microstructurales, et la durabilité des géopolymères, en particulier sur leur résistance à haute température, n'est pas encore bien compris. Cette étude évalue l'effet de différents ajouts riches en calcium, à savoir le résidu de carbure de calcium (« CCR »), la chaux vive (« QLM »), la chaux éteinte (« SLM ») et le ciment Portland ordinaire (« OPC »), sur les propriétés du béton géopolymère à base de métakaolin (« MK ») activé par une solution de NaOH 12M et durci dans les conditions ambiantes du climat sub-saharien (Burkina Faso). Les résultats indiquent que les conditions de cure ont un effet significatif sur les propriétés physico-mécaniques des bétons géopolymères. La substitution de 5% à 15% du MK par des produits riches en calcium conduit à une amélioration de la résistance mécanique du béton géopolymère. L'analyse microstructurale montre que les produits de réaction sont principalement composés de deux types de zéolithes (zéolite A et zéolite X) et d'un gel de C-(N)-A-S-H à faible teneur en calcium. Plus le produit riche en calcium a tendance à dégager de la chaleur, plus les réactions de géopolymérisation sont rapides, et vice versa. Cette étude démontre la faisabilité de la conception de bétons géopolymères à base de métakaolin à température ambiante pour atteindre une résistance de 30 MPa et ainsi répondre aux besoins des applications d'ingénierie. Les résultats indiquent aussi que l'ajout de produits riches en calcium a un effet négligeable sur la porosité accessible à l'eau des bétons, mais qu'il améliore leur sorptivité en réduisant leur capacité d'absorption de l'eau par capillarité. La chaux vive présente les meilleures performances globales en matière de durabilité. Lors de l'essai d'attaque acide, les bétons contenant des QLM sont les seuls à conserver une résistance à la compression supérieure à 20 MPa après 28 jours dans un environnement acide. L'acide sulfurique est plus agressif pour les bétons de géopolymères que l'acide chlorhydrique. Globalement, la résistance à l'acide des bétons de géopolymères dépend de leur microstructure, en particulier de la présence de phases de type portlandite. Les bétons contenant du CCR, du SLM et du OPC, ayant en commun une plus grande propension à former de la portlandite, sont plus sensibles aux attaques acides, en particulier dans un environnement d'acide sulfurique. Lorsqu'ils sont exposés à des températures élevées, les produits de réaction tels que la zéolithe X et la zéolithe Heulandite-calcienne ne sont pas stables et tendent à disparaître à 350 °C, tandis que la zéolithe A est stable. Cette étude montre que la stabilité thermique des pâtes géopolymères est affectée différemment selon le type de produit calcique employé dans leur formulation.

Abstract : Geopolymer concrete has emerged as one of the most promising alternatives to Portland cement-based hydraulic concretes, which are notorious for their polluting nature, relatively high cost and the unavailability of the raw material (limestone) in certain regions of the world. However, one of the remaining challenges that need to be addressed to extend their field of application is their relatively weak performance under ambient curing conditions, especially for low-calcium alumino-silicate such as Metakaolin-based geopolymer concretes. Approaches consisting of partial replacement of the low-calcium aluminosilicate by calcium-rich products are known to improve mechanical performances of ambient-cured geopolymer concretes. However, the impact of these calcium rich materials on the physic, mechanical microstructure and durability especially the high temperature resistance of these geopolymer materials is still not well understood. This study assesses the effect of different calcium-rich additions namely calcium carbide residue (CCR), quick lime (QLM), slaked lime (SLM), and ordinary Portland cement (OPC) (on the properties of metakaolin (MK) based geopolymer concrete activated by NaOH solution 12M and cured in ambient condition of sub-Saharan climate. The results indicate that curing conditions have a significant effect on the physico-mechanical properties of geopolymer concretes. The substitution of MK by calcium-rich products leads to an improvement in mechanical strength of geopolymer concrete compared to plain MK-based geopolymer concrete. The microstructural analysis shows that the reaction products mainly consist of 2 types of zeolites (Zeolite A and Zeolite X) and low-Ca C-(N)-A-S-H gel. The more heat the calcium-rich product tends to release, the faster the geopolymerization reactions and vice versa. This study demonstrates the feasibility to design metakaolin-based geopolymer concretes at room temperature to reach up to a strength of 30MPa for engineering applications. The results indicate that the addition of calcium-rich products has a negligible effect on the water-accessible porosity of concretes, while it improves their sorptivity by reducing their capacity to absorb water by capillary action. Quicklime shows the best overall durability performance, and in the acid attack test, QLM-containing concretes are the only ones to retain compressive strengths exceeding 20 MPa after 28 days in acidic environment. Sulfuric acid is more aggressive towards geopolymer concretes than hydrochloric acid. Overall, the acid resistance of geopolymer concretes is influenced by their microstructure, particularly the presence of portlandite-like phases: concretes containing calcium-rich products with a higher propensity to form portlandite are more susceptible to acidic attack, especially sulfuric acid environment. When exposed to elevated temperature, reaction products such as zeolite X and Heulandite-calcian Zeolite were not stable and tend to disappear at 350 °C, while the zeolite A are stable. This study shows that the thermal stability of geopolymer pastes is differently affected depending on the type of calcium addition; given the different reaction of geopolymer products to the temperature.