EP-3941888-B1 - GEOPOLYMER BINDER BASED ON CHARGED TOT CLAY

Inventors

• LUZU, Baptiste
• DJERBI, Assia
• DUC, Myriam
• GAUTRON, Laurent

Dates

Publication Date

20260506

Application Date

20200316

Claims (10)

1. A geopolymer binder comprising: - an aluminosilicate material containing at least 20% by mass of charged TOT clay with an amorphous phase content of at least 20% by mass; - an alkaline silicate solution having a molar ratio M 2 O/SiO 2 (M = Na or K) in the range from 0.45 to 0.8; said binder having a liquid/solid mass ratio in the range from 0.4 to 1.0.
2. The geopolymer binder of claim 1, wherein the charged TOT clay is selected from clay minerals of the muscovite type, smectite type, vermiculite type ans mixtures od fais clay minerals.
3. The geopolymer binder of claim 1 or claim 2, wherein the aluminosilicate material contains at least 50% by mass, preferably at least 70% by mass, of charged TOT clay.
4. The geopolymer binder of any one of the preceding claims, wherein the charged TOT clay has an amorphous phase content of at least 50% by mass.
5. The geopolymer binder of any one of the preceding claims, wherein the aluminosilicate material further comprises at least one compound selected from quartz, a carbonate, a feldspath, a metakaolin, and a non-thermally activated aluminosilicate.
6. The geopolymer binder of claim 5, comprising up to 50% by mass of a compound selected from a metakaolin, a non-thermally activated aluminosilicate, and a mixture of metakaolin and non-thermally activated aluminosilicate.
7. The geopolymer binder of any one of the preceding claims, wherein the alkaline silicate solution has a molar ratio M 2 O/SiO 2 in the range from 0.5 to 0.67.
8. The geopolymer binder of any one of the preceding claims, which has a liquid/solid mass ratio in the range from 0.5 to 0.8.
9. A mortar or concrete comprising the geopolymer binder of any one of the preceding claims.
10. A process for preparing a precursor of a geopolymer binder, which comprises grinding an aluminosilicate material containing at least 20% by mass of charged TOT clay and having a particle size less than 1 mm, such that said charged TOT clay has an amorphous phase content of at least 20% by mass.

Description

Domaine Technique La présente invention relève du domaine des matériaux de construction. Plus précisément, l'invention concerne un liant géopolymérique à base d'argile dite « TOT » chargée. Ce liant permet la fabrication de coulis, mortier et béton avec une faible empreinte environnementale. Etat de la technique Dans le domaine de la construction, trois types de liants sont généralement utilisés, les liants hydrauliques à base de ciment Portland, les liants alcali-activés et les liants géopolymériques. Les liants géopolymériques, ou géopolymères, sont appelés de cette manière car ils sont obtenus par polymérisation de matière inorganique, tels que des oxydes d'aluminosilicates, en présence d'activateur alcalin. Les géopolymères possèdent une structure tridimensionnelle très résistante constituée de liaisons covalentes Si-O-Si et Si-O-Al. La production des géopolymères est écologiquement plus avantageuse que celle du ciment Portland conventionnel. En effet, produire une tonne de ciment Portland implique la calcination de calcaire et d'argile à 1450°C. Cette calcination du calcaire entraîne l'émission d'environ une tonne de CO2 en plus du coût énergétique élevé de l'activation thermique. En comparaison, le coût énergétique de la préparation des matériaux précurseurs d'un géopolymère conventionnel, à savoir des métakaolins, ne représente qu'un tiers de celui du ciment Portland. En effet un métakaolin est obtenu par broyage de kaolin suivi d'un passage de quelques secondes dans une chambre à une température comprise entre 900 et 1000°C. Un tel métakaolin présente en général une granulométrie inférieure à 10 µm et donc une réactivité importante (du fait de sa grande surface spécifique). Toutefois la préparation d'un liant géopolymérique à partir de métakaolin nécessite une quantité importante d'activateur alcalin, typiquement une solution alcaline de silicate, pour que le liant puisse être mis en œuvre et possède donc une certaine ouvrabilité. Le coût de production d'un liant géopolymérique à base de métakaolin peut s'avérer élevé (compte tenu de la quantité nécessaire et du prix des solutions alcalines d'activation). En outre, lorsque des solutions alcalines de silicate corrosives sont utilisées (c.à.d. lorsque le rapport molaire M2O:SiO2 > 0,625 avec M = Na ou K), la présence de personnel qualifié est nécessaire pour éviter tout accident lors de la manipulation de ces substances. La préparation de géopolymères à partir de métakaolin est décrite notamment dans les demandes de brevet US 2012/0192765, WO 2016/156722, WO 2008/012438 et FR-A-2966823. Des travaux sur les géopolymères sont également documentés dans la littérature. Ainsi, Buchwald et al. ( The suitability of thermally activated illite/smectite clay as raw material for geopolymer binders. Applied Clay Science, 46 (2009) 300-304) ont étudié l'aptitude d'argile à base d'illite/smectite à être utilisée comme précurseur d'un géopolymère. Le précurseur a été préalablement activé thermiquement à 850°C. Une solution silicatée composée à 10% de NaOH a été mélangée à l'illite calcinée avec un rapport L/S (liquide/solide) égal à 0,41. Grase et al. (Chemically treated submicron illite clays for product with improved strength. Advanced Materials Research, 1117 (2015) 152-155) ont synthétisé des géopolymères à base d'illite issue d'argile rouge et grise. Cette illite a été mélangée à une solution de NaOH (4M) puis curée 3 jours à 60°C puis 3 jours à 100°C. Dietel et al. ( The importance of specific surface area in the geopolymerisation of heated illitic clay. Applied Clay Science, 139 (2017) 99-107) ont synthétisé un géopolymère dont le précurseur est de l'argile composée à 30% d'illite. L'argile a été calcinée à 875°C pendant 3h puis mélangée à une solution de KOH (5M) avec un rapport L/S égal à 0,5. Hu et al. ( The influence of alkali activator type, curing temperature and gibbsite on the géopolymérisation of an interstratified illite-smectite rich clay from Friedland. Applied Clay Science, 135 (2017) 386-393) ont étudié l'influence de plusieurs activateurs alcalins sur la géopolymérisation d'argile riche en illite-smectite. Cette argile a été calcinée à 850°C puis broyée pendant 2h avec un broyeur planétaire à billes d'agate. Plusieurs proportions de gibbsite Al(OH)3 ont été mélangées au précurseur, et les géopolymères ont été obtenus en ajoutant NaOH 6M ou KOH 6M avec un rapport massique liquide/solide (L/S) égal à 0,5. Les performances mécaniques de ces géopolymères à base d'illite sont toutefois moyennes, avec par exemple une résistance à la compression à 28 jours de l'ordre de 30 MPa (Hu et al., op. cité). MacKenzie et al. (Formation of inorganic polymers (geopolymers) from 2:1 layer lattice aluminosilicates. Journal of the European Ceramic Society, 2007, 28(1), 177-181) décrivent la formation de géopolymères à partir de pyrophyllite en présence d'une solution de silicate de sodium. D'après la partie expérimentale, la pyrophyllite est broyée puis mélangée à