Caractérisation de la réactivité des matières premières minérales pour le développement d'un liant minéral anti-feu à base d'argilite

Discipline

Eau, Sol, Environnement

Classification

Chimie, minéralogie, cristallographie

Mots-clés libres

Réactivité, Effet du cation, Déshydroxylation, Smectite, Kaolinite, Dissolution

Mots-clés

Kaolinite,

Smectites

L’utilisation potentielle de géopolymères dans le stockage des déchets radioactifs (projet INIFUGE – Andra – programme investissement d’avenir en coopération avec l’ANR) nécessite une meilleure compréhension du comportement des sources aluminosilicatées entrant dans les formulations. Le travail de cette thèse s’est donc intéressé à la compréhension de la réactivité des kaolinites (KGa-1b, KGa-2 et une kaolinite de synthèse) et des métakaolins (450 à 850 °C par pas de 50 °C) en milieu alcalin. Ces matériaux ont été soumis à des solutions 2 M de KOH, NaOH ou d’un mélange KOH + NaOH à 80 °C pendant différents pas de temps (entre 0 et 24 h). De façon similaire, le comportement des smectites (STx-1 et Syn-1) et des métasmectites (600 à 1000 °C par pas de 100 °C), envisagées comme filler ou solution alternative en fonction de leur réactivité, a également été étudié. Pour comprendre la réactivité de ces matériaux, les concentrations en [Si] et [Al] relarguées par chaque aluminosilicate après chaque pas de temps ont été mesurées par MP-AES, et les résidus solides d’attaque alcaline ont été caractérisés par DRX, FTIR, MEB, MET, RMN MAS et XANES. Ce travail montre de façon inédite que pour les (méta)kaolinites, les mécanismes de dissolution sont différents entre KOH (dissolution dans toutes les directions de la particule) et NaOH (dissolution orientée le long des cavités vacantes). De plus, les désordres structuraux engendrés par cette dissolution varient entre les kaolinites naturelles et la kaolinite synthétique testée. Ceci se traduit par une évolution de la spéciation d’AlVI en AlIV, changement d’autant plus important pour le produit synthétique (jusqu’à 60 % d’AlIV vs. 10 % pour les KGa). Ce travail permet aussi de dégager des tendances générales de réactivité quel que soit le type de matière première minérale argileuse testé à l’issue des attaques alcalines avec : (i) l’effet et le rôle du cation de la solution de traitement (Na+ ou K+), (ii) l’effet de la cristallinité et la taille des particules de kaolinites ou smectites, (iii) l’effet de la température de déshydroxylation, (iv) des cinétiques de dissolution différentes, et (v) la précipitation de zéolites lors d’attaque dans du NaOH. In fine, l’ensemble des résultats prouve que la cristallochimie des matériaux parentaux contrôle la réactivité des méta-matériaux. Par ailleurs, la comparaison de réactivité entre les sources aluminosilicatées montre qu’il est possible dans certaines conditions d’avoir des réactivités équivalentes entre kaolinite et smectite.