Volcanic ashes are raw materials with variable chemical and mineralogical compositions from one deposit to another. When combined with suitable alkali activators they can be converted to geopolymer cements at ambient temperature. In this study we investigate the possibility of use bauxite and calcined oyster shell powders as mineral additives to volcanic ashes in other to enhance the properties of the resulted geopolymers. Different methods of analyses such as Fourier Transform Infrared Spectroscopy, X- Ray Diffractometry and Scanning Electron Microscopy were used to assess the variations of setting time, linear shrinkage and 28 days compressive strength of geopolymer pastes. Also, chemical and mineralogical compositions of bauxite and calcined oyster shell were determined. It appeared that bauxite and calcined oyster shell are respectively sources of Al2O3 and CaO and can compensate the deficiency of these oxides in volcanic ashes. These mineral additives are weakly dissolved in alkaline medium due to their high crystalline phase content. Addition of about 20 % of bauxite or 10 % calcined oyster shell lead to the decreasing of the setting time respectively from 415 to 275 min (bauxite) and 195 min (calcined oyster shell). Addition of any percentage of these minerals lead to the decrease of linear shrinkage and 10 % of bauxite is enough to prevent efflorescence. The increasing of the 28 days compressive strength of the geopolymers synthesized is trivial up to 10 to 20% addition of bauxite and calcined oyster shell respectively. More than these percentages additives have deleterious effect on the compressive strength.

1. Le Laboratoire de Physico-chimie des
Matériaux Minéraux vous souhaite la
bienvenue à la soutenance de Master
de M. Djobo Yankwa Jean Noël
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2. EFFETS DE L’INCORPORATION D’ADJUVANTS
MINÉRAUX SUR LES PROPRIÉTÉS DE CIMENTS
GÉOPOLYMÈRES A BASE DE SCORIES VOLCANIQUES
Mémoire présenté et soutenu publiquement en vue de l’obtention du
Diplôme de Master en chimie
Option : Physico-chimie des matériaux minéraux
Par:
DJOBO YANKWA JEAN Noël
Matricule 06T087
Licencié en Chimie
Sous la direction de :
ELIMBI Antoine
Maître de Conférences
Année 2013

3. Plan
INTRODUCTION
GÉNÉRALITÉS
MATERIAUX UTILISES ET METHODES
EXPERIMENTALES
RESULTATS ET DISCUSSION
CONCLUSION ET PERSPECTIVES

4. Introduction
• Les enjeux climatiques liés à la production du
ciment portland sont énormes
• 1 tonne de ciment Portland
1 tonne de CO2
• Les géopolymères sont des matériaux obtenus à
basse température par interaction entre un milieu
basique et la poudre d’un matériau aluminosilicate
• 1 tonne de ciment géopolymère
184 Kg de CO2

5. Introduction
 Source d’aluminosilicate: kaolin, métakaolin,
cendres volantes
• Scories volcaniques
Les géopolymères à base de ce matériau
présentes de faibles propriétés comparées à celles
obtenues à partir du métakaolin ou des cendres
volantes.

6. Introduction
Amélioration des propriétés des géopolymères
par ajout de différentes sources de calcium et des
minéraux riches en alumine lors de la
géosynthèse.
Au Cameroun, il existe une quarantaine de
massifs qui se répartissent sur plus de 500 Km et
jonchés à leur bas-fond par de nombreux dépôt
de scories volcaniques.

7. Introduction
Objectif général
Étudier la possibilité d’utiliser la bauxite et la
coquille d’huitre comme adjuvants minéraux aux
scories volcaniques.

8. Généralités
 Ciment Portland
 Définition :
Le ciment est un liant hydraulique, c’est-à-dire un
matériau finement moulu qui fait prise et durcit en
présence de l’eau mais ne se dissout pas dans l’eau.
 Composition
Clinker + Gypse + ajouts minéraux
Ciment géopolymère
 Définition
Toute classe de matériau semi-cristallin ou amorphe
obtenu par la réaction entre une poudre d’aluminosilicate
et une solution alcaline.

9. Généralités
 Historique
La synthèse de matériaux de construction par des
liants activés par une solution alcaline a été
développée pour la première fois par Prudon (1940).
Les géopolymères furent donc développés en tant
qu’alternative aux polymères organiques résistants
au feu, suite à la série d’incendie survenue en
Europe dans les années 1970

10. Généralités
Synthèse des géopolymères
• Matériaux aluminosilicates
Ce
sont
des
matériaux
constitués
majoritairement de silice (SiO2) et d’alumine
(Al2O3) partiellement ou totalement amorphe
• Solution activatrices
Hydroxydes alcalins (NaOH ou KOH) avec le
silicate de sodium ou de potassium
(Na2SiO3, K2SiO3)

11. Généralités
 Mécanisme de la géopolymérisation
• Destruction/coagulation : rupture des liaisons
Si-O-Al et Si-O-Si et formation des précurseurs
Si(OH)4 et Al(OH)4- .
• Coagulation/condensation : formation des
oligomères AlSi2O2(OH)8- qui se condensent en
un gel.
• Condensation/cristallisation: réarrangement et
réorganisation, augmentation de la connectivité du
réseau du gel et formation d’un réseau 3D
d’aluminosilicates amorphes.

12. Généralités
Géopolymères et ajouts
• Adjuvants chimiques
Produits chimiques incorporés à faible dose (˂
5%)
au cours de la synthèse du ciment ou du mortier.
• Adjuvants minéraux
Matériaux minéraux finement divisés, ajoutés au
ciment en grande quantité (>10%).

13. Généralités
 Utilisations des géopolymères
 Le bâtiment et génie civil: matériaux de
construction (ciment et béton);
 Technologique: matériaux composites pour la
protection des avions et des véhicules de
formule 1 contre les incendies;
 Archéologie: adhésifs utilisés pour restaurer les
œuvres d’arts;
 Environnement pour encapsuler les déchets
radioactif sur de longue durée sans être
endommagé, et pour absorber les métaux lourds

14. Généralités
Différences entre ciments portland et ciments
géopolymères
 OPC
CaO + SiO2
1450°C
 GPC
SiO2 + Al2O3
20°-90°C + solution alcaline
Clinker (C3S, C2S, C3A et C4AF) -Si – O – Al – O Hydratation
C-S-H + Ca(OH)2
(Portlandite)
Polycondensation
N-A-S-H ou K-A-S-H
(gel 3D aluminosilicate)

15. MATERIAUX ET METHODES EXPERIMENTALES
Matériau aluminosilicate : Scories volcaniques (ZG)
Adjuvants minéraux: Bauxite (BX); Coquille d’huitre (CH)
Solution alcaline: NaOH (12M)
+
Ms = 0,7
Na2O.SiO2
(28,7 % SiO2 , 8,9 % Na2O et 62,4 % H2O)
E/C= 0,20
L/S= 0,40

16. Scorie volcanique
Ajouts de Bauxite et/ou
coquille d’huitre
Ajout de la solution
alcaline
Malaxage pendant 5min
Coulage dans un
moule tronconique
Pâte de ciment
géopolymère
Eprouvette cylindrique (10mm :20mm)
Démoulage après
24h
vibrer pendant 3min
Détermination du temps
de début de prise
Éprouvettes cylindrique
MEB
(30mm :60mm)
Démoulage après 24h
Mesure du retrait linéaire
aux 1, 7, 14, 21,28e jours
Résistance à la compression
à 28 jours
DRX, FTIR
Protocole expérimental

17. Résultats et Discussion
Caractérisation des matières premières
  Surface spécifique de Zde ZG
Analyse granulométrique G
SBET= 15,7
2/g
m
Figure : Distribution granulométrique des particules ZG

18. Oxydes
SiO2
Al2O3
Analyses
Fe2O3
TiO2
MnO
MgO
CaO
K2O
Na2O
SO3
P2O5
Cr2O3
ZrO2
ClSrO
ZnO
As2O3
V2O5
PF
Total
ZG
CH
BX
0,19
0,10
74,73
0,57
0,11
0,12
0,32
0,07
0,27
23,23
100,01
1
58,10
5,54
2,40
0,08
0,07
0,17
0 ,06
0,08
0,14
0,05
0,03
0,30
0 ,08
31,67
98,77
Résultats et Discussion
41,36
0,30
15,41
chimiques
12,88
3,04
0,2
6,45
7,88
0,90
2,22
0,48
0,03
9,31
100.16

19. Résultats et Discussion
Caractérisation des matières premières
Intensité (unité arb)
 DRX
2 Thêta
Figure: Diffractogramme de rayons X de CH
Figure: Diffractogramme de rayons X de BX
ZG

20. Résultats et Discussion
Caractérisation des matières premières
 ATG/DSC
200°C
625°C
850°C
150°C
430°C
380°C
520°C
350°C
850°C
340°C
830°C
520°C
350°C
α-Al2(OOH)2 830-850°C Al2OO3 + H2O2O
Al2 3
2 Al(OH)3
3H
CaCO3
CaO etd’ATG de CH
CO2
Figure ::Thermogramme de DSC et d’ATG de BX
Figure (calcite)
Thermogramme de DSC + (eau)
(gibbsite)
(alumine)
(boehmite)

21. Résultats et Discussion
 Caractérisation des Géopolymères Synthétisés
Aspect des éprouvettes géopolymères
(a)
(b)
(C)
(d)
(a)
(e)
(f)
(g)
Figure : Géopolymères de formulations ZGBi et ZGCi (a= ZG ; b=ZGB10 ;
Na2= ZG+ 20 ; d= ZGB30 ; e= ZGC10 ; f=2ZGC20 ; g= ZGC30).
Na CO3
c O B CO2

22. Résultats et Discussion
Gi: Gibbsite
Co: Corindon
An: Anatase
D: Diopside
M: Maghémite
Ano: Anorthoclase
H: Hématite
Intensité (unité arb.)
 DRX
2Thêta
Figure : Diffractogramme de rayons X des géopolymères de formulations ZGBi

23. Résultats et Discussion
 DRX
C: Calcite
D: Diopside
M: Maghémite
Ano: Anorthoclase
H: Hematite
Mu: Muscovite
2 Thêta
Figure: Diffractogramme des géopolymères de formulation ZGCi

24.  IR
Figure : Spectres IR des géopolymères formulations ZGBi

25.  IR
Figure : Spectres IR des géopolymères de formulations ZGCi

26. Résultats et Discussion
 Caractérisation des Géopolymères Synthétisés
 Microstructure
(b)
(a)
(c)
Figure: Microstructure des géopolymères de formulations ZGBi (a= ZG ; b= ZGB20 ; c = ZGB30)

27. Résultats et Discussion
 Caractérisation des Géopolymères Synthétisés
 Microstructure
(d)
(a)
(e)
Figure: Microstructure des géopolymères de formulations ZGCi (a= ZG ; d= ZGC20 ; e = ZGC30)

28. Résultats et discussion
Caractérisation des Géopolymères Synthétisés
 Temps de début de prise
(A)
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
0
10
(B)
450
Temps de début de prise (min)
Temps de début de prise (min)
500
20
% Bauxite
30
400
350
300
250
200
150
100
50
0
0
10
20
% Coquille d'huitre
Figure : géopolymères de formulations ZGBi (A) et ZGCi (B)
30

29. Résultats et discussion
Caractérisation des Géopolymères Synthétisés
 Retrait linéaire
5
4.5
4
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
GPZG
ZGB10
ZGB20
ZGB30
(A)
RL7
RL14
RL21
RL28
5
4.5
4
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
GPZG
ZGC10
(B)
ZGC20
ZGC30
RL7
RL14
RL21
RL28
Figure : Retrait linéaire des géopolymères de formulations ZGBi (A) et ZGCi (B)

30. Résultats et discussion
40
Resistance à la compression(MPa)
Resistance à la compression(MPa)
Caractérisation des Géopolymères Synthétisés
 Résistance à la compression
(A)
35
30
25
20
15
10
5
0
0
10
20
% de Bauxite
30
40
40
35
(B)
30
25
20
15
10
5
0
0
10
20
30
% de Coquille d‘huitre
Figure : géopolymères de formulations ZGBi (A) et ZGCi (B)
40

31. Conclusion et perspectives
Conclusion
• L’ajout de la bauxite ou de la coquille d’huitre
permet de compenser le déficit en Al2O3 et en
CaO dans les scories volcaniques;
• Diminution du temps de début de prise et du
retrait linéaire;
• Les adjuvants utilisés n’ont pas un grand effet sur
la résistance à la compression;
• L’ajout de 10% de bauxite permet de diminuer
l’efflorescence;

32. Conclusion et perspectives
Perspectives
• Amorphiser la bauxite;
• Déterminer le rapport solution alcaline/solide
qui donne les meilleures propriétés;
• Etudier l’effet du temps de malaxage;
• Etudier l’influence de ces adjuvants sur
d’autres propriétés de ciment géopolymères.

33. Remerciements

34. Merci pour votre
aimable attention
Thank for your kind
attention