L’incorporation de matériaux à changement de phase microcapsulés (MCPM) dans des matériaux à base de ciment ou des géopolymères est l’une des technologies efficaces pour répondre à la demande énergétique finale. Cependant, compte tenu du taux élevé d’impacts environnementaux associés à la fabrication du ciment, l’utilisation de géopolymères a suscité un grand intérêt de la part des chercheurs en raison de leur faible empreinte carbone et de leurs propriétés mécaniques et de durabilité supérieures à celles des matériaux à base de clinker.

En revanche, l’incorporation de MCPM dans les géopolymères induit des effets négatifs sur leurs performances mécaniques et thermiques. L’utilisation de ce dernier nécessite encore des investigations approfondies sur leurs indicateurs de durabilité (diffusivité des chlorures, porosité, perméabilité, etc..). Ce travail de thèse s’inscrit parfaitement dans cette problématique, et traite de l’effet de la combinaison du gel NASH (aluminosilicate de sodium hydraté) et du gel CASH (silicate de calcium- aluminium hydraté) pour surmonter les effets négatifs de l’incorporation de MCPM sur les performances des géopolymères à base de laitier de haut fourneau. Pour atteindre cet objectif, douze mortiers ont été étudiés (trois à base de ciment et neuf à base de géopolymère) en variant le pourcentage d’ajout de métakaolin (0%, 10% et 20%) dans les mortiers géopolymères, et le taux d’incorporation de MCPM (0%, 5% et 10%) dans les deux types de mortiers : mortiers géopolymère (MGP) et mortiers de ciment (MC).

La première partie de cette étude est consacrée à la caractérisation des propriétés des MGP et des MC : au jeune âge et microstructurales, physiques, mécaniques et thermiques. Les résultats obtenus ont montré que la coexistence du gel NASH et CASH a apporté des améliorations en termes de propriétés mécaniques et de conductivité thermique par rapport au MGP-MCPM sans ajout de métakaolin. En effet, l’ajout de 10 et 20% de métakaolin était suffisant pour obtenir cette coexistence. Avec une concentration de MCPM allant jusqu’à 10% dans les mortiers géopolymères, la résistance en compression a été augmentée d’environ 21% et la conductivité thermique a été augmentée d’environ 31%, ce qui a conduit à une amélioration de la capacité thermique spécifique allant jusqu’à 1280 J/Kg.K.

La seconde partie du travail porte sur l’étude de l’effet de l’incorporation de MCPM sur les propriétés de transfert des MGP et MC. Les résultats indiquent que l’incorporation de MCPM augmente la porosité totale, ceci provoque une augmentation de l’absorption d’eau par capillarité et une diminution de la résistivité électrique du MGP et du MC. Par contre, l’inclusion de MCPM diminue le diamètre critique, ce qui diminue généralement la connectivité des pores.

D’autre part, le MCPM augmente la capacité de fixation des ions chlorure, ce qui conduit à une diminution du coefficient de migration des chlorures en régime permanent.

En outre, il convient de noter que les MGP présentent des pores de plus grande taille par rapport aux MC. Cet effet est dû au retrait de séchage élevé des MGP qui est susceptible d’induire plus de microfissures dans le gel géopolymère. Cependant, en présence de ces microfissures, l’étude a révélé que la réaction chimique des MGP contrôle les mécanismes de transport des ions chlorure plus que leur porosité.

The incorporation of microcapsulated phase change materials (MPCM) into cement-based

materials or geopolymers is one of the effective technologies to meet the final energy demand.

However, given the high rate of environmental impacts associated with cement manufacturing,

the use of geopolymers has attracted great interest from researchers due to their low carbon

footprint and superior mechanical and durability properties compared to clinker-based

materials.

On the other hand, the incorporation of MPCM in geopolymers induces negative effects on their

mechanical and thermal performances, the use of the latter still requires in-depth investigations

on their durability indicators (chloride diffusivity, porosity, permeability etc.). This thesis work

is perfectly in line with this problematic, and deals with the effect of the combination of NASH

(sodium alumina silicate hydrate) and CASH (calcium alumina silicate hydrate) gel to

overcome the negative effects of MPCM incorporation on the performance of geopolymers

based on blast furnace slag. To achieve this objective, twelve mortars were studied (three

cement-based and nine geopolymer-based) by varying the percentage of metakaolin addition

(0%, 10% and 20%) in geopolymer mortars, and the rate of MPCM incorporation (0%, 5% and

10%) in both types of mortars: geopolymer mortars (GPM) and cement mortars (CM).

The first part of this study is devoted to the characterization of the microstructure, physical,

mechanical and thermal properties of GPM and CM. The results obtained showed that the

coexistence of NASH and CASH gel brought improvements in terms of mechanical properties

and thermal conductivity compared to GPM-MPCM without metakaolin addition. Indeed, the

addition of 10 and 20% metakaolin was sufficient to achieve this coexistence. With a

concentration of MPCM up to 10% in the geopolymer mortars, the compressive strength was

increased by about 21% and the thermal conductivity was increased by about 31%, leading to

an improvement in the thermal capacity up to 1280 J/Kg.K.

The second part of the work deals with the study of the effect of MPCM incorporation on the

transfer properties of GPM and CM. The results indicate that the incorporation of MPCM

Thèse de doctorat – Bouha EL MOUSTAPHA

increases the total porosity, which induces an increase in the water absorption by capillarity and

a decrease in the electrical resistivity of the GPM and the CM. On the other hand, the inclusion

of MPCM decreases the critical diameter, which generally leads to a decrease in pore

connectivity. Alternatively, MPCM increases the chloride ion binding capacity, which leads to

a decrease in the steady-state chloride migration coefficient.

In addition, it should be noted that GPM exhibit larger pore sizes compared to CM. This is due

to the high drying shrinkage of GPM which is likely to induce more microcracks in the

geopolymer gel. However, in the presence of these microcracks, the study revealed that the

chemical reaction of GPM controls the chloride ion transport mechanisms more than their

porosity.