FR2758323A1 - METHODS OF MANUFACTURING GEOPOLYMERIC CEMENTS AND CEMENTS OBTAINED BY THESE METHODS - Google Patents

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Abstract

The invention concerns a method for making geopolymeric cement consisting in producing a reaction mixture containing (parts in weight of dry matter):<u>reagent (I):</u>100 parts by weight of aluminosilicate oxide [Si2O5,Al2O2]9[Si2O5,Al2(OH)3], or simplified below as (Si2O5Al2O2)(IV-V); <u>reagent (II):</u> 30-55 parts of alkali silicate in which the mol ratio M2O/SiO2 ranges between 0.5 and 0.8, M representing Na and/or K or the mixture Na+K; <u>reagent (III):</u> 80-110 parts of basic silicate, in glass state, consisting partly of gehlenite, akermanite and wollastonite; <u>reagent (IV):</u> 150-250 parts of alkali aluminosilicate containing at least 5 % by weight of (Na2O+K2O), preferably at least 8 % by weight; then in hardening said mixture by adding water: After hardening the geopolymeric cements are made of two distinct phases: a) a glass phase having a MAS NMR spectrum for <29>Si with a band ranging between -85 and -89ppm, and a MAS NMR spectrum for <27>Al with a resonance at 54-58ppm; b) a crystalline phase having a MAS NMR spectrum for <29>Si with a band ranging between -90ppm and -115ppm, and a MAS NMR spectrum for <27>Al with a resonance at 57ppm.

Description

Méthodes de fabrication de ciments géopolymèriques et ciments obtenus par ces méthodes.Methods of manufacturing geopolymeric cements and cements obtained by these methods.

La présente invention décrit des méthodes qui permettent de réduire le prix de revient des ciments géopolymèriques. Ces méthodes décrivent l'emploi d'alumino-silicates alcalins d'origine géologique.The present invention describes methods which make it possible to reduce the cost price of geopolymeric cements. These methods describe the use of alkaline aluminosilicates of geological origin.

Techniques antérieures.Prior techniques.

On distingue deux types de ciment: les ciments hydrauliques et les ciments géopolymèriques. Les ciments géopolymèriques résultent d'une réaction de polycondensation minérale par activation alcaline, dite géosynthèse, par opposition aux liants traditionnels hydrauliques dans lesquels le durcissement est le résultat d'une hydratation des aluminates de calcium et des silicates de calcium.There are two types of cement: hydraulic cements and geopolymeric cements. Geopolymeric cements result from a reaction of mineral polycondensation by alkaline activation, called geosynthesis, as opposed to traditional hydraulic binders in which hardening is the result of hydration of calcium aluminates and calcium silicates.

Comme il est d'usage dans la profession, la comparaison entre les deux modes de durcissement s'effectue dans le cadre de la normalisation des essais physiques effectués à 28 jours. Le moyen d'investigation utilisé est le spectre de Résonance Magnétique Nucléaire. Dans le spectre MASNMR pour 27Al, les produits résultant de la géosynthèse ou réaction de géopolymèrisation, comme préconisé dans la présente invention, possèdent un pic caractéristique à 55+5 ppm, attribué à la coordination Al(IV) de type
Q4(4Si). Les composés d'hydratation obtenus dans les liants hydrauliques traditionnels ont un pic à 0+5 ppm, caractéristique de la coordination Al(VI), c'est à dire de l'hydroxy-aluminate de calcium. Le spectre MASNMR de 29Si permet également de faire une différentiation très nette entre les ciments géopolymèriques et les liants hydrauliques. Si on représente le degré de polymérisation du tétraèdre SiO4 par Qn (n=0,1,2,3,4), on peut faire la distinction entre les monosilicates (po), les disilicates (Qi), les groupes de silicate (Q2), les silicates greffés (Q3) et les silicates faisant partie d'un réseau tridimensionnel (Q4). Ces degrés de polymérisation sont caractérisés en MASNMR du 29Si par les pics suivants: (QO) de -68 à -76 ppm; (Qi) de -76 à -80; (Q2) de -80 à -85 ppm; (Q3) de -85 à -90 ppm; (Q4) de -91 à -130 ppm. Les pics caractérisant les ciments géopolymèriques se trouvent dans la zone -85 à -100 ppm et correspondent au réseau tridimensionnel (Q4) caractéristique des poly(sialates) et poly(sialatesiloxo). Au contraire, les résultats de l'hydratation des liants hydrauliques conduisant au silicate de calcium hydraté C-S-H (selon la terminologie employée dans la chimie des ciments) produisent des pics se situant dans la zone -68 à -85 ppm soit le monosilicate (QO) ou le disilicate (Q1)(Q2);
On a proposé dans le passé des liants et ciments basés sur des réactions géopolymèriques mettant en jeu trois des quatre réactifs employés dans la présente invention.
As is customary in the profession, the comparison between the two hardening modes is carried out within the framework of the standardization of the physical tests carried out at 28 days. The means of investigation used is the Nuclear Magnetic Resonance spectrum. In the MASNMR spectrum for 27Al, the products resulting from the geosynthesis or geopolymerization reaction, as recommended in the present invention, have a characteristic peak at 55 + 5 ppm, attributed to the Al (IV) type coordination.
Q4 (4Si). The hydration compounds obtained in traditional hydraulic binders have a peak at 0 + 5 ppm, characteristic of the Al (VI) coordination, ie calcium hydroxyaluminate. The MASNMR spectrum of 29Si also makes it possible to make a very clear differentiation between geopolymeric cements and hydraulic binders. If we represent the degree of polymerization of the SiO4 tetrahedron by Qn (n = 0,1,2,3,4), we can distinguish between monosilicates (po), disilicates (Qi), silicate groups (Q2 ), grafted silicates (Q3) and silicates forming part of a three-dimensional network (Q4). These degrees of polymerization are characterized in MASNMR of 29Si by the following peaks: (OQ) from -68 to -76 ppm; (Qi) from -76 to -80; (Q2) from -80 to -85 ppm; (Q3) from -85 to -90 ppm; (Q4) from -91 to -130 ppm. The peaks characterizing geopolymeric cements are found in the -85 to -100 ppm zone and correspond to the three-dimensional network (Q4) characteristic of poly (sialates) and poly (sialatesiloxo). On the contrary, the results of the hydration of hydraulic binders leading to hydrated calcium silicate CSH (according to the terminology used in cement chemistry) produce peaks located in the -68 to -85 ppm zone, i.e. the monosilicate (QO) or disilicate (Q1) (Q2);
Binders and cements based on geopolymeric reactions involving three of the four reagents employed in the present invention have been proposed in the past.

Ainsi par exemple le brevet Davidovits/Sawyer US 4,509,985 et son équivalent européen EP 153,097 décrivent des compositions géopolymèriques permettant la réalisation de mortier à durcissement rapide. Dans le brevet Davidovits/Sawyer, la composition dite "standard" comprend un mélange réactionnel caractérisé par les rapports molaires des oxydes
K2O:SiO2 0.32
sio2:Al2 3 4.12
H2O:Al203 17.0
K2O:Al203 1.33
H2O:K20 12.03 auquel a été ajouté du laitier de haut fourneau broyé.
Thus, for example, the Davidovits / Sawyer patent US 4,509,985 and its European equivalent EP 153,097 describe geopolymeric compositions allowing the production of rapid-hardening mortar. In the Davidovits / Sawyer patent, the so-called "standard" composition comprises a reaction mixture characterized by the molar ratios of the oxides
K2O: SiO2 0.32
sio2: Al2 3 4.12
H2O: Al203 17.0
K2O: Al203 1.33
H2O: K20 12.03 to which has been added crushed blast furnace slag.

Dans les compositions décrites par le brevet Davidovits/Sawyer, il est fait usage de silicate alcalin soluble, en particulier du silicate de potassium dans lequel le rapport molaire des oxydes K2O:SiO2 est de l'ordre de 0.5 (soit K2O:2SiO2). Dans le prix de revient des compositions minérales géopolymèriques décrites dans les formulations antérieures, la partie la plus onéreuse est celle allouée à ce silicate de potassium. Il était donc très important de pouvoir diminuer très sensiblement le prix de revient de ce produit très onéreux, afin de pouvoir produire un ciment géopolymèrique dont le prix puisse être comparable à celui du ciment Portland. C'est le principal objectif de la présente invention. In the compositions described by the Davidovits / Sawyer patent, use is made of soluble alkali silicate, in particular potassium silicate in which the molar ratio of the oxides K2O: SiO2 is of the order of 0.5 (ie K2O: 2SiO2). In the cost price of the geopolymeric mineral compositions described in the previous formulations, the most expensive part is that allocated to this potassium silicate. It was therefore very important to be able to significantly reduce the cost price of this very expensive product, in order to be able to produce a geopolymeric cement whose price could be comparable to that of Portland cement. This is the main objective of the present invention.

On a déjà proposé dans l'art antérieur différentes méthodes pour réduire les quantités de ce réactif relativement coûteux. Ces différentes méthodes sont regroupées dans le Tableau 1 ci dessous. Ainsi dans le brevet Heitzman US 4,642,137 on fabrique le silicate alcalin dans le mélange in-situ, par réaction alcaline avec de la silice amorphe. Cependant, ces formulations selon le brevet Heitzman ne durcissent pas à la température ambiante, puisque pour obtenir ce durcissement rapide, il est absolument nécessaire d'ajouter du ciment Portland. Dans la publication WO 92/04298, on décrit un ciment géopolymèrique à durcissement rapide dans lequel il est fait usage du disilicate de potassium K2(H3SiO4)2 en poudre. On peut déjà réduire ainsi de moitié la quantité de silicate alcalin. Dans la publication internationale WO 92/04300, il est préconisé de fabriquer le silicate alcalin à partir de divers matériaux géologiques, comme les silices amorphes, en procédant par fusion à haute température (vers 1000-12500C) avec du carbonate alcalin. Les quantités de silicate alcalin sont soit équivalentes à celles du brevet Davidovits/Sawyer ou égale à celle de la publication internationale WO 92/04298 (voir Tableau 1). On notera également la méthode décrite dans la publication internationale WO 95/13995 qui propose la fabrication d'un verre obtenu par la fusion d'aluminosilicate alcalins naturels (roches volcaniques) à une température comprise entre 10000C et 13500C. Various methods have already been proposed in the prior art for reducing the amounts of this relatively expensive reagent. These different methods are grouped together in Table 1 below. Thus, in Heitzman US Pat. No. 4,642,137, the alkali silicate is produced in the in-situ mixture, by alkaline reaction with amorphous silica. However, these formulations according to the Heitzman patent do not harden at room temperature, since in order to obtain this rapid hardening it is absolutely necessary to add Portland cement. In publication WO 92/04298, a rapidly hardening geopolymeric cement is described in which powdered potassium disilicate K2 (H3SiO4) 2 is used. The amount of alkali silicate can already be reduced in this way. In the international publication WO 92/04300, it is recommended to manufacture the alkali silicate from various geological materials, such as amorphous silicas, by proceeding by melting at high temperature (around 1000-12500C) with alkali carbonate. The amounts of alkali silicate are either equivalent to those of the Davidovits / Sawyer patent or equal to that of international publication WO 92/04298 (see Table 1). Note also the method described in international publication WO 95/13995 which proposes the manufacture of a glass obtained by melting natural alkali aluminosilicate (volcanic rocks) at a temperature between 10000C and 13500C.

La présente invention permet encore de réduire de 70 - 80% la quantité de silicate alcalin par un moyen différent de ceux préconisés dans l'art antérieur. The present invention makes it possible to further reduce the amount of alkali silicate by 70-80% by means different from those recommended in the prior art.

Exposé de l'invention.Disclosure of the invention.

L'objet principal de l'invention est de réduire radicalement les quantités en silicate alcalin par rapport aux ciments géopolymèriques de l'art antérieur.The main object of the invention is to radically reduce the amounts of alkali silicate compared to the geopolymeric cements of the prior art.

Par rapport au brevet Davidovits/Sawyer US 4,509,985, la méthode préconisée dans la présente invention part de l'idée qu'il devrait être possible de remplacer une certaine quantité du réactif K2O produit par l'industrie chimique, par du K2O extrait des roches volcaniques. La méthode de l'invention montre que certaines roches volcaniques de type aluminosilicate alcalin permette de réduire de 70-80% en poids la quantité de K2O d'origine chimique.Compared to the Davidovits / Sawyer patent US 4,509,985, the method recommended in the present invention starts from the idea that it should be possible to replace a certain quantity of the K2O reagent produced by the chemical industry, by K2O extracted from volcanic rocks. . The method of the invention shows that certain volcanic rocks of the alkaline aluminosilicate type make it possible to reduce by 70-80% by weight the amount of K2O of chemical origin.

Tableau I: composition des ciments de l'art antérieur et de la présente
invention (parties en poids de matière sèche).
Table I: composition of the cements of the prior art and of the present
invention (parts by weight of dry matter).

EP 0153097 EP 0500845 Présente
US 4,509,985 US 4,642,137 W092/04300 W092/04298 invention oxyde aluminosilicate 100 100 80-140 100 100
Silicate alcalin 148 55-145 6-110 48-72 30-55 silice amorphe 0 70-215 40-500 0 0
Silicate basique 100 20-70 20-120 50-70 80-110
Silicate d'alumine cendres volantes 0 85-130 0 0 0
Aluminosilicate alcalin, M2O > 5% 0 0 ~ 0 0 150-250
Le procédé de fabrication d'un ciment géopolymèrique qui ne contient pas de ciment Portland, selon la présente invention, consiste à réaliser le mélange réactionnel dont les composants exprimés en matière sèche sont:
- réactif 1: 100 parties en poids d'un oxyde aluminosilicate [Si2O5,Al2O2]9[Si2O5,Al2(OH)3],
ayant le cation Al en coordination mixte (IV-V) comme déterminé
par le spectre d'analyse en Résonance Magnétique Nucléaire
MASNMR pour 27Al, ou pour simplifier dans ce qui suit, (si2o5tAl2o2)(Iv-v)
- réactif II: 30-55 parties de silicate de sodium et/ou de potassium dans
lequel le rapport M2O/SiO2 est compris entre 0.5 et 0.8, M désignant
Na et/ou K ou le mélange Na+K.
EP 0153097 EP 0500845 Present
US 4,509,985 US 4,642,137 WO92 / 04300 WO92 / 04298 invention aluminosilicate oxide 100 100 80-140 100 100
Alkali silicate 148 55-145 6-110 48-72 30-55 amorphous silica 0 70-215 40-500 0 0
Basic silicate 100 20-70 20-120 50-70 80-110
Fly ash alumina silicate 0 85-130 0 0 0
Alkali aluminosilicate, M2O> 5% 0 0 ~ 0 0 150-250
The method of manufacturing a geopolymeric cement which does not contain Portland cement, according to the present invention, consists in producing the reaction mixture, the components of which, expressed as dry matter, are:
- reagent 1: 100 parts by weight of an aluminosilicate oxide [Si2O5, Al2O2] 9 [Si2O5, Al2 (OH) 3],
having the Al cation in mixed coordination (IV-V) as determined
by the analysis spectrum in Nuclear Magnetic Resonance
MASNMR for 27Al, or to simplify in the following, (si2o5tAl2o2) (Iv-v)
- reagent II: 30-55 parts of sodium and / or potassium silicate in
in which the M2O / SiO2 ratio is between 0.5 and 0.8, M denoting
Na and / or K or the mixture of Na + K.

- réactif III: 80-110 parties de silicate basique, à l'état vitreux, composé
en partie de gehlinite, d'akermanite et de wollastonite.
- reagent III: 80-110 parts of basic silicate, in the vitreous state, compound
partly of gehlinite, akermanite and wollastonite.

- réactif IV: 150-250 parties aluminosilicate alcalin contenant au moins
5% en poids de (Na20+K2O), de préférence au moins 8% en poids; puis à faire durcir le dit mélange en ajoutant de l'eau.
- reagent IV: 150-250 parts alkali aluminosilicate containing at least
5% by weight of (Na20 + K2O), preferably at least 8% by weight; then hardening said mixture by adding water.

Le réactif (I) , l'oxyde aluminosilicate de formule simplifiée (Si2051A1202)(IV-V)r est obtenu par calcination d'un matériau kaolinitique à une température inférieure à 10000C. The reagent (I), the aluminosilicate oxide of simplified formula (Si2051A1202) (IV-V) r is obtained by calcining a kaolinitic material at a temperature below 10000C.

Le réactif (II) est le silicate de sodium et/ou de potassium, en poudre, par exemple le disilicate de potassium K2(H3SiO4)2, ou un mélange de silicate et de NaOH/KOH solide. On peut aussi utiliser le silicate alcalin sous forme d'une solution aqueuse. Dans les exemples illustrant les méthodes de la présente invention, il sera fait usage d'une solution de silicate de potassium contenant 20-23% en poids de SiO2, 20-26% en poids de K2O, et 50-55% en poids d'eau. Reagent (II) is powdered sodium and / or potassium silicate, for example potassium disilicate K2 (H3SiO4) 2, or a mixture of silicate and solid NaOH / KOH. The alkali silicate can also be used in the form of an aqueous solution. In the examples illustrating the methods of the present invention, use will be made of a solution of potassium silicate containing 20-23% by weight of SiO2, 20-26% by weight of K2O, and 50-55% by weight of 'water.

Le réactif (III) est un silicate de calcium faiblement basique, c'est à dire ayant un rapport atomique Ca/Si inférieur à 1. Il est obtenu en utilisant comme matière première un silicate de calcium basique, c'est à dire ayant un rapport atomique Ca/Si égal ou supérieur à 1 essentiellement caractérisé par son aptitude à générer, sous l'action d'une attaque alcaline, la formation de silicate du calcium faiblement basique, c'est à dire ayant un rapport atomique Ca/Si inférieur à 1, de préférence proche de 0,5. The reagent (III) is a weakly basic calcium silicate, that is to say having a Ca / Si atomic ratio of less than 1. It is obtained by using as raw material a basic calcium silicate, that is to say having a Ca / Si atomic ratio equal to or greater than 1 essentially characterized by its ability to generate, under the action of an alkaline attack, the formation of weakly basic calcium silicate, i.e. having a lower Ca / Si atomic ratio to 1, preferably close to 0.5.

Le réactif (IV) est un matériau géologique, aluminosilicate alcalin, dans lequel le rapport atomique Si:Al est compris entre 2,5 et 5, le rapport molaire M2O:Al203 est compris entre 0.7 et 1.1 et le rapport molaire (M2O+CaO): Al203 est compris entre 0.8 et 1.6. Ce matériau aluminosilicate alcalin est généralement calciné à une température inférieure à 8500C, mais certaines variétés géologiques peuvent être utilisées sans calcination. La calcination a pour avantage de diminuer la quantité d'eau qu'il faut ajouter au mélange afin d'obtenir une bonne fluidité au mortier. L'art antérieur montre que les résistances mécaniques des ciments géopolymèriques diminuent lorsque la quantité d'eau augmente. Il sera donc, en général, avantageux d'effectuer cette calcination. Certaines variétés géologiques, comme celles décrites dans les exemples 2, 3, 6, ont des résistances mécaniques qui sont sensiblement équivalentes pour le produit non calciné (naturel) et le produit calciné. La décision de calciner ou non ces aluminosilicates alcalins dépend uniquement de la rhéologie des mortiers et des bétons qui seront obtenus avec ces ciments. The reagent (IV) is a geological material, alkaline aluminosilicate, in which the Si: Al atomic ratio is between 2.5 and 5, the M2O: Al203 molar ratio is between 0.7 and 1.1 and the molar ratio (M2O + CaO ): Al203 is between 0.8 and 1.6. This alkali aluminosilicate material is usually calcined at a temperature below 8500C, but some geological varieties can be used without calcination. Calcination has the advantage of reducing the amount of water that must be added to the mixture in order to obtain good fluidity in the mortar. The prior art shows that the mechanical strengths of geopolymeric cements decrease when the quantity of water increases. It will therefore, in general, be advantageous to carry out this calcination. Certain geological varieties, such as those described in Examples 2, 3, 6, have mechanical strengths which are substantially equivalent for the uncalcined (natural) product and the calcined product. The decision whether or not to calcine these alkaline aluminosilicates depends solely on the rheology of the mortars and concretes which will be obtained with these cements.

Le mélange des réactifs qui constitue l'ensemble comprenant les réactifs (I)+(II)+(III), voir le Tableau 2, possède un rapport molaire
Ca++/(Si205,Al202)(IV-V) qui est supérieur à 1 et un rapport (Na+,K+,Ca++)/(5i2Os,Al202)(Iv v) qui est supérieur à 1,5.
The mixture of reactants which constitutes the set comprising the reactants (I) + (II) + (III), see Table 2, has a molar ratio
Ca ++ / (Si2O5, Al2O2) (IV-V) which is greater than 1 and a (Na +, K +, Ca ++) / (5i2Os, Al2O2) (Iv v) ratio which is greater than 1.5.

Après durcissement, le ciment géopolymèrique est constitué de deux phases distinctes:
a) une phase dite vitreuse qui possède un spectre MAS NMR pour 29Si
ayant une bande comprise entre -85 et -89ppm, et un spectre MAS
NMR pour 27Al ayant une résonance à 54-58ppm. Cette dite phase
vitreuse est un composé géopolymèrique constitué de groupes
(ale4) de type Q4(4Si) polymérisés avec des groupes (SiO4) de
type Q4(3Al,lSi), associés à un aluminosilicate hydroxylé constitué
de (SiO4) de type Q3(2Si,îAl,îOH)
b) une phase cristalline qui possède un spectre MAS NMR pour 29Si
ayant une bande comprise entre -90ppm et -115ppm, et un spectre
MAS-NMR 27Al ayant une résonance à 57ppm. Cette dite phase
cristalline correspond à un aluminosilicate alcalin.
After hardening, the geopolymeric cement consists of two distinct phases:
a) a so-called vitreous phase which has a MAS NMR spectrum for 29Si
having a band between -85 and -89ppm, and a MAS spectrum
NMR for 27Al having a resonance at 54-58ppm. This so-called phase
vitreous is a geopolymeric compound made up of groups
(ale4) type Q4 (4Si) polymerized with (SiO4) groups of
type Q4 (3Al, lSi), associated with a hydroxylated aluminosilicate consisting of
of (SiO4) of type Q3 (2Si, îAl, îOH)
b) a crystalline phase which has a MAS NMR spectrum for 29Si
having a band between -90ppm and -115ppm, and a spectrum
MAS-NMR 27Al having a resonance at 57ppm. This so-called phase
crystalline corresponds to an alkaline aluminosilicate.

Le ciment géopolymèrique obtenu selon les méthodes décrites dans la présente invention est résistant à la corrosion de l'acide sulfurique et il n'est pas sujet à la réaction ASR. Les caractéristiques mécaniques sont bonnes. The geopolymeric cement obtained according to the methods described in the present invention is resistant to corrosion by sulfuric acid and it is not subject to the ASR reaction. The mechanical characteristics are good.

Ainsi, la résistance à la compression à 28 jours est comprise entre 25 Mpa et 60 Mpa, sans ajout de charges particulières. Elle varie en fonction de la granulométrie des éléments en poudre. En général, la granulométrie moyenne est comprise entre 7 microns et 10 microns.Thus, the compressive strength at 28 days is between 25 Mpa and 60 Mpa, without adding any particular loads. It varies depending on the particle size of the powdered elements. In general, the average particle size is between 7 microns and 10 microns.

Meilleures manières de réaliser l'invention
Dans les méthodes de l'invention, le réactif (I), l'oxyde aluminosilicate de formule simplifiée (Si205,Al202)(IV V), est obtenu, comme dans l'art antérieur, par calcination d'un matériau kaolinitique à une température inférieure à 10000C. La dite calcination est conduite de telle sorte que le dit oxyde aluminosilicate possède un spectre d'analyse en Résonance
Magnétique Nucléaire MASNMR pour 27Al ayant en supplément des deux résonances principales à 20+5ppm [coordination Al(V)J et 50+5ppm [coordination Al(IV)j, une résonance secondaire à 0+5ppm de beaucoup plus faible intensité [coordination Al(VI)]. Le matériau kaolinitique est en général une argile contenant au moins 30% en poids du minéral kaolinite.
Best Ways to Carry Out the Invention
In the methods of the invention, the reagent (I), the aluminosilicate oxide of simplified formula (Si205, Al202) (IV V), is obtained, as in the prior art, by calcining a kaolinitic material at a temperature below 10000C. Said calcination is carried out so that said aluminosilicate oxide has a Resonance analysis spectrum
Nuclear Magnetic MASNMR for 27Al having in addition to the two main resonances at 20 + 5ppm [coordination Al (V) J and 50 + 5ppm [coordination Al (IV) j, a secondary resonance at 0 + 5ppm of much lower intensity [coordination Al (VI)]. The kaolinitic material is generally a clay containing at least 30% by weight of the kaolinite mineral.

La calcination s'effectue à une température inférieure à 10000C, cette température variant avec la méthode employée. La calcination en four vertical ou tournant se fait à une température comprise entre 6500C et 8000C. Dans le procédé à lit fluidisé, la température est entre 7000C et 8500C. Dans le procédé flash, à courant d'air chaud, la température est comprise entre 9000C et 10000C. Certains résidus industriels contiennent déjà le dit oxyde aluminosilicate (Si205,Al202)(IV v) comme les cendres résultant de la combustion du charbon dans les centrales thermiques dites à basse température, en lit fluidisé, à 8000C; la bauxite calcinée contient également une certaine quantité de (Si205,Al202)(IV V). On peut aussi citer les produits de calcinations des déchets de papeterie, chargés en kaolin.Calcination is carried out at a temperature below 10000C, this temperature varying with the method used. Calcination in a vertical or rotary kiln is carried out at a temperature between 6500C and 8000C. In the fluidized bed process, the temperature is between 7000C and 8500C. In the flash process, hot air current, the temperature is between 9000C and 10000C. Certain industrial residues already contain the so-called aluminosilicate oxide (Si205, Al202) (IV v) such as the ash resulting from the combustion of coal in thermal power stations called at low temperature, in a fluidized bed, at 8000C; calcined bauxite also contains a certain amount of (Si205, Al202) (IV V). Mention may also be made of the products of calcination of stationery waste, loaded with kaolin.

Le réactif (II) est un silicate alcalin soluble dans l'eau. Depuis la description du brevet Davidovits/Sawyer, l'homme de l'art sait que, dans ce silicate alcalin, le rapport M2O:SiO2 (M désignant soit Na, soit K, soit le mélange Na+K) doit être voisin de 0,5, c'est à dire correspondre sensiblement à un silicate M2O:2SiO2,nH2O, n étant compris entre 2 et 6. De préférence, dans la méthode de l'invention, M est K. Bien que le silicate de potassium soit plus coûteux que le silicate de sodium, les propriétés des ciments obtenus avec le silicate de potassium sont bien supérieures de celles obtenues avec le silicate de sodium. En effet, l'expérience montre qu'avec un silicate double de sodium et de potassium, le ciment ainsi obtenu développe une résistance à la compression inférieure de celle avec le silicate de potassium. Dans la présente invention, le rapport M2O:SiO2 est compris entre 0.5 et 0.8. Le silicate alcalin peut être soit sous forme de poudre silicate alcalin soluble dans l'eau, soit d'un mélange de silicate alcalin en poudre et de NaOH/KOH solide, soit sous la forme d'une solution. Reagent (II) is a water soluble alkali silicate. From the description of the Davidovits / Sawyer patent, those skilled in the art know that, in this alkali silicate, the M2O: SiO2 ratio (M denoting either Na, or K, or the mixture of Na + K) must be close to 0 , 5, that is to say correspond substantially to a silicate M2O: 2SiO2, nH2O, n being between 2 and 6. Preferably, in the method of the invention, M is K. Although the potassium silicate is more expensive than sodium silicate, the properties of cements obtained with potassium silicate are much superior to those obtained with sodium silicate. Indeed, experience shows that with a double silicate of sodium and potassium, the cement thus obtained develops a lower compressive strength than that with potassium silicate. In the present invention, the M2O: SiO2 ratio is between 0.5 and 0.8. The alkali silicate can either be in the form of a water-soluble alkali silicate powder, or a mixture of powdered alkali silicate and solid NaOH / KOH, or in the form of a solution.

Dans le cas des exemples ci-dessous, la solution contient 20-23% en poids de SiO2, 20-26% en poids de K2O, et 50-55% en poids d'eau.In the case of the examples below, the solution contains 20-23% by weight of SiO2, 20-26% by weight of K2O, and 50-55% by weight of water.

Le réactif (III) est un silicate de calcium basique, c'est à dire avec le rapport atomique Ca/Si supérieur ou égal à 1, comme la wollastonite
Ca(SiO3), la gehlenite (2CaO.Al203.SiO2), l'akermanite (2CaO. MgO.2SiO2).
Reagent (III) is a basic calcium silicate, i.e. with the Ca / Si atomic ratio greater than or equal to 1, like wollastonite
Ca (SiO3), gehlenite (2CaO.Al203.SiO2), akermanite (2CaO. MgO.2SiO2).

Lorsque les grains de ces matières sont mis en contact avec le silicate alcalin du réactif (II), il se produit très rapidement une désorption de CaO de telle sorte que le rapport atomique Ca/Si devient inférieur à 1 et tend vers 0,5. Il y a production in situ de disilicate de calcium Ca(H3SiO4)2 qui vient participer à la réaction géopolymèrique.When the grains of these materials are brought into contact with the alkali silicate of the reagent (II), a desorption of CaO very quickly occurs so that the Ca / Si atomic ratio becomes less than 1 and tends towards 0.5. There is in situ production of calcium disilicate Ca (H3SiO4) 2 which takes part in the geopolymeric reaction.

Certains sous-produits de traitements industriels ou de combustion à haute température contiennent essentiellement les silicates basiques gehlenite, akermanite, wollastonite et conviennent donc très bien. Nous citerons, à titre d'exemple non limitatif, le laitier de haut fourneau, certaines scories et certaines cendres de centrales thermiques à haute température, ces produits étant de préférence à l'état vitreux. Lorsque l'on regarde au microscope les ciments durcis à partir des mélanges décrits dans les exemples 1 à 10, on constate que, dans le cas du laitier de haut-fourneau, la majorité des grains de laitiers ont disparu. On voit seulement une empreinte de leur forme initiale, sous la forme d'une enveloppe vraisemblablement constituée d'akermanite qui n'a pas réagi. Ce processus est très régulier et peut être complet en 30 minutes, à la température ambiante. Cependant, comme on peut le voir dans le Tableau 2, la quantité de silicate de calcium basique participant à la réaction géopolymèrique est supérieure à celle de l'art antérieur. Ceci s'exprime par les ratios molaires des oxydes reliant entre eux les réactifs (I), (II) et (III). Certain industrial treatment or high temperature combustion by-products essentially contain the basic silicates gehlenite, akermanite, wollastonite and are therefore very suitable. We will cite, by way of nonlimiting example, blast furnace slag, certain slag and certain ash from high-temperature thermal power stations, these products preferably being in the glassy state. When we look under a microscope at the cements hardened from the mixtures described in Examples 1 to 10, we see that, in the case of blast furnace slag, the majority of the slag grains have disappeared. We only see an imprint of their initial form, in the form of an envelope presumably made of akermanite which has not reacted. This process is very smooth and can be completed in 30 minutes at room temperature. However, as can be seen in Table 2, the amount of basic calcium silicate participating in the geopolymeric reaction is greater than that of the prior art. This is expressed by the molar ratios of the oxides interconnecting the reactants (I), (II) and (III).

Tableau 2: Ratio molaire des différents oxydes reliant entre eux les réactifs
(I), (II), (III) de la présente invention et de l'art antérieur.
Table 2: Molar ratio of the different oxides linking the reactants together
(I), (II), (III) of the present invention and of the prior art.

relation entre ratios US 4,509,985 WO 92/04298 Présente inventio réactifs molaires Exemples 2 à 9 Exemples 1 à 10 (II)/(I) Na2O,K2O/(Si2O5,Al2O2) 1.33 0.40-0.60 0.441 (III)/(I) Ca++/(Si2O5,Al2O2) 0.9-1.6 0.60-0.40 1.29 (II)+(III)/(I) Na2O,K2O,CaO/(Si205,Al2O2) 2.2-2.9 1.0 1.731
Le réactif (IV) est un matériau géologique, aluminosilicate alcalin, qui contient au moins 5% en poids de Na2O+K2O. Il appartient à la classe des roches volcaniques. Les Tableaux 3 et 4 donnent les caractéristiques chimiques des aluminosilicates alcalins utilisés dans les exemples cidessous. Ils sont très différents des silicates d'alumines décrits dans le brevet US 4,642,137 qui sont soit des cendres volantes de centrales thermiques au charbon, très pauvres en alcalin, soit des argiles calcinées. Il est également très différent de la silice amorphe employée dans le brevet
US 4,642,137 ou du matériau géologique de la publication internationale W092/04300. Dans la demande internationale WO 92/04298, on préconise l'emploi de la silice amorphe, comme par exemple la fumée de silice, les cendres de riz, mais aussi des silices d'origine géologique comme les terres de diatomées, les smectites siliciques, certaines pouzzolanes fortement siliciques (avec un fort pourcentage d'allophane et de verre d'origine volcanique). On y explique, page 9, lignes 17-21, que ces matériaux d'origine géologique sont considérés comme des charges finement divisées, réactives. La réactivité de ces charges les fait réagir en surface avec le milieu réactionnel géopolymèrique, augmentant ainsi la résistance mécanique du liant minéral poly(sialate-siloxo).
relationship between ratios US 4,509,985 WO 92/04298 Present inventio molar reagents Examples 2 to 9 Examples 1 to 10 (II) / (I) Na2O, K2O / (Si2O5, Al2O2) 1.33 0.40-0.60 0.441 (III) / (I) Ca ++ / (Si2O5, Al2O2) 0.9-1.6 0.60-0.40 1.29 (II) + (III) / (I) Na2O, K2O, CaO / (Si205, Al2O2) 2.2-2.9 1.0 1.731
The reagent (IV) is a geological material, alkaline aluminosilicate, which contains at least 5% by weight of Na2O + K2O. It belongs to the class of volcanic rocks. Tables 3 and 4 give the chemical characteristics of the alkali aluminosilicates used in the examples below. They are very different from the aluminas silicates described in US Pat. No. 4,642,137 which are either fly ash from coal-fired power stations, very low in alkali, or calcined clays. It is also very different from the amorphous silica used in the patent.
US 4,642,137 or the geological material of the international publication WO92 / 04300. In international application WO 92/04298, the use of amorphous silica, such as silica fume, rice ash, but also silicas of geological origin such as diatomaceous earth, silica smectites, is recommended, some strongly silicic pozzolans (with a high percentage of allophane and glass of volcanic origin). It is explained, page 9, lines 17-21, that these materials of geological origin are considered as finely divided, reactive charges. The reactivity of these fillers causes them to react at the surface with the geopolymeric reaction medium, thus increasing the mechanical resistance of the inorganic poly (sialate-siloxo) binder.

On pense que le réactif IV de la présente invention réagit également en surface mais avec un mécanisme chimique différent. En effet, dans tous les brevets de l'art antérieur, l'objectif est de solubiliser de la silice pour la transformer en silicate alcalin soluble. On ajoute donc, en plus du silicate alcalin, de l'hydroxyde de sodium NaOH et/ou de potassium KOH qui devra former du silicate alcalin avec la silice amorphe. Après durcissement et géopolymérisation, le ciment de l'art antérieur est du type tecto-aluminosilicate, c'est à dire une structure tridimensionnelle dans laquelle les groupes (SiO4) sont de type Q4 exclusivement. Dans l'art antérieur, le spectre MASNMR de 29si est très caractéristique puisqu'il présente une résonance vers -92,-94 ppm, Q4(2Si,2Al) et une résonance vers -110 ppm,
Q4(4Si). On peut trouver des exemples de ces spectres dans la publication W092/04300, figure 7, et dans la publication Geopolymers: man-made rock geosynthesis and the resulting development of very early high strength cernent par 3. Davidovits, Journal of Materials Education, Vol. 16, numbers 2 & 3, pages 91-137, 1994, figure 13. La première résonance à -92, -94 ppm caractérise la matrice même du ciment géopolymèrique, la résonance à
115 ppm étant attribuée à la charge siliceuse.
It is believed that Reagent IV of the present invention also reacts on the surface but with a different chemical mechanism. Indeed, in all the patents of the prior art, the objective is to dissolve silica in order to transform it into soluble alkali silicate. Therefore, in addition to the alkali silicate, sodium hydroxide NaOH and / or potassium KOH is added, which will have to form alkali silicate with the amorphous silica. After hardening and geopolymerization, the cement of the prior art is of the tecto-aluminosilicate type, ie a three-dimensional structure in which the groups (SiO4) are of the Q4 type exclusively. In the prior art, the MASNMR spectrum of 29si is very characteristic since it exhibits a resonance towards -92, -94 ppm, Q4 (2Si, 2Al) and a resonance towards -110 ppm,
Q4 (4Si). Examples of these spectra can be found in the publication W092 / 04300, figure 7, and in the publication Geopolymers: man-made rock geosynthesis and the resulting development of very early high strength cernent par 3. Davidovits, Journal of Materials Education, Vol . 16, numbers 2 & 3, pages 91-137, 1994, figure 13. The first resonance at -92, -94 ppm characterizes the very matrix of the geopolymeric cement, the resonance at
115 ppm being attributed to the siliceous filler.

Des exemples du spectre MASNMR de 29Si des ciments obtenus par la méthode de la présente invention sont à la Figure 1. Ces spectres sont différents de ceux de l'art antérieur. Ils se composent de deux résonances
principales: la première est celle de la phase dite vitreuse ou matrice géopolymèrique qui résulte de la réaction entre les réactifs (I)-(II)-(III); la deuxième est celle de la phase dite cristalline propre au réactif IV.
Examples of the MASNMR spectrum of 29Si of the cements obtained by the method of the present invention are in FIG. 1. These spectra are different from those of the prior art. They consist of two resonances
main: the first is that of the so-called vitreous phase or geopolymeric matrix which results from the reaction between the reactants (I) - (II) - (III); the second is that of the so-called crystalline phase specific to reagent IV.

La phase dite vitreuse, possède un spectre MAS NMR pour 29Si qui a une bande comprise entre -85 et -89ppm. Le spectre MAS-NMR pour 27Al de cette dite phase vitreuse est 54-58ppm. Le spectre de l'ensemble des réactifs (I)+(II)+(III) durci est identique à celui de la phase vitreuse. La dite phase vitreuse est un composé géopolymèrique constitué d'une structure silico-aluminate alcaline qui contient un groupe (ale4) de type
Q4(4Si), polymérisé avec des groupes (SiO4) de type Q4(3Al,lSi), associé à un aluminosilicate hydroxylé constitué de (SiO4) de type Q3(2Si,lAl,lOH).
The so-called glassy phase has a MAS NMR spectrum for 29Si which has a band between -85 and -89ppm. The MAS-NMR spectrum for 27Al of this so-called glass phase is 54-58ppm. The spectrum of all the hardened reactants (I) + (II) + (III) is identical to that of the vitreous phase. Said vitreous phase is a geopolymeric compound consisting of an alkaline silico-aluminate structure which contains an (ale4) group of type
Q4 (4Si), polymerized with (SiO4) groups of Q4 type (3Al, lSi), associated with a hydroxylated aluminosilicate consisting of (SiO4) of Q3 type (2Si, lAl, lOH).

La dite phase cristalline, possède un spectre MAS NMR pour 29Si qui a une bande comprise entre -90 et -115ppm. Le spectre MAS-NMR pour 27Al a une résonance à 57-58 ppm correspondant à (ale4) de typeQ4(4Si). The so-called crystalline phase has a MAS NMR spectrum for 29Si which has a band between -90 and -115ppm. The MAS-NMR spectrum for 27Al has a resonance at 57-58 ppm corresponding to (ale4) of type Q4 (4Si).

Chaque aluminosilicate alcalin naturel, réactif IV, possède son spectre bien spécifique qui est pratiquement identique à celui de la phase cristalline. On pense que l'action alcaline du mélange réactionnel produit une hydrolyse de la surface de la phase cristalline, avec la formation de fonction silanol -Si
OH- M+, M étant soit K soit Na. On pense que cette hydrolyse de surface est favorisée par le fait que cette phase cristalline contient déjà in situ des alcalis Na2O,K2O. On pense aussi que la réaction entre la matrice, phase vitreuse, et le réactif IV, phase cristalline, a lieu par polycondensation entre les hydroxyles -OH des groupes (SiO4) de type Q3(2Si,lAl,lOH) de la phase vitreuse et les silanol -Si-OH- M+. en surface de la phase cristalline.
Each natural alkaline aluminosilicate, reagent IV, has its very specific spectrum which is practically identical to that of the crystalline phase. It is believed that the alkaline action of the reaction mixture produces hydrolysis of the surface of the crystalline phase, with the formation of the silanol -Si function.
OH- M +, M being either K or Na. It is believed that this surface hydrolysis is favored by the fact that this crystalline phase already contains in situ alkalis Na2O, K2O. It is also believed that the reaction between the matrix, glassy phase, and the reagent IV, crystalline phase, takes place by polycondensation between the -OH hydroxyls of the (SiO4) groups of the Q3 type (2Si, lAl, lOH) of the glassy phase and silanol -Si-OH- M +. at the surface of the crystalline phase.

La méthode de l'invention est illustrée par les Exemples suivants. Ils n'ont pas de caractère limitatif sur la portée globale de l'invention telle que présentée dans les revendications. Toutes les parties indiquées sont en poids. The method of the invention is illustrated by the following Examples. They do not have a limiting nature on the overall scope of the invention as presented in the claims. All parts shown are by weight.

Exemples i à 10:
Dans ce groupe d'exemples le mélange réactionnel des réactifs (I)+(II)+(III) est inchangé. On l'appelle base . Cette base est constituée du mélange suivant, parties en poids:
composition parties en poids - réactif (I) argile kaolinique calcinée 30 - réactif (II) solution silicate de K,
K2O:26%, SiO2:21%, H2O:53% 25 - réactif (III) laitier de haut fourneau
granulométrie moyenne 8 microns 27 - eau 31
total base 113
En ajoutant à 113 parties en poids de base , 50 parties en poids d'aluminosilicates alcalins géologiques décrits dans les Tableaux 3 et 4 (réactif IV), on réalise les Exemples 1 à 10. Le ciment ainsi obtenu, appelé pâte, est versé sans addition de charge, dans un moule et laissé durcir à la température ambiante. On mesure la résistance à la compression Rc à 28 jours. Pour chacun des Exemples 1 à 10, on a obtenu deux ciments, l'un contenant le réactif (IV) naturel, l'autre contenant le réactif (IV) qui avait été au préalable calciné à une température égale ou supérieure à 6000C.
Examples i to 10:
In this group of examples the reaction mixture of the reactants (I) + (II) + (III) is unchanged. It is called base. This base consists of the following mixture, parts by weight:
composition parts by weight - reagent (I) calcined kaolin clay 30 - reagent (II) K silicate solution,
K2O: 26%, SiO2: 21%, H2O: 53% 25 - blast furnace slag reagent (III)
average particle size 8 microns 27 - water 31
total base 113
By adding to 113 parts by weight of base, 50 parts by weight of geological alkali aluminosilicates described in Tables 3 and 4 (reagent IV), Examples 1 to 10 are produced. The cement thus obtained, called paste, is poured without addition of filler, in a mold and allowed to harden at room temperature. The compressive strength Rc is measured at 28 days. For each of Examples 1 to 10, two cements were obtained, one containing the natural reagent (IV), the other containing the reagent (IV) which had been previously calcined at a temperature equal to or greater than 6000C.

Dans le cadre des exemples 1 à 10, la calcination a eu lieu à 8000C pendant 3 heures. Le réactif (IV) a également été broyé à la granulométrie moyenne de 8 microns.In the context of Examples 1 to 10, the calcination took place at 8000C for 3 hours. Reagent (IV) was also ground to an average particle size of 8 microns.

Tableau 3: Composition chimique, en poids, des aluminosilicates alcalins
géologiques (réactif IV), employés dans les Exemples 1 à 10
Exemples 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
SiO2 71.48 74.16 58.06 5252 55.35 88.42 57.94 57.61 56.50 56.76
Al203 14.55 1380 19.26 16.41 19.20 10.80 17.66 18.59 15.86 18.45 Fe203 160 1.13 4.17 3.67 400 580 3.72 4.74 374 339
MgO OD4 0.17 120 173 1.15 868 0.70 1.16 063 0.47
CaO OD7 0.43 3.14 754 295 256 261 352 0.44 099
Na2O 069 433 222 058 235 150 350 325 621 728
K20 10.41 489 880 634 825 835 799 7.60 563 5.77
TiO2 0.16 0.13 0.61 051 054 1.40 0.41 0.47 0.74 0.45
P205 004 OD2 0.15 0.17 0.17 0.76 0.13 0.19 < 0.05 < 005
MnO OD1 002 0.16 0.10 0.13 OD9 0.12 0.16 027 025
Lo.I. 096 092 223 1Q43 600 1.15 576 256 934 667
Les résultats sont groupés dans le Tableau 5. Ils sont des moyennes de 4 échantillons pour chaque mélange avec matériau géologique naturel ou calciné. La Rc Maximum est la valeur de la meilleure résistance obtenue pour chaque gisement géologique. Elle n'est pas une moyenne.
Table 3: Chemical composition, by weight, of alkali aluminosilicates
geological (reagent IV), used in Examples 1 to 10
Examples 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
SiO2 71.48 74.16 58.06 5252 55.35 88.42 57.94 57.61 56.50 56.76
Al203 14.55 1380 19.26 16.41 19.20 10.80 17.66 18.59 15.86 18.45 Fe203 160 1.13 4.17 3.67 400 580 3.72 4.74 374 339
MgO OD4 0.17 120 173 1.15 868 0.70 1.16 063 0.47
CaO OD7 0.43 3.14 754 295 256 261 352 0.44 099
Na2O 069 433 222 058 235 150 350 325 621 728
K20 10.41 489 880 634 825 835 799 7.60 563 5.77
TiO2 0.16 0.13 0.61 051 054 1.40 0.41 0.47 0.74 0.45
P205 004 OD2 0.15 0.17 0.17 0.76 0.13 0.19 <0.05 <005
MnO OD1 002 0.16 0.10 0.13 OD9 0.12 0.16 027 025
Law. 096 092 223 1Q43 600 1.15 576 256 934 667
The results are grouped in Table 5. They are averages of 4 samples for each mixture with natural or calcined geological material. The Rc Maximum is the value of the best resistance obtained for each geological deposit. She is not an average.

Tableau 4: Type pétrographique, composition chimique (exprimées en moles) et ratio
atomique pour divers aluminosilicates alcalins géologiques (réacttf IV).
Table 4: Petrographic type, chemical composition (expressed in moles) and ratio
atomic for various geological alkali aluminosilicates (Reacttf IV).

Exemple 1 Exemple 2 Exemple 3 Exemple 5 Exemple 6 Exemple 9 type Lave Tuf Ignimbrite Ponce Lave Ignimbrite pétrographique andésitique volcanique type A potassique lamproitique phonolibque
SiO2 1.191 1.236 0.967 0.922 0.973 0.936
Al203 0.142 0.135 0.188 0.188 0.105 0.155
Na20 0.011 0.069 0.035 0.037 0.024 0.100 K2O 0.108 0.051 0.091 0.086 0.086 0.058
CaO 0.001 0.007 0.056 0.052 0.045 0.007 Si:AI 4.25 4.55 2.59 2.44 4.6 3.03 (Na+K):Al 0.767 0.888 0.670 0.654 1.047 1.019 (Na+K+Ca):Al 0.845 0.940 0.968 0.930 1.476 1.067
Tableau 5: Résistance à la compression Rc à 28 jours,
Mpa sur la pâte, sans charge
Exemples 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Rc Mpa, naturel 48 50 46 31 33 50 30 36 34 33
Rc Mpa, calciné 44 45 54 43 51 51 39 47 51 45
Rc Mpa, maximum 67 63 59 55 67 56 40 61 60 47
En général, la calcination augmente très sensiblement la résistance mécanique. Il est cependant évident que, lorsque le gisement géologique le permettra, on pourra éviter cette calcination et par conséquent réduire le coût de fabrication du ciment géopolymèrique de l'invention.
Example 1 Example 2 Example 3 Example 5 Example 6 Example 9 Lava Tuff Ignimbrite Pumice Lava Petrographic andesitic volcanic ignimbrite type A potassium lamproitic phonolibque
SiO2 1.191 1.236 0.967 0.922 0.973 0.936
Al203 0.142 0.135 0.188 0.188 0.105 0.155
Na20 0.011 0.069 0.035 0.037 0.024 0.100 K2O 0.108 0.051 0.091 0.086 0.086 0.058
CaO 0.001 0.007 0.056 0.052 0.045 0.007 Si: AI 4.25 4.55 2.59 2.44 4.6 3.03 (Na + K): Al 0.767 0.888 0.670 0.654 1.047 1.019 (Na + K + Ca): Al 0.845 0.940 0.968 0.930 1.476 1.067
Table 5: Compressive strength Rc at 28 days,
Mpa on dough, no load
Examples 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Rc Mpa, natural 48 50 46 31 33 50 30 36 34 33
Rc Mpa, calcined 44 45 54 43 51 51 39 47 51 45
Rc Mpa, maximum 67 63 59 55 67 56 40 61 60 47
In general, calcination increases the mechanical strength very appreciably. However, it is obvious that, when the geological deposit allows it, this calcination can be avoided and consequently the cost of manufacturing the geopolymeric cement of the invention can be reduced.

On trouvera à la figure 1 les spectres MASNMR pour 29Si de chaque ciment géopolymèrique obtenu dans les exemples 1 à 10. Tous les spectres sont constitués de l'addition de deux spectres, l'un appartenant à la phase vitreuse (identique à celui de l'ensemble des réactifs I+II+III), l'autre à la phase cristalline (identique à celui du réactif IV géologique). L'Exemple 2 dans la Figure 1 montre ces deux spectres ainsi que le spectre complet. Figure 1 shows the MASNMR spectra for 29Si of each geopolymeric cement obtained in Examples 1 to 10. All the spectra consist of the addition of two spectra, one belonging to the vitreous phase (identical to that of l all of the reagents I + II + III), the other in the crystalline phase (identical to that of the geological reagent IV). Example 2 in Figure 1 shows these two spectra as well as the full spectrum.

Dans les autres Exemples de la Figure 1, on trouve à la fois le spectre complet et le spectre de la phase vitreuse. In the other Examples of Figure 1, both the full spectrum and the glass phase spectrum are found.

Exemple 11:
Avec les ingrédients et le matériau géologique de l'Exemple 2, on étudie les propriétés physico-chimiques des mortiers en les comparant à un liant hydraulique à base de ciment Portland, par exemple le CEM I 42.5 R de
Cementi Buzzi (Italie). Le mélange sable+ciment est effectué selon la procédure et norme européenne, à savoir: les réactifs en poudre (I), (III) et (IV) sont homogénéisés pendant 30 sec avec le sable normalisé (sable
ISO), puis on ajoute le réactif (II) liquide et l'eau en mélangeant pendant 270 sec, et on finit à grande vitesse pendant 60 sec. Les prismes sont façonnés dans les moules normalisés (DIN 1164) . Le mortier contient 450 parties de sable pour 190 parties de ciment + eau.
Example 11:
With the ingredients and the geological material of Example 2, the physicochemical properties of the mortars are studied by comparing them to a hydraulic binder based on Portland cement, for example CEM I 42.5 R from
Cementi Buzzi (Italy). The sand + cement mixture is carried out according to the European procedure and standard, namely: the powdered reagents (I), (III) and (IV) are homogenized for 30 sec with the standardized sand (sand
ISO), then add the liquid reagent (II) and water with mixing for 270 sec, and finish at high speed for 60 sec. The prisms are shaped in standard molds (DIN 1164). The mortar contains 450 parts of sand for 190 parts of cement + water.

Afin d'obtenir une bonne ouvrabilité du mortier, le ciment géopolymèrique a été réalisé avec le mélange suivant:
- réactif (I) 23 parties
- réactif (III) 20.3 parties
- réactif (IV) 56.7 parties
- réactif (II) 23.4 parties
- eau 29 parties
- superplastifiant (naphtalene sulfonate) : 1% en poids du
ciment
Le mortier durcit au bout de 30 minutes. Il reste 24 heures dans le moule, puis il est démoulé et plongé dans l'eau. On mesure sa résistance à la compression et à la flexion à 24 h (au démoulage), 7 jours (dans l'eau) et 28 jours (dans l'eau). Les valeurs sont les suivantes:
24 h 7 j 28 j
Résistance compression (N/mm2) 10.5 34 42.5
Résistance flexion (N/mm2) 2.8 5.8 7.4
Exemple 12:
On réalise des prismes avec le mortier de l'Exemple il afin de pouvoir suivre la résistance à la corrosion chimique, en comparaison avec des prismes réalisés avec un ciment hydraulique CEM I 42.5 R de Cementi Buzzi (Italie).
In order to obtain good workability of the mortar, the geopolymeric cement was made with the following mixture:
- reagent (I) 23 parts
- reagent (III) 20.3 parts
- reagent (IV) 56.7 parts
- reagent (II) 23.4 parts
- water 29 parts
- superplasticizer (naphthalene sulfonate): 1% by weight of
cement
The mortar hardens after 30 minutes. It remains in the mold for 24 hours, then it is removed from the mold and immersed in water. Its compressive and flexural strength is measured at 24 h (at demolding), 7 days (in water) and 28 days (in water). The values are as follows:
24 h 7 d 28 d
Compressive strength (N / mm2) 10.5 34 42.5
Flexural strength (N / mm2) 2.8 5.8 7.4
Example 12:
Prisms are made with the mortar of Example 11 in order to be able to monitor the resistance to chemical corrosion, in comparison with prisms made with a hydraulic cement CEM I 42.5 R from Cementi Buzzi (Italy).

On mesure la corrosion à:
- l'acide sulfurique: après 24 h dans le moule, le prisme est plongé dans
un solution aqueuse contenant 5% en poids d'acide sulfurique. On
mesure la perte de poids et la résistance à la compression et à la
flexion à lj, 7j, 28j. Après 28 jours, la solution acide a un pH=0.6.
Corrosion is measured at:
- sulfuric acid: after 24 hours in the mold, the prism is immersed in
an aqueous solution containing 5% by weight of sulfuric acid. We
measures weight loss and resistance to compression and
bending at ld, 7d, 28d. After 28 days, the acidic solution has a pH = 0.6.

Les résultats sont donnés par la figure 2. The results are given in figure 2.

- la réaction alcali-agrégat ASR: test accéléré selon la méthode standard
du Danemark. On mesure la variation dimensionnelle à lj, 5j, 14j.
- the ASR alkali-aggregate reaction: accelerated test according to the standard method
from Denmark. The dimensional variation is measured at lj, 5j, 14j.

Les résultats sont donnés par la figure 3. The results are given in figure 3.

- la réaction au sulfate: selon la norme ASTM C 1012. On mesure les
variations dimensionnelles sur une longue période (6 mois). Les
résultats sont donnés par la figure 4.
- the sulphate reaction: according to the ASTM C 1012 standard.
dimensional variations over a long period (6 months). The
results are given in figure 4.

Dans tous ces tests de corrosion chimique, les ciments selon l'invention ont une résistance supérieure à celle du ciment Portland. In all these chemical corrosion tests, the cements according to the invention have a higher resistance than that of Portland cement.

Le réactif (II), silicate alcalin, est introduit dans le mélange réactionnel, soit sous la forme de poudre, ou de mélange de silicate poudre et de NaOH/KOH solide, soit sous la forme de solution aqueuse. L'art antérieur nous indique que la forme en poudre permet d'obtenir des mortiers qui ont un temps de prise relativement long, tout en développant une résistance mécanique supérieure à celle fournie par un réactif en solution aqueuse. Seules les applications décideront du choix de l'une ou de l'autre forme physique du silicate alcalin. The reagent (II), an alkali silicate, is introduced into the reaction mixture, either in the form of a powder, or of a mixture of powdered silicate and of solid NaOH / KOH, or in the form of an aqueous solution. The prior art tells us that the powder form makes it possible to obtain mortars which have a relatively long setting time, while developing a mechanical strength greater than that provided by a reagent in aqueous solution. Only applications will decide whether to choose one or the other physical form of the alkali silicate.

Lors de la confection des mortiers et bétons, et lors des opérations d'encapsulation et de solidification des matériaux, on pourra ajouter à ces ciments les différents additifs et produits auxiliaires employés par l'homme de l'art pour améliorer la rhéologie et le comportement des ciments hydrauliques. Un additif particulièrement intéressant est la fumée de silice. During the preparation of mortars and concretes, and during the encapsulation and solidification operations of the materials, it is possible to add to these cements the various additives and auxiliary products used by those skilled in the art to improve the rheology and the behavior. hydraulic cements. A particularly interesting additive is silica fume.

Comme c'est le cas pour les ciments hydrauliques traditionels, la fumée de silice améliore ici aussi les propriétés à long terme des ciments géopolymèriques. Cette addition de silice s'accompagne, dans le spectre
MAS NMR pour 29Si du ciment durci, par l'apparition d'une résonance à 1101 5 ppm, identique à celle déjà présente dans le réactif IV géologique de l'Exemple 1 de la Figure 1. C'est la preuve que cette fumée de silice, contrairement à l'art antérieur déjà discuté plus haut, n'est pas transformée en silicate alcalin, mais intervient comme charge fine réactive.
As is the case with traditional hydraulic cements, silica fume here also improves the long-term properties of geopolymeric cements. This addition of silica is accompanied, in the spectrum
MAS NMR for 29Si of the hardened cement, by the appearance of a resonance at 1101 5 ppm, identical to that already present in the geological reagent IV of Example 1 of Figure 1. It is the proof that this smoke of silica, unlike the prior art already discussed above, is not transformed into alkali silicate, but acts as a reactive fine filler.

Les applications des ciments géopolymèriques obtenus selon les méthodes de l'invention sont multiples. Tout d'abord la quantité de silicate alcalin a été réduite de 70% à 80% par rapport à l'art antérieur, permettant de baisser très sensiblement le prix de ces ciments. Ensuite, leur fabrication nécessite très peu d'énergie et ne génère que très peu de dégagement de gaz à Effet de Serre comme le gaz carbonique CO2. Ils peuvent donc avantageusement remplacer les ciments hydrauliques traditionnels dans les applications du bâtiment et des travaux publics. The applications of geopolymeric cements obtained according to the methods of the invention are numerous. First of all, the amount of alkali silicate has been reduced from 70% to 80% compared to the prior art, making it possible to lower the price of these cements very appreciably. Then, their manufacture requires very little energy and generates very little release of greenhouse gases such as carbon dioxide CO2. They can therefore advantageously replace traditional hydraulic cements in building and public works applications.

Ils possèdent les propriétés physico-chimiques des liants et ciments géopolymèriques décrites dans l'art antérieur. Ils peuvent donc être employés dans les applications d'encapsulation et de solidification de substances toxiques ou radioactives, minérales ou organiques, et aussi dans la stabilisation de déchets miniers. They have the physicochemical properties of binders and geopolymeric cements described in the prior art. They can therefore be used in applications for the encapsulation and solidification of toxic or radioactive substances, mineral or organic, and also in the stabilization of mining waste.

Ces ciments sont également stables à la température. Contrairement au ciment Portland qui explose par suite du dégagement de son eau d'hydration, le ciment géopolymèrique peut être rapidement sèché de son eau de constitution, puis monté à des températures comprises entre 4000C et 10000C, sans dommage. On peut donc agglomérer des substances Qui doivent subir ces variations de température. These cements are also temperature stable. Unlike Portland cement, which explodes as a result of the release of its hydration water, geopolymeric cement can be quickly dried from its water of formation, then raised to temperatures between 4000C and 10000C, without damage. It is therefore possible to agglomerate substances which must undergo these temperature variations.

Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux méthodes et aux ciments Géopolymères qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemple, sans sortir du cadre de l'invention. Of course, various modifications can be made by those skilled in the art to the geopolymer methods and cements which have just been described solely by way of example, without departing from the scope of the invention.

Claims (10)

RevendicationsClaims 1) Méthode de fabrication d'un ciment géopolymèrique qui ne contient pas de ciment Portland, caractérisée en ce qu'elle consiste à réaliser le mélange réactionnel suivant (parties en poids de matière sèche):1) Method of manufacturing a geopolymeric cement which does not contain Portland cement, characterized in that it consists in carrying out the following reaction mixture (parts by weight of dry matter): - réactif (I): 100 parties en poids d'un oxyde aluminosilicate [Si2O5,Al2O2]9[Si2O5,Al2(OH)3], - reagent (I): 100 parts by weight of an aluminosilicate oxide [Si2O5, Al2O2] 9 [Si2O5, Al2 (OH) 3], ayant le cation Al en coordination mixte (IV-V) comme déterminé having the Al cation in mixed coordination (IV-V) as determined par le spectre d'analyse en Résonance Magnétique Nucléaire by the analysis spectrum in Nuclear Magnetic Resonance MASNMR pour 27Al, ou pour simplifier dans ce qui suit, (Si205rA1202)(IV-V) MASNMR for 27Al, or to simplify in the following, (Si205rA1202) (IV-V) - réactif (II): 30-55 parties de silicate alcalin dans lequel le rapport - reagent (II): 30-55 parts of alkali silicate in which the ratio M2O/SiO2 est compris entre 0.5 et 0.8, M désignant Na et/ou K ou le M2O / SiO2 is between 0.5 and 0.8, M denoting Na and / or K or the mélange Na+K. mixture of Na + K. composé en partie de gehlinite, d'akermanite et de wollastonite. partly composed of gehlinite, akermanite and wollastonite. - réactif (III): 80-110 parties de silicate basique, à l'état vitreux, - reagent (III): 80-110 parts of basic silicate, in the vitreous state, 5% en poids de (Na2O+K2O); puis à faire durcir le dit mélange en ajoutant de l'eau. 5% by weight of (Na2O + K2O); then hardening said mixture by adding water. - réactif (IV): 150-250 parties aluminosilicate alcalin contenant au moins - reagent (IV): 150-250 parts alkali aluminosilicate containing at least 2) Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce que dans le dit réactif (IV) aluminosilicate alcalin, le rapport atomique Si:Al est compris entre 2,5 et 5, le rapport molaire M2O:Al203 est compris entre 0.7 et 1.1 et le rapport molaire (M2O+CaO): Al203 est compris entre 0.8 et 1.6.2) Method according to claim 1, characterized in that in said reagent (IV) alkali aluminosilicate, the atomic ratio Si: Al is between 2.5 and 5, the molar ratio M2O: Al203 is between 0.7 and 1.1 and the molar ratio (M2O + CaO): Al2O3 is between 0.8 and 1.6. 3) Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce que dans l'ensemble constitué des réactifs (I)+(II)+(III), le rapport molaire Ca++/(Si2O5,Al2O2)(îVV) 3) Method according to claim 1, characterized in that in the assembly consisting of the reactants (I) + (II) + (III), the molar ratio Ca ++ / (Si2O5, Al2O2) (îVV) est supérieur à 1 et le rapport (Na+,K+,Ca++)/(Si205,A1202)(I.V-V) is greater than 1 and the ratio (Na +, K +, Ca ++) / (Si205, A1202) (I.V-V) est supérieur à 1,5. is greater than 1.5. 4) Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce que le dit silicate de sodium et/ou de potassium est ajouté sous la forme d'une solution aqueuse contenant 20-23% en poids de SiO2, 20-26% en poids de K2O, et 50-55% en poids d'eau. 4) Method according to claim 1, characterized in that said sodium and / or potassium silicate is added in the form of an aqueous solution containing 20-23% by weight of SiO2, 20-26% by weight of K2O , and 50-55% by weight of water. 5) Méthode selon la revendication i, caractérisée en ce que le dit silicate de sodium et/ou de potassium est ajouté sous la forme de poudre ou de mélange en poudre contenant le silicate alcalin et NaOH/KOH solide.5) Method according to claim i, characterized in that said sodium silicate and / or potassium is added in the form of powder or powder mixture containing the alkali silicate and solid NaOH / KOH. 6) Ciment géopolymèrique obtenu selon l'une quelconque des revendications 1) à 5), caractérisé en ce que, après durcissement, le dit ciment est constitué de deux phases distinctes:6) Geopolymeric cement obtained according to any one of claims 1) to 5), characterized in that, after hardening, said cement consists of two distinct phases: a) une phase dite vitreuse qui possède un spectre MAS NMR pour 29Si a) a so-called vitreous phase which has a MAS NMR spectrum for 29Si ayant une bande comprise entre -85 et -89ppm, et un spectre MAS having a band between -85 and -89ppm, and a MAS spectrum NMR pour 27Al ayant une résonance à 54-58ppm. NMR for 27Al having a resonance at 54-58ppm. NMR 27Al ayant une résonance à 57ppm. NMR 27Al having a resonance at 57ppm. une bande comprise entre -90ppm et -115ppm, et un spectre MAS a band between -90ppm and -115ppm, and a MAS spectrum b) une phase cristalline qui possède un spectre MAS NMR pour 29Si ayant b) a crystalline phase which has a MAS NMR spectrum for 29Si having 7) Ciment géopolymèrique résistant à la corrosion de l'acide sulfurique et non sujet à la réaction alcali-aggrégat ASR, obtenu selon l'une quelconque des revendications 1 à 5.7) Geopolymeric cement resistant to corrosion of sulfuric acid and not subject to the alkali-aggregate reaction ASR, obtained according to any one of claims 1 to 5. 8) Ciment géopolymèrique pouvant être sèché et monté jusqu'à des températures comprises entre 4000C et 10000C, obtenu selon l'une quelconque des revendications 1 à 5. 8) Geopolymeric cement which can be dried and mounted up to temperatures between 4000C and 10000C, obtained according to any one of claims 1 to 5. 9) Ciment géopolymèrique utilisé pour stabiliser des déchets chimiques ou des déchets miniers, obtenu selon lune quelconque des revendications 1 à 5.9) Geopolymeric cement used to stabilize chemical waste or mining waste, obtained according to any one of claims 1 to 5. 10) . Ciment géopolymèrique dont la fabrication ne produit que très peu de gaz carbonique CO2 à effet de serre, obtenu selon l'une quelconque des revendications 1 à 5. 10). Geopolymeric cement, the manufacture of which produces only very little greenhouse gas CO2, obtained according to any one of claims 1 to 5.
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