Note ABES Propriétés physiques, mécaniques et de transport des composites géopolymères à base de métakaolin : influence de la composition, de la microstructure et de l'état de contrainte Physical, mechanical and transport properties of metakaolin-based geopolymer composites : influence of composition, microstructure, and stress state Géopolymères à base de métakaolin Fibres de verre/carbone Microstructure et porosité Perméabilité Compression triaxiale Résistance à la rupture Metakaolin-Based geopolymer Glass/carbon fiber reinforcement Microstructure Gas permeability and porosity Triaxial compression tests Failure strength Géopolymères Propriétés mécaniques Perméabilité Fibres de verre Fibres de carbone Microstructure (physique) Essais de compression Kaolin Contraintes (mécanique) Les géopolymères, en tant qu'alternative prometteuse et durable aux matériaux cimentaires conventionnels, suscitent un intérêt croissant pour diverses applications. Des études approfondies sont encore nécessaires pour caractériser et décrire leurs performances à court et à long terme dans des conditions de chargement complexes. Dans cette thèse, nous présentons une nouvelle étude expérimentale sur les propriétés physiques, mécaniques et de transport des géopolymères à base de métakaolin (MK). Le présent travail porte sur une large gamme de matériaux, notamment la pâte géopolymère, le mortier, les composites renforcés de fibres de verre (GF) et de fibres de carbone (CF).La pâte géopolymère est d'abord étudiée en tant que matériau de référence. L'objectif principal est d'étudier les influences de l'âge de cure et de la contrainte de confinement sur l'évolution de la microstructure, le comportement mécanique et la perméabilité. Le temps de prise, la densité apparente, la porosité, la perméabilité et la structure des pores sont évalués. Des essais de compression uniaxiale et triaxiale sont réalisés afin de caractériser les réponses contrainte-déformation, la résistance à la rupture et les modes de rupture. Il est constaté qu'avec l'augmentation de l'âge de cure, la densité apparente augmente, tandis que la porosité, le volume des pores et la perméabilité diminuent. En revanche, le module élastique et la résistance à la rupture augmentent. Une pression de confinement plus élevée améliore la résistance à la rupture, entraîne une transition de la fragilité à la ductilité et induit des changements irréversibles dans la structure des pores.Du sable standard est incorporé à la pâte pour produire un mortier géopolymère à base de MK (MKGM). Par rapport à la pâte pure, la présence de sable réduit la teneur en eau, diminue la maniabilité et accélère le processus de prise. L'effet de remplissage de sable diminue considérablement la porosité, produit une structure poreuse plus dense, réduit la compressibilité volumétrique et conduit à une transition claire entre la compaction et la dilatation pendant le processus de rupture. La présence de particules de sable induit une plus grande dépendance à la pression de confinement par une augmentation de l'angle de frottement interne.Les matériaux géopolymères sont renforcés par différents types de fibre afin de palier la fragilité des géopolymères. Dans ce travail, des fibres de verre (GF) et des fibres de carbone (CF) sont incorporées dans le MKGM. Les principaux résultats obtenus montrent qu'il y a une forte inter-connectivité entre mortier et fibres. La présence de fibres limite la mobilité des agrégats, accélère la prise et réduit la fluidité. Grâce à leur grande surface et à leur énergie de surface élevée, ces fibres favorisent la densification de la matrice et génèrent une structure méso-poreuse plus uniforme. Leur dispersion uniforme crée un réseau de contacts matrice-fibre tridimensionnel qui empêche la formation de pores et la propagation des fissures, réduisant ainsi la porosité et la perméabilité tout en améliorant la résistance mécanique et la ductilité. Bien que les fibres GF et CF améliorent toutes deux les performances, les fibres GF offrent une amélioration rentable, tandis que les fibres CF offrent une résistance plus élevée et une capacité supérieure de contrôle des fissures, ce qui se traduit par un effet de renforcement plus prononcé. Geopolymers, as a promising and sustainable alternative to conventional cementitious materials, have attracted growing attention for various engineering applications. In-depth investigations are still needed for characterization and description of their short and long terms performances under complex conditions. In this thesis, we present a novel experimental study on the physical, mechanical and transport properties of metakaolin (MK)-based geopolymers, in relation with the microstructure, compositions and loading conditions. The present work is devoted to a large range of materials, including geopolymer paste, geopolymer mortar, glass fiber (GF)-reinforced composite, and carbon fiber (CF)-reinforced composite.Geopolymer paste is first investigated as the reference material. The key issue is to investigate influences of curing age and confining stress on the micro-structure evolution, mechanical behavior and permeability of MK-based geopolymer materials. The setting time, bulk density, porosity, permeability and pore structure are first evaluated. Uniaxial and triaxial compression tests are performed to characterize stress-strain relations, failure strength and modes. It is found that with increasing curing age, the bulk density increases, while the porosity, pore volume and permeability decrease. In contrast, the Young's modulus and failure strength (both cohesion and internal friction angle) increase. Under confining pressure, the geopolymer paste exhibits a pronounced volumetric compaction. Higher confining pressure enhances both failure strength and ductility, leads to a transition in failure mode from axial splitting to inclined shearing, and induces irreversible changes in pore structure.Standard sand is incorporated into the paste matrix to produce MK-based geopolymer mortar (MKGM). Compared with the pure paste, the presence of sand particles reduces the relative water content, decreases workability, and accelerates setting process. The filling effect of sand particles markedly decreases porosity, produces a denser pore structure, lowers volumetric compression, and leads to a clear transition from compaction to dilation during failure process. At low confining pressures ([dollar]sigma_3 < 10[dollar] MPa), the MKGM exhibits lower strength than the paste. However, at higher confining pressure ([dollar]sigma_3 ge 10[dollar] MPa), the mechanical strength of MKGM becomes higher than that of paste. Therefore, the presence of sand particles induces a higher pressure-dependency with an increase of internal frictional angle.The inherent brittleness of geopolymers raises concerns regarding engineering reliability and durability. To address this limitation, geopolymer materials are reinforced by different types of fibers. In this work, GF and CF are incorporated into MKGM. The main results show that there is a strong inter-connectivity between mortar and fibers. The presence of fibers restrict aggregate mobility, accelerate setting, and reduce fluidity. Owing to their large surface area and high surface energy, those fibers promote matrix densification and generate a more uniform mesoporous structure. Their uniform dispersion creates a three-dimensional matrix-fiber connection network that suppresses pore formation and crack propagation, thereby reducing porosity and permeability while improving mechanical strength and ductility. Although both GF and CF enhance performance, GF provides a cost-efficient improvement, whereas CF delivers higher strength and superior crack-controlling capacity, resulting in a more pronounced reinforcement effect. Electronic Thesis or Dissertation Text en PDF 12245568 https://pepite-depot.univ-lille.fr/ToutIDP/EDENGSYS/2025/2025ULILN028.pdf https://pepite-depot.univ-lille.fr/ToutIDP/EDENGSYS/2025/2025ULILN028.pdf https://theses.fr/2025ULILN028/abes Xu Wei Xu 1996-02-09 CN 295938943 https://theses.fr/2025ULILN028 2025ULILN028 https://doi.org/10.70675/19e1f33ezca5az46f6zb936z3c72ada097f1 2025-11-12 Génie civil Université de Lille (2022-....) 259265152 Doctorat Docteur es non oui Shao Jianfu MADS_DIRECTEUR_DE_THESE_1 136936466 Briffaut Matthieu MADS_DIRECTEUR_DE_THESE_2 152039147 Gay Nicolas MADS_DIRECTEUR_DE_THESE_3 27080191X Torrenti Jean-Michel MADS_PRESIDENT_DU_JURY 029785308 Fontaine Gaëlle MADS_MEMBRE_DU_JURY_1 152779264 Choinska Colombel Marta MADS_MEMBRE_DU_JURY_2 115097058 Cyr Martin MADS_RAPPORTEUR_1 097733652 Ledesert Béatrice MADS_RAPPORTEUR_2 070354715 École graduée Sciences de l’ingénierie et des systèmes (Lille ; 2021-....) MADS_ECOLE_DOCTORALE_1 25860221X LaMcube - Laboratoire de mécanique, multiphysique, multiéchelle MADS_PARTENAIRE_DE_RECHERCHE_1 1057027 223408220 China Scholarship Council (Chine) MADS_PARTENAIRE_DE_RECHERCHE_2 202909514 ddc:620 Shao Jianfu Briffaut Matthieu Gay Nicolas Torrenti Jean-Michel Fontaine Gaëlle Choinska Colombel Marta Cyr Martin Ledesert Béatrice École graduée Sciences de l’ingénierie et des systèmes (Lille ; 2021-....) LaMcube - Laboratoire de mécanique, multiphysique, multiéchelle China Scholarship Council (Chine) PDF 12245568 restriction 2025-11-12 2028-01-01 restriction 2025-11-12 2028-01-01