• Langue : Anglais
• Discipline : Génie civil
• Identifiant : 2025ULILN028
• Type de thèse : Doctorat
• Date de soutenance : 12/11/2025

Résumé en langue originale

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.

Résumé traduit

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.