Effect of activator composition on strength evolution and silicon-oxygen network reconstruction of rice husk ash-based sodium silicate-activated waste glass powder cementitious materials
Cette étude démontre qu'en ce qui concerne les matériaux cimentaires à base de poudre de verre de déchets activée par du silicate de sodium à partir de cendres de balle de riz préparés avec des modules variables, un module de 1,5 produit la résistance à la compression à 28 jours la plus élevée (39,6 MPa) en optimisant l'équilibre entre la dépolymérisation précoce du réseau et la polycondensation tardive, comme en témoigne une augmentation significative du rapport d'oxygène de pontage.
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Dans le monde moderne, l'industrie de la construction est confrontée à un double défi : elle doit trouver des moyens de construire des structures plus solides et plus durables tout en réduisant l'empreinte carbone massive laissée par la production traditionnelle de ciment. Parallèlement, les villes génèrent d'énormes quantités de déchets solides, particulièrement du verre, qui ne pourrit pas et ne se décompose pas naturellement et qui finit souvent par remplir les décharges. Les scientifiques savent depuis longtemps que le verre broyé peut être utilisé comme substitut à une partie du sable et du gravier dans le béton, mais le simple fait de l'incorporer ne suffit pas pour le rendre solide. Pour transformer le verre de récupération en un matériau liant qui maintient les bâtiments ensemble, les chercheurs utilisent un processus appelé activation alcaline. Cela consiste à mélanger la poudre de verre avec un liquide hautement alcalin, qui agit comme un solvant chimique pour décomposer la structure rigide du verre puis la réassembler en un nouveau gel solide. La clé de ce processus réside dans le liquid activateur lui-même. Si le liquide est trop fort, il décompose le verre rapidement mais peut ne pas laisser assez de blocs de construction pour former un réseau solide plus tard. S'il est trop faible, il ne peut pas dissoudre efficacement le verre au départ. Trouver l'équilibre parfait est essentiel pour créer un matériau qui soit à la fois respectueux de l'environnement et mécaniquement robuste.
Une équipe de chercheurs de l'Université de Quzhou en Chine s'est donné pour mission de résoudre ce jeu d'équilibre en utilisant deux matériaux de récupération spécifiques : de la poudre de verre de récupération et de la cendre de balle de riz. La cendre de balle de riz est un sous-produits du traitement du riz qui est riche en silice, le même ingrédient principal que l'on trouve dans le verre et le sable. Au lieu d'acheter des produits chimiques commerciaux coûteux pour activer le verre, l'équipe a créé son propre activateur liquide en dissolvant la cendre de balle de riz dans une solution d'hydroxyde de sodium. Ils ont ensuite mélangé ce liquide fait maison avec la poudre de verre de récupération pour créer une pâte. Pour comprendre comment la recette affecte la résistance finale, ils ont préparé trois lots différents. Dans chaque lot, ils ont gardé la même quantité de verre mais ont modifié le ratio des ingrédients dans l'activateur liquide. Un lot avait un ratio de silice par rapport au sodium plus faible, un autre avait un ratio moyen, et le troisième avait un ratio élevé. Ils ont ensuite testé la dureté de ces matériaux après une semaine et après quatre semaines.
Les résultats ont révélé un schéma clair dans le développement du matériau au fil du temps. Après seulement une semaine, le lot avec le ratio de silice le plus bas était le plus résistant, atteignant une résistance à la compression de 31,4 MPa. Cela s'est produit parce que la concentration plus élevée du composant alcalin dans ce mélange a décomposé le réseau de verre très rapidement, permettant son durcissement précoce. Cependant, au fil du temps, l'histoire a changé. À l'échéance des quatre semaines, le lot avec le ratio de silice moyen est apparu comme le grand vainqueur, atteignant une résistance à la compression de 39,6 MPa, ce qui est nettement supérieur aux deux autres groupes. Le lot avec le ratio de silice le plus élevé, qui possédait le plus de blocs de construction disponibles, s'est retrouvé au milieu, tandis que celui qui avait commencé fort a chuté pour atteindre la résistance la plus faible du groupe. Ce changement a montré que si une attaque chimique initiale forte aide le matériau à prendre rapidement, la résistance à long terme dépend de la disponibilité de silice dissoute pour construire un réseau dense et interconnecté au fil du temps.
Pour comprendre pourquoi cela s'est produit, les chercheurs ont examiné l'intérieur du matériau à l'aide d'outils d'imagerie avancés capables de voir l'arrangement des atomes et la structure des liaisons chimiques. Ils ont découvert que le processus n'a créé aucun nouveau cristal ; au lieu de cela, le verre s'est transformé en un solide amorphe désordonné, semblable au verre d'origine mais avec une structure interne différente. En analysant les liaisons chimiques, ils ont mesuré le ratio d'atomes d'« oxygène de pontage », qui sont les liens qui maintiennent les atomes de silicium ensemble dans un réseau tridimensionnel solide. À une semaine, le mélange avec le ratio de silice le plus bas présentait le plus grand nombre de ces liens, expliquant sa résistance initiale. Mais à quatre semaines, le mélange au ratio moyen avait développé le plus grand nombre de liaisons de pontage, atteignant 63,25 pour cent. Cette augmentation du nombre de connexions correspondait directement à l'augmentation de la résistance. Le mélange avec le ratio de silice le plus bas est tombé à court de blocs de construction trop tôt pour former davantage de liens, tandis que le mélange avec le ratio de silice le plus élevé n'a pas dissous le verre assez vite pour utiliser tous ces blocs supplémentaires. Seul le mélange moyen a réussi à maintenir la dissolution du verre et la formation des liens simultanément, créant ainsi la structure la plus solide possible.
Cette étude démontre que la voie vers un matériau de construction plus solide et plus écologique ne consiste pas à maximiser un seul ingrédient, mais à trouver l'équilibre précis entre la vitesse de la réaction chimique et l'approvisionnement en matériaux de construction. En utilisant la cendre de balle de riz pour créer l'activateur, les chercheurs ont montré qu'il est possible de transformer deux types de déchets différents en un substitut de ciment de haute performance. Les conclusions suggèrent que, pour cette combinaison spécifique de matériaux, une quantité modérée de silice dans l'activateur offre le meilleur environnement pour que le verre se dissolve et se réassemble en un réseau dense et durable. Cette approche offre un modèle pratique pour transformer les piles croissantes de verre et de déchets agricoles du monde en une ressource précieuse pour une construction durable, prouvant que la bonne recette chimique peut transformer ce qui était autrefois considéré comme un déchet en un fondement pour l'avenir.
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