Étude multiéchelle de l’efficacité de l’oxyde de graphène dans les matériaux à base de ciment

Duplessis, Thomas (2023). Étude multiéchelle de l’efficacité de l’oxyde de graphène dans les matériaux à base de ciment. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

Prévisualisation

PDF Télécharger (14MB) | Prévisualisation

Résumé

Cette étude a été réalisée dans le but d’évaluer l’effet de l’ajout d’un faible pourcentage (0,03%) d’oxyde de graphène (GO) sur les propriétés des matériaux à base de ciment. L’intérêt croissant des nanomatériaux a poussé plusieurs chercheurs à considérer l’utilisation de cette nouvelle génération de matériaux pour améliorer la performance de bétons. Ainsi, à travers un programme expérimental basé sur une caractérisation multiéchelle, l’effet du GO sur la performance des matrices cimentaires a été évaluée. La méthode de dispersion du GO (superplastifiants et sonication), le rapport e/l (0,35 et 0,40) et l’utilisation d’un liant binaire avec 30 % laitier de haut fourneau et d’un liant avec 8 % de fumée de silice sont également des variables qui ont été étudiées. Dans le but de rendre cette technologie potentiellement accessible aux producteurs de béton, du GO disponible commercialement a été utilisé pour la réalisation des essais.

Par l’entremise d’essais de calorimétrie isotherme et d’analyse thermogravimétrique (ATG), il a été possible de caractériser la réaction d’hydratation de pâtes cimentaires. Il advient que l’effet du GO est visible sur les courbes de taux de chaleur dégagée, particulièrement lorsque dispersé par un superplastifiant et par une combinaison de superplastifiant et de sonication. Cet effet, sur le ciment d’usage général (GU) et sur le liant binaire, est principalement noté sur l’amplitude du pic des aluminates de calcium (C3A). Ce changement observé sur l’allure du deuxième maxima d’hydratation peut être attribué au phénomène de nucléation apporté par le GO. Ensuite, des essais de résistance en compression ont permis d’évaluer la résistance mécanique de mortier à 1, 7 et 28 jours. Il en résulte d’abord que l’addition de GO aux mélanges vient significativement réduire l’étalement du mortier à l’état frais. Une baisse de la résistance en compression est également notée pour les mortiers sans superplastifiant. Les résultats montrent finalement qu’aucun avantage sur la résistance à la compression n’est retiré de l’utilisation de GO. L’effet du GO serait donc moins important dans des mélanges avec particules de tailles hétérogènes. Afin d’évaluer l’effet du GO d’un point de vue d’application pratique, des essais de pénétration des ions chlorures ont été menés, à 28, 56 et 91 jours, sur des bétons inspirés des mélanges de types V-S/C-1 et XIII/C-XL du ministère des Transports (MTQ) et de l’Association canadienne de normalisation (CSA). Il en est résulté que le GO permet de réduire la pénétration des ions chlorures entre 5,5 et 24,9%, dépendamment de'il stl’échéance et de type de mélange, donc d’apporter une amélioration. L’utilisation de l’oxyde de graphène serait donc préférable dans d’autres conditions d’exposition et d’autres conceptions de mélanges.

Titre traduit

Multiscale analysis of the impact of graphene oxide on cementitious materials

Résumé traduit

This study was conducted to evaluate the impact of a small percentage (0.03%) of graphene oxide (GO) on the properties of cement-based materials. Derived from graphene, this nanomaterial consists of hexagonal arrangements of carbon atoms with several functional groups in its structure such as hydroxyl, epoxy, carboxyl and carbonyl. The growing interest in nanomaterials has led several researchers to consider the use of this new generation of materials to improve the performance of concrete. Thus, through an experimental program based on a multiscale characterization, the impact of GO on the performance of cementitious matrices has been evaluated. The GO dispersion method (superplasticizers and sonication), the W/B ratio (0.35 and 0.40) and the use of binary binders, one made of 30% blast furnace slag and the other with 8% of silica fume, were also variables that have been studied. To make this technology potentially accessible to concrete producers, commercially available GO was used for the trials.

Through isothermal calorimetry and thermogravimetric analysis (TGA) tests, it was possible to characterize the hydration reaction of the GO modified cementitious materials. It turns out that the effect of GO is visible on the heat release rate curves, especially when dispersed by superplasticizer and by a combination of superplasticizer and sonication. This effect, on the general use cement (GU) and on the binary binder, is mainly noted on the amplitude of the calcium aluminate (C3A) peak. This observed change in the second hydration peak shape can be attributed to the nanofiller phenomenon provided by the GO. The TGA tests did not show that the use of GO affected the hydration products of the cement at 3, 7 and 28 days. Next, compressive strength tests were used to evaluate the mechanical strength of mortar at 1, 7, and 28 days. The first result is that the addition of GO to the mixes significantly reduces the flow of the mortar in the fresh state. A decrease in compressive strength is also noted for mortars without superplasticizer. The results finally show that no benefit on compressive strength is obtained from the use of GO. To evaluate the effect of GO from a practical application point of view, chloride ion penetration tests were carried out at 28, 56, and 91 days, on concretes based on the Ministère des Transports (MTQ) and Canadian standard association (CSA) VS/C-1 and XIII/C-XL mixes. The results showed that GO reduces the penetration of chloride ions by between 5.5 and 24.9%, depending on the cure period and the type of concrete mix. However, mixes modified with GO do not meet the 1000-coulomb requirement of MTQ standard 3102. Concretes with silica fume showed far superior results. Thus, graphene oxide must be used in other environmental conditions and would be better in other mix design.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire présenté à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention de la maîtrise avec mémoire en génie de la construction". Comprend des références bibliographiques (pages 197-204).
Mots-clés libres:	oxyde de graphène, ajouts cimentaires, calorimétrie, tests rapides de perméabilité des ions de chlore, durabilité
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Ouellet-Plamondon, Claudiane
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie de la construction
Date de dépôt:	12 mai 2023 17:40
Dernière modification:	12 mai 2023 17:40
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3227

Gestion Actions (Identification requise)

Dernière vérification avant le dépôt