Constellation, le dépôt institutionnel de l'Université du Québec à Chicoutimi

Résumé

Avec plus de 1 m³ produit par année et par habitant sur la terre (~ 7.5 Gm³/an), le béton est le matériau de construction le plus utilisé dans le monde. Cependant, sa production est responsable d’approximativement 4 à 8 % des émissions de gaz à effet de serre, principalement en raison de la production du ciment Portland utilisé comme liant. Parallèlement, l’industrie de l’aluminium génère une grande quantité de résidu de bauxite. L’accumulation de ce sous-produit cause est un enjeu de taille à la fois sur le plan environnemental et économique. L’utilisation des ajouts cimentaires comme la cendre volante, les laitiers et la fumée de silice présente une avenue intéressante comme remplacement au ciment Portland. Toutefois, leur disponibilité limitée au Québec entraîne des coûts de transports non négligeables. Ainsi, le développement de nouveaux liants à base de résidu de bauxite aiderait à réduire l’empreinte environnementale du béton de même que les retombées économiques, tout en valorisant un matériau actuellement considéré comme un résidu industriel. Ce projet de recherche a pour objectif de développer et mieux comprendre l’effet des paramètres de confection de mélange de béton géopolymère à base de résidu de bauxite et de cendre volante de classe F sur ses principales propriétés à l’état frais et durci, pour la fabrication d’un élément en béton géopolymère architectural. Le mélange développé devra maximiser la valorisation du résidu de bauxite tout en respectant les normes de qualités de génie civil et les normes industrielles. Tout au long du projet, des recettes de béton géopolymère sont développées et optimisées dans le but de caractériser les principales propriétés des mélanges à l’état frais (maniabilité) et à l’état durci (résistance à la compression). L’effet d’une série de paramètres (le rapport eau/liant, le rapport résidu de bauxite/cendre volante, les conditions d’activation (température et durée de cure) et l’ajout de superplastifiants) est étudié sur les propriétés mécaniques des pâtes de géopolymère. Des mélanges de validation sont utilisés pour évaluer la faisabilité d’utilisation à grande échelle du béton géopolymère à base de résidu de bauxite et pour valider la méthode de fabrication d’une pièce architecturale au moyen de la construction d’un prototype d’un banc de parc à grandeur réelle. Selon les résultats obtenus, l’ajout progressif de résidu de bauxite à l’état sec conduit à une réduction progressive de la résistance à la compression et de la maniabilité. De plus, la résistance à la compression est fortement influencée par la température de cure du béton géopolymère à base de résidu de bauxite. Une cure à température plus élevée favorise une résistance à la compression plus importante. Cette constatation suggère également que la réaction de géopolymérisation dont dépendent les performances mécaniques est plus rapide et plus efficace à température élevée. En fin de compte, l’utilisation de résidu de bauxite dans le béton représente une avenue prometteuse pour produire des éléments architecturaux à l’aide des bétons durables et verts.

With over 1 m³ produced per year per inhabitant on Earth (~7.5 Gm³/year), concrete is the most widely used construction material in the world. However, its production is responsible for approximately 4 to 8% of greenhouse gas emissions, mainly due to the production of Portland cement used as a binder. On the other hand, aluminum production generates a lot of bauxite residue. The accumulation of this industrial by-product is a major issue, with both environmental and economic impacts. The use of cementitious additives such as fly ash, slag, and silica fume present a promising avenue as a replacement for Portland cement. However, these materials are not commonly available in Quebec, which implies significant transportation costs. The development of new binders based on bauxite residue would help to reduce the environmental footprint of concrete as well as the economic impacts. This would also valorize a material currently considered an industrial residue. This research project aims to develop and better understand the effect of mix design parameters of geopolymer concrete based on bauxite residue and class F fly ash on its main properties in the fresh and hardened states, for the production of an architectural geopolymer concrete element. The developed mixture must maximize the valorization of bauxite residue while respecting civil engineering quality standards and industrial norms. Throughout the project, geopolymer concrete recipes are developed and optimized to characterize the main properties of the mixtures in the fresh state (workability) and in the hardened state (compressive strength). The effect of a series of parameters (water/binder ratio, bauxite residue/fly ash ratio, activation conditions (temperature and curing time), and the addition of admixtures) on the mechanical properties of the geopolymer pastes is studied. Validation mixtures are used to assess the feasibility of large-scale use of bauxite residue-based geopolymer concrete and to validate the method of manufacturing an architectural piece by constructing a full-scale park bench prototype. According to the obtained results, the progressive addition of dry bauxite residue leads to a progressive reduction in compressive strength and workability. In addition, compressive strength is strongly influenced by the curing temperature of bauxite residue-based geopolymer concrete. A higher curing temperature favours greater compressive strength. This finding also suggests that the geopolymerization reaction on which mechanical performance depends is faster and more effective at higher temperatures. The use of bauxite residues in concrete represents a potential avenue for producing architectural elements using durable and green concrete.