Propriétés Fonctionnelles des Mousses Solides

Mousses minérales pour la construction et l’habitat

Mousses de ciment : Blandine Feneuil (Thèse soutenue le 11/10/2018, Labex MMCD), Nicolas Roussel, Olivier Pitois
Mousses de géopolymère : Asmaa Kaddami (Thèse en cours, Ifsttar), Vincent Langlois, Olivier Pitois

Pour élaborer de nouvelles mousses isolantes à matrice minérale il est nécessaire de contrôler les mécanismes de déstabilisation à l’œuvre pendant la période qui précède le durcissement du matériau. Le drainage gravitaire peut engendrer de fortes inhomogénéités, mais il faut également considérer les phénomènes de coalescence (la fusion des bulles voisines par rupture des films qui les séparent) et de mûrissement (du fait de sa solubilité dans le liquide interstitiel, l’air peut s’échanger entre les bulles voisines – sans fusion de ces dernières – et faire disparaître les plus petites bulles au profit des plus grosses, ce qui engendre une dynamique interne potentiellement très néfaste). Le contrôle de la coalescence peut être réalisé par le choix approprié du tensioactif ajouté pour faire la mousse. Pour le contrôle des deux autres mécanismes, les études menées sur les systèmes modèles ont montré que deux stratégies pouvaient être mises en œuvre : (1) exploiter les propriétés de contrainte seuil qui caractérisent les pâtes (cette contrainte seuil du matériau interstitiel s’oppose aux mouvements de bulles), (2) exploiter les propriétés de blocage des particules dans le réseau interstitiel.

Nous nous sommes intéressés au cas des mousses de ciment et des mousses de géopolymère. Le terme géopolymère désigne ici une suspension de particules de métakaolin (argile calcinée) activées dans une solution de silicate de sodium. L’étude de l’adsorption du tensioactif utilisé pour stabiliser la mousse sur les particules minérales a permis d’identifier et de mettre en œuvre deux stratégies pour contrôler la stabilité de ces mousses complexes durant la phase qui précède leur durcissement : (1) soit développer les interactions attractives entre particules et augmenter autant que possible la contrainte seuil de la suspension pour contrer les effets capillaires (augmentation du nombre capillaire de Bingham) ; (2) soit au contraire développer les interactions répulsives entre particules et permettre à ces dernières d’atteindre une configuration où le système est bloqué. Cette méthodologie nous a permis de produire des échantillons particulièrement contrôlés, comme le montre la figure ci-dessous.


Figure : Elaboration de mousses minérales (les bulles ont une taille proche de 800 µm sur toutes les images). Le point de départ est le mélange d’une mousse aqueuse avec la pâte contenant les particules : en contrôlant ce mélange on obtient une mousse qui reste « fluide » (première image de gauche) jusqu’au moment de la prise de la pâte. Durant cette période la mousse peut soit évoluer fortement (deuxième image de gauche, haut) soit au contraire conserver sa morphologie (deuxième image de gauche, bas) si le phénomène de mûrissement est contrôlé. Dans certains cas, le matériau peut présenter une architecture interne étonnamment maîtrisée (dernière image de gauche), comparable aux mousses organiques. Le même type de résultat peut être obtenu à partir d’une pâte de métakaolin activé dans une solution de silicate de sodium (images de droite).


 

Pour les mousses de géopolymère, le contrôle morphologique qui résulte de la stabilisation que nous parvenons à imposer est tel qu’on peut imaginer d’autres applications que l’isolation, comme par exemple la filtration et la dépollution des liquides contaminés.


Figure : La compréhension des mécanismes de stabilisation des mousses complexes a permis de produire des mousses de géopolymère bien moins denses que celles réalisées dans le cadre des études présentées dans la littérature (graphe de gauche). (Droite) illustration du contrôle morphologique réalisé sur nos mousses de géopolymère : à taille de pore (bulle) fixée, la taille des passages entre pores (connections) peut être modulée en ajustant la densité de la mousse (ici 50 et 300 kg/m3).


 

Publications

B. Feneuil, O. Pitois, N. Roussel, Effect of surfactants on the yield stress of cement paste, Cement and Concrete Research (2017) 100, 32–39
B. Feneuil, N. Roussel, O. Pitois, Optimal cement paste yield stress for the production of stable cement foams, Cement and Concrete Research (2019)
Brevet : Mousse de géopolymère et son procédé de fabrication (FR 17 62432)