Alkali activated materials as a sustainable material solution for waste remediation, smart construction, and energy storage applications

Résumé

Les matériaux à activation alcaline (AAM) sont une catégorie de solides aluminosilicates amorphes qui ont suscité l'intérêt de la communauté scientifique en raison de leur production facile et de leurs propriétés inhabituelles. Ils durcissent à température ambiante sans traitement à forte intensité énergétique et peuvent être produits à partir de sous-produits industriels, ce qui en fait une alternative écologique aux produits en céramique et en ciment. AAM a fait l'objet d'études approfondies en tant que solution de rechange écologique au ciment Portland mais, à ce jour, il a été peu commercialisé en Amérique du Nord. Deux obstacles clés à l’augmentation de la production sont (1) la concurrence pour les matières premières avec l'industrie du ciment et (2) le manque d'applications à forte valeur ajoutée pour faciliter le passage à l'échelle de la production d'AAM. Cette thèse relève ces défis en proposant une nouvelle méthodologie pour utiliser les résidus de bauxite comme matière première pour l'AAM à haute résistance et en identifiant de nouvelles applications qui servent de tremplin pour la production à grande échelle d'AAM. Le résidu de bauxite est un sous-produit de l'industrie de l'aluminium qui revêt une importance particulière pour la province de Québec. Dans cette thèse, le premier obstacle à la production d'AAM est abordé en développant une nouvelle méthodologie pour utiliser les résidus de bauxite comme matière première pour l'AAM à haute résistance. Bien que l'utilisation de résidus de bauxite comme matière première ne soit pas nouvelle, la méthodologie proposée permet de tripler la teneur en résidus de bauxite dans l'AAM (jusqu'à 77%), de valoriser les résidus de bauxite à l'état brut sans modification supplémentaire et d'atteindre une résistance à la compression supérieure à 32 MPa, dépassant les normes ASTM pour les matériaux structurels porteurs. Le deuxième obstacle à la production d'AAM est abordé par l'identification de nouvelles applications à haute valeur ajoutée pour l'AAM à partir d'une étude de leurs propriétés électriques et électromécaniques uniques. Il a été démontré que les AAM possèdent une propriété unique d'auto-détection qui peut être exploitée pour produire des matériaux de construction intelligents. Contrairement au ciment, les AAM possèdent l'auto-détection comme propriété intrinsèque du matériau, sans qu'il soit nécessaire d'ajouter de coûteux additifs. Cela fait des AAM une solution inégalée dans le domaine des matériaux de construction intelligents. L'AAM testé a été produit avec une piézorésistivité supérieure à 50 % et une résistance à la compression supérieure à 50 MPa, ce qui démontre la possibilité d'ajuster la composition de l'AAM pour obtenir des performances mécaniques et d'autodétection élevées. Une étude des propriétés électriques de l'AAM a révélé un comportement diélectrique sans précédent. Les AAM n'ont pas été considéré auparavant comme une alternative aux céramiques diélectriques, mais les résultats démontrent qu'ils sont parmi les matériaux les plus polarisables jamais rapporté avec des constantes diélectriques aussi élevées que 109 . Cela présente une nouvelle opportunité d'utiliser les AAM comme une alternative puissante et peu coûteuse pour les supercondensateurs. Ces deux applications offrent une nouvelle possibilité d'augmenter la production d'AAM et de tirer parti de cette catégorie de matériaux respectueux de l'environnement.

Date	1 févr. 2023
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Claudiane Ouellet-Plamondon (Directeur(-trice))