Effets des nanoparticules Al2O3, SiO2 et g

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 2720 (2023) Citer cet article

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Des enjeux environnementaux sont évoqués concernant la production de ciment Portland. En conséquence, le biociment constitue un substitut fiable au ciment Portland dans les projets de construction écologique. Cette étude a créé une toute nouvelle technique permettant de créer du biociment de haute qualité à partir de déchets agricoles. La technique repose sur des nanomatériaux qui améliorent et accélèrent le processus de « Précipitation de Calcite Induite Microbienne (MICP) », qui améliore la qualité du biociment produit. Le mélange a ensuite été mélangé avec l'ajout de 5 mg/l de nanofeuilles de nitrure de carbone graphitique (g-C3N4 NS), de nanoparticules d'alumine (Al2O3 NP) ou de nanoparticules de silice (SiO2 NP). Le rapport ciment: sable était de 1:3, le rapport cendres: ciment était de 1:9 et le rapport eau: ciment était de 1:2. Des moules à cubes ont été préparés, puis coulés et compactés. Après le démoulage, tous les spécimens ont été durcis dans un milieu de bouillon nutritif-urée (NBU) jusqu'au test à 28 jours. Le milieu a été réapprovisionné à 7 jours d'intervalle. Les résultats montrent que l'ajout de 5 mg/l de g-C3N4 NS avec des cendres d'épis de maïs a fourni la « résistance à la compression » et la « résistance à la flexion » les plus élevées des cubes de mortier de biociment de 18 et 7,6 mégapascals (MPa), respectivement ; et une « Absorption d’eau » acceptable (5,42 %) par rapport à tous les autres traitements. Ce traitement a permis d'obtenir une réduction de la « résistance à la compression », de la « résistance à la flexion » et de l'« absorption d'eau » de 1,67, 1,26 et 1,21 fois par rapport au témoin (ciment Portland standard). Il a été conclu que l’ajout de 5 mg/l de g-C3N4 NS au mélange cimentaire améliore ses propriétés, le biociment obtenu étant un substitut prometteur au ciment Portland conventionnel. L’ajout de nanomatériaux au ciment réduit sa perméabilité aux ions, augmentant ainsi sa résistance et sa durabilité. L'utilisation de ces nanomatériaux peut améliorer la performance des infrastructures en béton. L’utilisation de nanoparticules est une solution efficace pour réduire l’impact environnemental lié à la production du béton.

Le biociment est un nouveau matériau de construction écologique fabriqué à partir de déchets agricoles. L'utilisation du biociment a démontré des avantages environnementaux, économiques et techniques. Le béton obtenu est appelé « béton vert »1,2. Le biociment améliore considérablement la résistance du mortier aux attaques acides. De plus, le mortier de biociment présente une meilleure résistance à la perméabilité à l’eau que le ciment Portland seul3. De Muynck et al.4 ont inventé les termes suivants : biominéralisation ou biodépôt de CaCO3, biomortier et biobéton fabriqués à partir de biociment. Les biodéchets suivants peuvent être utilisés comme matières premières pour la production de biociment : balle de riz, paille de riz, vétiver, épi de maïs, canne à sucre, coque de palmier à huile, paille de blé, tige de lin, feuille de bambou, boues d'épuration, microalgues, sciure de bois et boues de papeterie3. ,4,5,6,7.

La « nanotechnologie » peut être définie comme l'étude, l'exploitation et l'utilisation de matériaux d'une taille comprise entre 1 et 100 nm appelés « nanomatériaux », où 1 nm (nm) est égal à 10−9 m. Les nanomatériaux peuvent être synthétisés sous forme de nanocubes, nanofils, nanorods, nanotubes et nanoparticules (nanosphères et nanocapsules). Les caractéristiques clés des nanomatériaux diffèrent fondamentalement de celles du matériau d’origine8.

La rétrogradation des constructions en ciment est un problème répandu car elles ont une perméabilité élevée, laissant pénétrer l’eau et conduisant à la corrosion. La mise en œuvre de produits d'étanchéité, par exemple le biociment, est un moyen puissant d'améliorer la durabilité du béton9. Des cendres de déchets agricoles peuvent être ajoutées pour remplacer seulement 6 à 20 % du ciment Portland. La résistance du biociment diminue lors de l’utilisation de cendres organiques plus élevées1. Cela entrave l'expansion de l'utilisation du biociment et limite également les avantages environnementaux de l'utilisation du biociment.

On suppose que les nanomatériaux améliorent les capacités de liaison entre les différents composants des matériaux cimentaires. Ainsi, l’utilisation de nanomatériaux permet l’ajout de cendres de résidus organiques pour remplacer une quantité supérieure à 20 % du ciment Portland tout en conservant la résistance du biociment produit. Par conséquent, cela affecte positivement les propriétés techniques, en particulier les propriétés mécaniques, du mortier et du béton produits à partir de biociment. De plus, on suppose que les nanomatériaux biostimulent les bactéries et augmentent leur activité, ce qui accélère la biominéralisation, entraînant une augmentation de la quantité et du taux de précipitation du CaCO3. Cela conduit finalement à colmater les fissures du béton. Nanomatériaux tels que la nano-silice (nano-SiO2), la nano-alumine (nano-Al2O3), le nano-oxyde ferrique (nano-Fe2O3), le nano-oxyde de titane (nano-TiO2), les nanotubes de carbone (CNT), le graphène et l'oxyde de graphène peut être mélangé à des matériaux à base de ciment10. Plusieurs chercheurs ont étudié ces dernières années l’incorporation de nanomatériaux dans les matériaux à base de ciment. La combinaison de composites cimentaires et de nanomatériaux a le potentiel d'améliorer la résistance mécanique des structures en béton résultantes11,12,13,14,15. La nano-silice est un nanomatériau couramment utilisé dans les composites à base de ciment. Ce matériau accélère l’hydratation du ciment en générant du silicate de calcium hydraté (C – S – H) et en dissolvant des silicates tricalciques (C3S)16. De plus, la nano-silice agit comme un germe pour la nucléation C-S-H, ce qui accélère l'hydratation du ciment16. L’ajout de nano-silice aux matériaux à base de ciment peut améliorer leur durabilité, leur maniabilité et leurs propriétés mécaniques17. Les particules Nano-Al2O3, quant à elles, peuvent augmenter la résistance à la compression des matériaux à base de ciment18,19. Dosées à 0,25 % en poids de ciment, les nanofibres Al2O3 peuvent augmenter la résistance à la compression des matériaux à base de ciment jusqu'à 30 %16. Les nanoparticules améliorent la résistance et la durabilité du béton en stimulant la réaction d'hydratation et en remplissant les micropores de la structure de la pâte de ciment. Cela diminue la porosité du béton, améliorant ainsi la résistance et les propriétés mécaniques du mortier de ciment10.