D'un point de vue terminologique, le ciment géopolymèreJoseph Davidovits, (1991), Geopolymers: Inorganic Polymeric New Materials, J. Thermal Analysis, 37, 1633–1656. Voir aussi 24 de : Joseph Davidovits, Geopolymer Chemistry and Applications, Institut Géopolymère, Saint-Quentin, France, 2008, (, 2011). est un liant qui durcit à la température ambiante, à l'instar du ciment Portland. Si un composé géopolymère nécessite l'action de la chaleur, il ne peut être appelé ciment géopolymère, mais plutôt liant géopolymère.
vignette|300px|Ingrédients nécessaires pour fabriquer un ciment géopolymère.
Le ciment géopolymère est un matériau innovant et une véritable alternative au ciment Portland classique pour une utilisation dans des applications en génie civil, en construction et en off shore. Il nécessite une transformation minimale de certains matériaux géologiques naturels ou sous-produits industriels, tout en réduisant considérablement son empreinte carbone. Il est en plus très résistant à la plupart des agressions chimiques qui sont la plaie des bétons conventionnels.
Pour fabriquer un ciment géopolymère on emploie un silicate d'alumine, un réactif alcalin inoffensif d'emploi (user-friendly)Voir les exemples à : Geopolymer Institute, page (silicates solubles de sodium ou de potassium avec un rapport molaire SiO2:M2O > 1,65, M étant Na ou K) et de l'eau (voir la définition de réactif inoffensif user-friendly ci-dessous). C'est l'addition du cation calcium, essentiellement le laitier de haut fourneau, qui assure le durcissement à la température ambiante.
Les ciments géopolymères durcissent plus rapidement que les ciments Portland. Ils acquièrent l'essentiel de leur résistance dans les 24 heures. Cependant, ils ont un temps de prise suffisamment long pour qu'ils puissent être mélangés dans une centrale à béton et livrés dans une bétonnière. Le ciment géopolymère possède également la capacité de former une forte liaison chimique avec tous les types de granulats à base de roches de toutes sortes. En , la Federal Highway Administration, agence fédérale dépendant du Département américain des Transports, a publié une TechBrief intitulée « béton géopolymère » qui déclare (traduction de l'américain). :
Il y a souvent confusion entre la signification des deux termes « ciment géopolymère » et « béton géopolymère ». Un ciment est un liant alors que le béton est le matériau composite résultant de l'addition de ciment à des agrégats. En d'autres termes, pour produire un béton on achète un ciment (généralement du ciment Portland ou du ciment géopolymère) et on l'ajoute à la gâchée de béton. La chimie des géopolymères a dès le départ fabriqué des liants et des ciments pour différents types d'applications. Par exemple, la société britannique banah UK vend son banah-Cem™ en tant que ciment géopolymère, alors que la société australienne Zeobond (www.zeobond.com) commercialise son E-crete™ comme du béton géopolymère.
Chimie du ciment Portland vs chimie du ciment géopolymère thumb|275px|Comparaison entre chimie ciment Portland et chimie géopolymère.À gauche : durcissement du ciment Portland (PC) par simple hydratation du silicate de calcium en disilicate de calcium hydraté (CSH) et hydroxyde de calcium Ca(OH)2.À droite : durcissement (prise) du ciment géopolymère (GP) par polycondensation d'oligo-(sialate-siloxo) de potassium en poly(sialate-siloxo) de potassium réticulé.
Matériaux à activation alcaline ou ciments géopolymères La chimie de la géopolymérisation nécessite une terminologie appropriée et des notions qui sont évidemment différentes de celles utilisées par les experts du ciment Portland. L'article principal Géopolymère résume comment les ciments géopolymères appartiennent à la catégorie polymère inorganique. Il s'agit d'un débat de fond sur lequel l'institution australienne Geopolymer Alliance. a jugé bon de déclarer sur son site Internet (traduction de l'anglais) : .
En effet, le ciment géopolymère est parfois confondu avec l'activation alcaline des ciments et du béton, développée il y a plus de 50 ans par G.V. Glukhovsky en Ukraine soviétiqueGluchovskij V.D., Gruntosilikaty, Gosstrojizdat Kiev 1959, brevet USSR (1967), brevet USSR 449894 (Patent appl. 1958, granted 1974).. Ces matériaux furent d'abord connus sous les noms de soil silicate concrete et soil ciment. Parce que les bétons de ciment Portland peuvent être affectés par les effets destructeurs de la réaction alcali-granulat (RAG), en anglais AAR ou réaction alcali-silice (en anglais ASR) (voir par exemple le comité RILEM 219-ACShttp://www.rilem.org/gene/main.php?base=8750&gp_id=229 ), le libellé « alcali-activation » ou « activation alcaline » a un impact négatif sur les ingénieurs en génie civil, travaux publics et bâtiment. Pourtant, plusieurs experts en science des ciments continuent de promouvoir l'idée d'activation-alcaline ou de matériaux géopolymères alcalins-activés. Ces ciments appelés « AAM » (alkali-activated materials) regroupent les domaines spécifiques de l'activation alcaline des laitiers, des cendres volantes, des ciments composés (voir RILEM Comité technique DTA)http://www.rilem.org/gene/main.php?base=8750&gp_id=290 . À l'opposé, les ciments géopolymères ne génèrent aucune de ces réactions destructrices (voir ci-dessous dans Propriétés).
Réactifs alcalins inoffensifs thumb|Liste des ingrédients considérés dangereux (hostile) ou inoffensifs (friendly)
Bien que la géopolymérisation ne repose pas sur des solvants organiques toxiques, mais seulement sur l'eau, il faut des ingrédients chimiques qui peuvent être dangereux et nécessitent donc des procédures de sécurité. Les règles de sécurité des produits chimiques classent les produits alcalins dans deux catégories : les produits corrosifs (nommés ici hostiles) et les produits irritants (nommés ici inoffensifs (friendly)). Les deux classes sont reconnaissables par leurs logos respectifs.
Le tableau dresse la liste des produits chimiques alcalins et leur étiquette de danger correspondanteVoir en réf. 2. Les produits corrosifs doivent être manipulés avec des gants, des lunettes et des masques. Ils sont hostiles à l'utilisateur et ne peuvent pas être mis en œuvre dans des applications de masse sans respecter les procédures de sécurité appropriées. Dans la deuxième catégorie, on trouve le ciment Portland ou la chaux hydratée, produits typiques de masse. Les réactifs alcalins géopolymères appartenant à cette classe peuvent aussi être appelés inoffensifs (user-friendly).
Malheureusement, le développement de ce que l'on appelle les ciments alcalis activés ou géopolymères à activation alcaline (cette dernière appellation étant une mauvaise terminologie), ainsi que plusieurs recettes trouvées dans la littérature et sur l'Internet, en particulier ceux à base de cendres volantes, comprennent des rapports molaires SiO2:Na2O inférieurs à 1,20, en moyenne inférieurs à 1,0. Pire encore, ne regardant que des considérations de coût, et non de sécurité vis-à-vis des ouvriers, ces recettes proposent des systèmes basés sur la soude pure (NaOH ou ). Il s'agit de conditions hostiles à l'utilisateur et elles ne peuvent pas être utilisées par la main-d'œuvre ordinaire. En effet, les lois, les règlements et directives étatiques recommandent l'application de règles strictes de protection de la santé et des protocoles de sécurité pour les travailleurs.
Au contraire, les recettes de ciment géopolymère impliquent généralement des silicates solubles alcalins possédant un rapport molaire SiO2:M2O variant de 1,45 à 1,95, pour l'essentiel de 1,60 à 1,85, à savoir des conditions inoffensives. Il peut arriver que, pour la recherche, on emploie des recettes de laboratoire ayant des ratios molaires variant de 1,20 à 1,45.
Catégories Les catégories comprennent : ciment géopolymère à base de laitierDavidovits J. et Sawyer J.L., (1985), Early high-strength mineral polymer, US Patent 4,509,985, 1985, filed February 22, 1984. The first commercial geopolymer cement was coined Pyrament 2000™ designed for repair and patching operations. ; ciment géopolymère à base de rocheGimeno D., Davidovits J., Marini C., Rocher P., Tocco S., Cara S., Diaz N., Segura C. et Sistu G. (2003), Development of silicate-based cement from glassy alkaline volcanic rocks: interpretation of preliminary data related to chemical- mineralogical composition of geologic raw materials. Paper in Spanish, Bol. Soc. Esp. Cerám. Vidrio, 42, 69–78. [Results from the European Research Project GEOCISTEM (1997), Cost Effective Geopolymeric Cements For Innocuous Stabilisation of Toxic Elements, Final Technical Report, avril 30, 1997, Brussels, Project funded by the European Commission, Brite-Euram BE-7355-93, janvier 1994 au 28 février 1997]. ; ciment géopolymère à base de cendres volantes : type 1 : activation alcaline des géopolymères à base de cendres volantesPalomo, A., Grutzeck, M.W. et Blanco, M.T. (1999), Alkali-activated fly ashes: a cement for the future, Cement Concrete Res, 29, 1323–1329., type 2 : ciment géopolymère à base de laitier/cendres volantesGEOASH (2004–2007), The GEOASH project was carried out with a financial grant from the Research Fund for Coal and Steel of the European Community. The GEOASH project is known under the contract number RFC-CR-04005. Il implique : Antenucci D., ISSeP, Liège, Belgique, Nugteren H. et Butselaar-Orthlieb V., Delft University of Technology, Delft, Pays-Bas, Davidovits J., Cordi-Géopolymère SARL, Saint-Quentin, France, Fernández-Pereira C. et Luna Y., University of Seville, School of Industrial Engineering, Sevilla, Espagne, Izquierdo et M., Querol X., CSIC, Institute of Earth Sciences, Jaume Almera, Barcelone, Espagne.Izquierdo M., Querol X., Davidovits J., Antenucci D., Nugteren H. et Fernández-Pereira C., (2009), Coal fly ash-based geopolymers: microstructure and metal leaching, Journal of Hazardous Materials, 166, 561–566.Voir 12 dans J. Davidovits' book, Geopolymer Chemistry and Applications. ; ciment géopolymère à base de ferrosialateDavidovits J. et al., Geopolymer cement of the Calcium-Ferroaluminium silicate polymer type and production process, brevet PCT publication WO 2012/056125..
Ciment géopolymère à base de laitier
Matières premières : métakaolin MK-750, laitier de haut-fourneau, silicate alcalin (user-friendly).
Structure géopolymère : Si:Al = 2 ; en fait, solution solide de Si:Al = 1, Ca-poly(disialate), de type anorthite + Si:Al = 3, K-poly(sialate-disiloxo), de type orthose et disilicate de calcium hydraté (CSH).
Le ciment géopolymère développé initialement dans les années 1980 était du type (K,Na,Ca)-poly(sialate) (ou ciment géopolymère à base de laitier) et résultait de la recherche menée par Joseph Davidovits et J.L. Sawyer chez Lone Star Industries, États-Unis. Elle a abouti à l'invention du ciment Pyrament bien connu de la profession. La demande de brevet américain a été déposée en 1984 et le brevet américain US 4509985 a été accordé le avec le titre Early high-strength mineral polymer.
Ciment géopolymère à base de roche Le remplacement d'une certaine quantité de MK-750 avec des tufs volcaniques sélectionnés, permet l'obtention de ciments géopolymères ayant des propriétés meilleures et émettant moins de que le simple ciment géopolymère à base de laitier.
Matières premières : métakaolin MK-750, laitier de haut fourneau, tufs volcaniques (calcinés ou non calcinés), résidus miniers + silicate alcalin (user-friendly).
Structure géopolymère : Si:Al = 3; en fait, solution solide de Si:Al = 1, Ca-poly(disialate) (de type anorthite) + Si:Al = 3-5, (Na,K)-poly(sialate-multisiloxo) et disilicate de calcium hydraté (CSH).
Ciment géopolymère à base de cendres volantes