Matériaux composites conducteurs d'électricité avec déchets incorporés et matières premières secondaires

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 9023 (2023) Citer cet article

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Les composites de silicate ont une très faible conductivité en général. Il est possible d'obtenir une diminution de la résistivité électrique en ajoutant une charge électroconductrice. Le mélange conducteur est constitué de liant cimentaire, de divers types de sable siliceux et de charges conductrices à base de graphite. L'un des axes de recherche est la substitution partielle des matières premières ordinaires par des composants alternatifs (déchets, sous-produits et matières premières secondaires) et son influence sur les propriétés des composites. Les composants alternatifs étudiés étaient les cendres volantes en remplacement partiel du liant, les déchets de graphite provenant de deux sources différentes et les copeaux d'acier en remplacement de la charge conductrice. La résistivité des échantillons à base de silicate conducteur durci a été analysée en relation avec les modifications des propriétés physico-mécaniques dans le contexte des modifications microstructurales de la matrice cimentaire durcie (par microscopie optique et électronique à balayage avec analyse par dispersion d'énergie). La substitution partielle du ciment par des cendres volantes réduit la résistivité électrique du composite. Certaines des charges de déchets de graphite réduisent considérablement la résistivité du composite de ciment et augmentent la résistance à la compression. Il a été prouvé qu'il est possible de remplacer les charges conductrices primaires par des matières premières secondaires.

Les matériaux composites sont l'un des matériaux de construction les plus avancés. Ces matériaux sont utilisés dans toutes les branches de l'industrie. Leur plus grand avantage est la possibilité de modifier directement les propriétés dans le but d'utilisation. Ces propriétés peuvent être modifiées en utilisant différents types et combinaisons de matrices et de charges1,2. La matrice forme la phase dite continue du matériau et affecte principalement les propriétés physiques et mécaniques, la résistance chimique, la conductivité thermique, la résistance au feu et autres de l'ensemble du matériau composite3. Les matrices sont majoritairement à base de silicate, de polymère ou de géopolymère4. Pour la plupart des matériaux composites, les charges réduisent considérablement le prix du matériau et affectent davantage la densité apparente, la conductivité électrique, l'absorption, etc.5,6.

Un composite électriquement conducteur peut être défini comme un matériau composite qui contient une quantité suffisante de composants électriquement conducteurs pour obtenir une conductivité électrique stable et relativement élevée. La conductivité électrique est liée à la résistivité ou à la résistance, c'est une valeur inverse. Pour les matériaux solides, nous pouvons diviser la conductivité électrique en conductivité interne et superficielle. La conductivité interne est liée à la structure, à la quantité et à la nature des composants conducteurs utilisés, tandis que la conductivité électrique de surface dépend principalement de la teneur en eau du matériau.

La conductivité des matériaux composites dépend de la mobilité des électrons. Les matériaux à base de ciment ont généralement une résistivité de 6,5·105 à 11,4·105 Ω·cm7, on peut donc dire qu'ils ne sont même pas un bon conducteur comme le cuivre, qui a une résistivité d'environ 1,7·10–8 Ω·cm8, ni un bon isolant (par exemple le Téflon avec une résistivité approximative de 1015 à 1020 Ω·cm)9. En ajoutant des composants conducteurs tels que la suie, le graphite, les fibres de carbone et d'acier, sa résistivité peut être considérablement réduite tout en conservant de bonnes propriétés mécaniques10.

La clé de l'excellente électroconductivité du matériau composite est la création d'un réseau parfaitement conducteur de l'électricité dans sa structure. Plus ce réseau conducteur est fort, plus la conductivité électrique du matériau est importante. Ceci est également associé à la force maximale du courant électrique qui peut le traverser. Une fois que la structure conductrice interconnectée est intacte dans le matériau composite, la résistance du matériau lui-même est considérablement réduite, cette limite est appelée seuil de percolation, et il en résulte que l'ajout ultérieur du matériau n'affecte plus la résistivité11. Le réseau électriquement conducteur peut être constitué au mieux de matériaux conducteurs et de forme aciculaire et allongée grâce auxquels ils peuvent facilement transférer du courant électrique à travers une matrice non conductrice sur de plus longues distances, tels que des nanotubes de carbone, des fibres d'acier, etc. Le problème survient lorsque ces composants aciculaires ne sont pas en contact direct. par conséquent, une combinaison d'utilisation de plusieurs types d'éléments conducteurs ou d'augmentation de leur proportion dans le matériau est appropriée. De plus, la conductivité du composite est principalement affectée par la densité, la teneur en cavités d'air, l'orientation directionnelle de la charge ou des fils, ainsi que leur dispersion dans le composite. Conductivité électrique (principe, réseaux internes et structures).

Le passage d'une charge électrique peut se produire dans des matériaux composites conducteurs à travers une ligne de contact direct, une ligne tunnel ou de saut et une ligne ionique. Les électrons traversent les éléments conducteurs du matériau (charge conductrice), tandis que les ions proviennent de la masse matricielle, qui agit ici comme un électrolyte. De plus, la conduction électronique est efficace pour les fibres d'acier et les charges de carbone telles que les fibres de carbone, les nanotubes/nanofibres de carbone et la suie7,12,13.

Le mécanisme de conduction électrique proprement dit des matériaux composites conducteurs est par nature un système très complexe. Les types de conductivité suivants coexistent dans le composite et sont interdépendants. La relation entre la résistance électrique du courant continu et le temps peut indiquer quel type de conductivité électrique (la ligne tunnel, la ligne de saut et la ligne ionique) domine dans le composite. Lorsque la conduction ionique est dominante, la résistance électrique continue augmente évidemment avec le temps de mesure en raison de l'effet de polarisation ; pendant ce temps, la résistance électrique du courant alternatif est constante. De plus, la relation courant-tension peut indiquer si la conductivité électrique du composite est causée par un tunnel/saut ou un contact direct de charges conductrices adjacentes. La relation entre le courant linéaire et la tension indique que le contact direct des charges conductrices adjacentes est le mécanisme conducteur dominant. En revanche, le saut de conductivité induirait une relation non linéaire entre le courant et la tension dans la conductivité électrique de ce composite1,14.

Toutes les propriétés électroconductrices du composite sont directement liées à la nature et aux propriétés de la charge et de la matrice et aux interactions entre elles, c'est donc le moyen le plus simple de vérifier ces propriétés par des expériences.

Les composites conducteurs peuvent être divisés en deux types, les composites à fibres conductrices et les composites contenant une charge conductrice. En pratique, cependant, leur combinaison est le plus souvent utilisée pour obtenir des effets synergiques.

Les composites conducteurs renforcés de fibres présentent des propriétés mécaniques améliorées telles que la résistance à la compression et à la traction. D'autre part, il peut se produire des zones à conductivité réduite en raison d'un faible contact fibre à fibre, qui ne connectent pas le réseau électriquement conducteur, créant une "impasse" entre les matériaux conducteurs tels que les fibres de carbone et d'acier.

Les composites contenant des charges conductrices présentent une conductivité accrue avec une valeur de résistance de 10 à 30 Ω·cm, mais ont une résistance à la compression relativement faible (moins de 25 MPa) qui dépend de la quantité et du type de charge. En raison de la grande surface spécifique de ces charges, une teneur en eau plus élevée est également nécessaire lors du mélange pour compenser l'absorption par des agrégats conducteurs tels que le graphite, la suie ou le coke. Une augmentation du coefficient d'eau entraîne une diminution significative de la résistance à la compression.

Le plus grand potentiel d'utilisation des composites conducteurs se trouve dans les structures civiles. Grâce à la capacité de détecter les contraintes internes, les déformations, les fissures et les dommages, le béton de détection lui-même peut remplacer les capteurs ou détecteurs intégrés ou connectés, qui sont désavantageux en raison du coût élevé, de la faible durée de vie, du volume de détection limité et de la dégradation.

Les charges à haute teneur en carbone (supérieure à 90 %), comme la suie, sont le plus souvent utilisées comme charges conductrices d'électricité15, la poussière de carbone (graphite)16, la microsilice17, les fibres de carbone18, les nanotubes de carbone19 et les nanoparticules comme le graphène20. La structure différente des formes individuelles de carbone est basée sur leur arrangement moléculaire. Certaines options de disposition peuvent être vues sur la Fig. 1. La combinaison de charges sphériques électriquement conductrices avec des tubes à aiguilles s'est avérée la plus efficace. Étant donné que ces charges réduisent généralement de manière significative la résistance à la compression et à la traction, il convient de les combiner davantage avec des fibres d'acier, qui contribuent également à la réduction de la résistivité du matériau21.

Structure de la modification du carbone (a) graphite ; (b) fullerènes ; (c) graphène; (d) nanotubes (photo de l'auteur).

La prise de conscience environnementale et sociale croissante oblige l'industrie de la construction à accorder une plus grande importance à l'environnement et à la durabilité des matériaux développés. Il vise également à promouvoir la consommation appropriée des ressources naturelles, le recyclage et la réutilisation des déchets et des matières premières. Les matières premières secondaires constituent une partie importante de la base de matières premières pour la plupart des types d'industrie. Grâce à l'utilisation de matières premières secondaires, il est possible de réduire la consommation de matières premières primaires, qui sont dans la plupart des cas non renouvelables22. Les matières premières secondaires remplacent et facilitent en même temps les processus technologiques dans la production de divers matériaux, réduisant ainsi la demande énergétique et matérielle des produits23.

Comme matière première secondaire, on peut considérer tout matériau qui a cessé d'être un déchet ou qui n'est plus un déchet. La matière première secondaire sert d'intrant pour la production et remplace la matière première primaire. Ils ont généralement le caractère de sous-produits de la production qui ont rempli les conditions et les critères d'une utilisation ultérieure. Selon leur origine, les matières premières secondaires peuvent être réparties en : sous-produits, déchets traités, matières issues de produits soumis à reprise et autres produits en fin de vie, matières premières entrantes non utilisées et matières remises à un nouvel usage. Les matières premières secondaires utilisées dans la construction comprennent, par exemple : les cendres volantes à haute température, la fumée de silice, le laitier de haut fourneau, le laitier d'acier.

Les matières premières secondaires dans la production de matériaux composites électriquement conducteurs peuvent être utilisées en remplacement partiel du ciment, en remplacement des granulats ou en remplacement partiel des charges. Les matières premières secondaires pouvant remplacer une partie du ciment et pouvant également améliorer les propriétés électriques du composite sont les cendres volantes à haute température. Les propriétés et la composition des cendres volantes sont variables et dépendent de la composition du charbon brûlé, de la technologie et du processus de combustion. En raison de sa composition, la cendre volante est considérée comme une pouzzolane technogène et contribue à la résistance à long terme de la matrice cimentaire et, grâce à la teneur en carbone résiduel, augmente également les propriétés conductrices de l'électricité24. Les cendres volantes améliorent encore la résistance aux environnements chimiquement agressifs, la résistance à l'eau sous pression et réduisent le développement de la chaleur d'hydratation pour une utilisation dans des structures massives25. En remplacement des granulats, il convient d'utiliser des matériaux avec la fraction appropriée et de préférence avec des propriétés mécaniques similaires. Les matières premières à haute teneur en carbone sont particulièrement adaptées en remplacement partiel de la charge conductrice. Par exemple, les déchets de graphite, qui se forment lors de la production de graphite primaire, conviennent pour remplacer la charge électriquement conductrice. De plus, des matières premières conductrices à base de fer, de cuivre ou d'autres matériaux conducteurs peuvent être utilisées26.

En termes de durabilité environnementale, les matières premières telles que le ciment et la poudre de graphite sont un problème important et contribuent également de manière significative au coût du composite lui-même. La plupart des études et projets de recherche utilisent principalement des poudres de carbone primaire ou des mélanges de différentes fractions. L'objectif de cette étude est d'examiner les avantages potentiels de l'utilisation de déchets et de matières premières alternatives pour les composites électriquement conducteurs. Déterminer leur compatibilité avec la matrice, préciser les avantages mais aussi les inconvénients de l'utilisation de ces matières premières.

La composition du mélange composite électroconducteur est basée sur un mélange de référence vérifié issu de recherches antérieures. Le ciment (CEM I 42.5 R) est utilisé comme liant. Le filler était composé d'un mélange de sables siliceux et de calcaire microbroyé. Des poudres de graphite de nature différente ont été utilisées comme charge conductrice, qui ont ensuite été partiellement remplacées par des déchets de graphite et de la sciure de bois. De plus, un superplastifiant a été utilisé pour obtenir une consistance appropriée27.

Le ciment Portland local CEM I 42.5 R (selon EN 197-128) a été choisi. Les principales propriétés sont présentées dans le tableau 1.

Granulat selon EN 1262029—granulat adapté au béton. C'est un mélange de trois types de sables siliceux avec une fraction de 0,1 à 4,0 mm. Les propriétés de base des sables sont présentées dans le tableau 1.

Calcaire micro-broyé VBS 40 (nom commercial du produit). Le calcaire a été utilisé comme charge fine pour modifier la consistance du mélange. Les propriétés de base du calcaire sont répertoriées dans le tableau 1.

Superplastifiant réducteur d'eau "Stachement 2180.1" sous forme liquide, à base de polycarboxylate selon la norme EN 934-130.

Il s'agit de cendres de charbon, qui ont été produites à une température de 1 200 à 1 700 °C dans la chaufferie. Les cendres volantes Arcelor-Mittal (AM) ont été choisies sur la base de la perte de recuit plus élevée (22 %) par rapport aux cendres volantes de béton conventionnel, qui ont une perte maximale au feu de 5 % (selon EN 450-1 : Cendres volantes pour béton - Partie 1 : Définition, spécifications et critères de conformité31). L'augmentation du contenu non brûlé dans les cendres volantes peut potentiellement réduire la résistivité électrique. Une perte au feu plus élevée peut également affecter négativement la durabilité du composite, un facteur qui sera pris en compte dans les recherches futures. À titre de comparaison, la résistivité des cendres volantes avec une perte de recuit inférieure à 5 % a été déterminée comme étant comprise entre 6·105 et 2,2·106 Ω·cm, tandis que les cendres volantes AM atteignent une résistivité de 2,1·104 Ω·cm à 22,2 % de perte de recuit.

Les cendres volantes sont généralement composées de phases cristallines et amorphes et se composent de particules sphériques. Les cendres volantes elles-mêmes n'ont pas de propriétés hydrauliques. Cependant, lorsqu'il est mélangé avec de l'hydroxyde de calcium, il réagit pour former des produits similaires à ceux formés lorsque le ciment Portland est hydraté. Les cendres volantes ont été sélectionnées en raison de leur forte perte de recuit et de leur effet potentiel sur l'amélioration des propriétés de conductivité32. Les principales propriétés des cendres volantes sont indiquées dans le tableau 1, les propriétés supplémentaires dans le tableau 2.

Des poudres de graphite à haute teneur en carbone, qui ont également été utilisées dans des recherches antérieures, ont été utilisées comme charges primaires. Les charges de graphite utilisées ont différentes propriétés, granulométrie, forme, capacité d'absorption, etc. Des propriétés sélectionnées des charges de graphite sont présentées dans les tableaux 1 et 327.

La poudre de graphite PG-C a des grains de type flocons. Ce graphite est naturel avec une teneur en carbone de 99,5 %. La taille des grains est jusqu'à 0,4 mm. Les paramètres de ce graphite sont dans les tableaux 1 et 3.

La poudre de graphite PG-F est du graphite naturel avec un grain très fin. Selon le fabricant, ce graphite a des propriétés électro-conductrices améliorées grâce à une surface modifiée par des nanoparticules, voir Fig. 3b. Ce graphite est composé à 99,5% de carbone. La taille des particules peut atteindre 6 μm. Les principaux paramètres de ce graphite sont dans les tableaux 1 et 3.

Ce type de déchets de poudre de graphite est un mélange de fines poudres de graphite. Il s'agit du matériau issu du dépoussiérage de l'équipement, où divers mélanges lubrifiants sont combinés et certains des composants sont aspirés hors de l'équipement sous forme de poudre (notamment du graphite) afin que cette poudre ne pollue pas la zone de travail de l'opérateur de l'équipement. Il s'agit principalement de graphite fin (jusqu'à une granulométrie moyenne d'environ 10 microns), avec la possibilité d'une quantité minimale d'autres poudres, telles que des particules de cellulose, de verre soluble, de soude.

Il s'agit des déchets de poudre de graphite qui sont aspirés des sols des halls de production où sont produites les charges primaires de graphite précitées. Il est donc composé de plusieurs types de graphite et il existe également une possibilité de pollution par des poussières ou autres particules étrangères (ex : poussière de la rue, saleté apportée par les employés, saleté des chariots élévateurs et engins de manutention similaires, etc.).

Ces copeaux d'acier sont produits en tant que déchets de la coupe et du broyage de produits métallurgiques. Ces particules sont constituées de fibres plates et plus longues qui sont enroulées en particules sphériques de 1,0 à 5,0 mm de diamètre. Les copeaux d'acier sont des déchets de construction et d'acier de construction. En raison de leur composition et de leurs propriétés électroconductrices potentielles, ils ont été sélectionnés comme possible matière première secondaire adaptée à la formation de composites électroconducteurs. L'inconvénient de cette matière première est qu'un lubrifiant est utilisé dans la production de ce matériau, qui doit être éliminé avant le traitement ultérieur. L'élimination de ce lubrifiant se fera avec un détergent à l'eau, dans lequel ces copeaux sont lavés puis rincés à l'eau claire juste avant d'être ajoutés au mélange.

Les propriétés des déchets de poudres de graphite et des copeaux d'acier sont présentées dans les tableaux 1 et 3.

La grande surface spécifique des poudres de graphite se traduit par une capacité d'absorption, ce qui augmente par la suite la maniabilité du mélange. En conséquence, le mélange nécessite une plus grande quantité d'eau de mélange, ce qui augmente par la suite la porosité de la masse résultante et affecte négativement la densité du matériau, ce qui est lié à la conductivité électrique inférieure du matériau.

La figure 2 montre une comparaison des courbes en S de la taille des grains des matériaux utilisés. Pour les matériaux avec des grains inférieurs à 1 mm, un Malvern Mastersizer 2000 a été utilisé (avec une unité de dispersion humide ; dispersant propan-2-ol ; les particules de dispersion ont été réalisées à l'aide d'une unité de sonication). Pour les matériaux dont la granulométrie est supérieure à 1 mm (Sable 1,6/4), la courbe de répartition a été déterminée par la méthode des tamis selon la norme EN 933-133. Ces matériaux ont également été vérifiés dans des recherches antérieures utilisant la même méthodologie. Les matériaux d'entrée sont présentés en macrophotographies sur la Fig. 3 (la distance des marques est de 1 mm) et en microphotographies sur la Fig. 327.

Courbe granulométrique des matériaux utilisés.

La microstructure des particules de charge : (a) particule PG-C (b) particule PG-F (c) particule WG-GF (d) particule WG-HF (e) copeaux d'acier, (f) particule AM de cendres volantes.

Comme on peut le voir sur la figure 3, les particules de graphite sont basées sur des amas d'atomes de carbone empilés dans des lamelles aromatiques hexagonales. Selon le fabricant, le PG-F est déclaré comme du graphite à conductivité électrique modifiée, sa surface est modifiée avec des nanoparticules comme on peut le voir sur la Fig. 3b.

La taille, le type de particules et leur surface spécifique affecteront la consistance du mélange. Le but est de créer un réseau électriquement conducteur parfaitement connecté à partir de ces charges. Plus ce réseau est connecté, plus le flux de courant est stable. Pour cette raison, des charges avec un type de particules différent ont été choisies.

Le composite est à base de silicate, le ciment Portland est utilisé comme liant, le calcaire micro-broyé et un mélange de sable d'une granulométrie allant jusqu'à 4 mm sont utilisés comme charges. La courbe des agrégats a été établie selon Fuller. Deux principaux types de graphite PG-C et PG-F ont été ajoutés comme milieu conducteur. Un plastifiant a été ajouté pour maintenir la consistance appropriée du mélange. Le mélange a été humidifié à la même consistance de 150 ± 10 mm selon EN 1015-334. La figure 4 montre la composition du mélange de référence et des mélanges comprenant le composite conducteur de référence. Leurs principales propriétés (avec charge conductrice fine et grossière) sont indiquées dans le tableau 4.

Composition du mélange pour la vérification de la résistivité du composite, quantité en % en poids : (a) mélange de base ; (b) mélange avec la charge conductrice.

Le composite de référence atteint une résistance de 50 MPa après 7 jours. Ce mélange de base a été conçu pour être résistant physiquement et mécaniquement afin de garantir des propriétés mécaniques adéquates même après incorporation de charges électroconductrices. La courbe granulométrique globale a été compilée selon les courbes idéales de Fuller.

Par la suite, le ciment CEM I 42,5 R a été partiellement remplacé par des cendres volantes à haute température à raison de 20 %, 30 % et 40 % en poids.

Les cendres volantes AM à haute température avec une perte de recuit plus élevée (plus de 5%) ont été choisies comme substitut du ciment. Les cendres volantes sont couramment utilisées pour remplacer partiellement le ciment dans les mélanges de béton. La dose habituelle pour une utilisation normale est de l'ordre de 15 à 35 % du remplacement en poids de ciment. La composition détaillée des mélanges pour vérifier la possibilité d'un remplacement partiel du ciment est indiquée dans le tableau 5.

Des poudres de graphite usagées ont été proposées en remplacement partiel des charges conductrices primaires. Il s'agit des déchets de graphite WG-GF et WG-HF, ces charges graphites permettent d'améliorer les propriétés électroconductrices, notamment par une répartition des particules diversifiée, et de réduire significativement la consommation de charges conductrices primaires, ce qui aurait un impact significatif sur l'impact économique et environnemental de ces matériaux. Parmi d'autres substituts alternatifs, des copeaux d'acier ont été proposés, qui ont également été testés comme substitut aux granulats.

Des substitutions de 30% et 50% en volume ont été proposées. Les deux variantes seront testées sur les trois types de remplacements et seront testées pour le composite de charge fine PG-C ainsi que pour le composite de charge grossière PG-C, qui ont été identifiés comme composites de base. La composition des mélanges est donnée dans les tableaux 6 et 7.

Sur la base de recherches antérieures, la densité apparente, la surface spécifique, la taille des grains et la taille des particules, l'absorbance et la résistivité ont été déterminées sur les matières premières utilisées. Dans le cas des matières premières, le type de particules a également été déterminé à l'aide de microscopes. Les propriétés physiques et mécaniques des composites ont été vérifiées, notamment la résistance à la traction en flexion après flexion et la résistance à la compression après 28 jours. De plus, la résistivité des composites a été déterminée, et enfin les structures ont été analysées à l'aide d'un microscope optique avec filtres polarisants et d'un microscope électronique à balayage.

La masse volumique apparente a été établie selon la norme EN 1097-329.

La masse volumique a été déterminée par des méthodes pycnométriques dans l'alcool technique conformément à la norme EN 1097-631.

La gravité spécifique a été déterminée à l'aide d'un pycnomètre à hélium AccuPyc II 1340. Cette méthode pycnométrique utilise des gaz inertes tels que l'hélium ou l'azote pour déterminer le poids spécifique.

Pour les matériaux dont la granulométrie est supérieure à 1 mm, la courbe de distribution a été déterminée par analyse au tamis selon la norme EN 933-133 sur un ensemble normalisé de tamis.

Pour les matériaux dont la granulométrie est inférieure à 1 mm, la courbe de distribution a été établie à l'aide d'une analyse par diffraction laser sur l'appareil Malvern Mastersizer 2000 selon la norme EN ISO 1332035.

La surface spécifique des matériaux a été déterminée par la méthode BET selon la norme EN ISO 927736.

En raison de la surface spécifique élevée des charges électroconductrices, leur capacité d'absorption a été déterminée à l'aide d'un ensemble de mesure avec un entonnoir Büchner selon la norme EN 1305537. L'absorption d'eau est notée WA(t), où "t" représente le temps pendant lequel l'échantillon est laissé saturé. Selon des recherches antérieures, le même temps t = 5 min a été utilisé dans la mesure27.

La résistivité des matières premières d'entrée a été déterminée de la même manière que dans les recherches précédentes, car elle n'est pas déterminée par la norme. La simplicité et la répétabilité de la mesure ont été prises en compte. Des cellules de mesure ont été produites par impression 3D et ont ensuite été équipées d'électrodes pour la mesure de la résistivité. Par la suite, la résistivité du matériau a été déterminée27.

Le dispositif préparé (voir Fig. 5) avec des électrodes a été partiellement rempli jusqu'à environ 90 % de sa capacité avec le matériau. L'échantillon a ensuite été comprimé à la pression de 100 N à l'aide d'une presse (pression 1,67 N/mm2). À l'aide d'un appareil de mesure de table GW Instek LCR-6020, l'impédance du matériau a été établie et la résistivité a ensuite été calculée à partir de celle-ci. La même méthodologie a également été utilisée dans des recherches antérieures27.

(a) Détail des électrodes ; (b) L'appareil de mesure avec un échantillon lors de la mesure de la résistivité d'une poudre de graphite lors de l'application d'une pression de 100 N sur l'échantillon.

Sur la base de recherches antérieures, l'appareil de mesure de l'impédance a été créé par une imprimante 3D utilisant un plastique PETG non conducteur. La cellule de mesure mesure 10 mm de large, 60 mm de long et 50 mm de profondeur. Deux électrodes opposées ont été insérées dans l'appareil, espacées de 60 mm, qui sont, lors de la compression du matériau, ensuite fixées à un appareil de mesure (voir Fig. 5b). CC.

La consistance a été déterminée conformément à la norme EN 1015–3 Partie 3 : Détermination de la consistance du mortier frais (par table de flux)34. Le déversement requis était de 150 ± 10 mm.

Les matériaux ont été homogénéisés à sec pendant 2 min. Après cela, de l'eau avec un additif plastifiant a été ajoutée. Le mélange a ensuite été coulé dans des moules 40 × 40 × 160 (mm) selon la norme EN 196-138 et densifié sur table vibrante. Des échantillons d'essai pour la détermination de la résistivité ont été équipés d'électrodes espacées de 12 cm dans le mélange frais. Pour les essais de résistance à la traction et à la compression en flexion, des échantillons sans électrodes ont été créés. Par la suite, les échantillons ont été placés dans un environnement aquatique, où ils ont durci pendant 7 à 28 jours27.

La détermination de la résistivité des éprouvettes a été réalisée selon une méthodologie issue de recherches antérieures. Tout d'abord, l'impédance des échantillons a été déterminée, puis elle a été convertie en résistivité. Lors de la production des échantillons de test, des électrodes en cuivre (Fig. 6a), situées à une distance de 120 mm les unes des autres, ont été intégrées, voir Fig. 6b. Les électrodes étaient en fil de cuivre d'un diamètre de 2,5 mm27.

Détermination de la résistivité : (a) un détail de l'électrode de cuivre pour mesurer la résistivité dans les éprouvettes et vérifier le contact complet de l'électrode avec la matrice du composite ; (b) un spécimen d'essai pour la mesure de la résistivité.

La résistivité a été mesurée après 28 jours sur des échantillons saturés d'eau. Par la suite, les échantillons ont été lentement séchés dans un environnement de laboratoire pendant 90 jours. Pendant le séchage, les échantillons ont été pesés et leur résistivité a été contrôlée. Après avoir atteint un poids constant, les échantillons ont été séchés à 105 ± 2 °C selon la norme ČSN EN ISO 1257027.

Les avantages de cette mesure de résistivité comprennent le contact direct du matériau avec les électrodes et le faible risque de perte de contact du matériau en raison d'un grand nombre de changements de matériau.

La porosité des échantillons d'essai a été déterminée par la relation entre la densité apparente et le poids spécifique, mesurée sur des échantillons broyés ultrafins et à l'aide d'un pycnomètre à hélium AccuPyc II 1340.

Les propriétés physico-mécaniques ont été déterminées sur éprouvettes après 28 jours de cure. La résistance à la traction en flexion a été déterminée selon la norme EN 12390-539 et la résistance à la compression selon la norme EN 12390-427,40.

La surface des particules des matériaux utilisés et la structure interne des composites ont été analysées à l'aide d'un microscope électronique à balayage. Un canon à électrons équipé d'une cathode à filament de tungstène sous une tension de 15 kV a été utilisé. L'analyse de la structure interne des pâtes de ciment et des composites a été réalisée sur les surfaces de rupture.

L'analyse dispersive en énergie du rayonnement X caractéristique est une méthode non destructive conçue pour déterminer la composition locale du matériau27.

La dispersion des particules de charge dans la section transversale du matériau a été contrôlée pour les échantillons ou sur les surfaces de fracture. Un filtre polarisant a été utilisé pour différencier les particules de carbone. Ce filtre permet une différenciation claire des particules de carbone spatialement orientées dans la matrice car elles ont un indice de réfraction différent27.

Un remplacement de 20, 30 et 40 % du volume de ciment a été proposé, soit environ 15, 25 et 35 % en poids. L'effet du remplacement partiel du ciment par des cendres volantes à haute température sur la résistivité du composite a été déterminé après 7 et 28 jours à l'état saturé et séché. Les résultats sont présentés dans les Fig. 7 et 8.

Effet du remplacement du ciment par des cendres volantes sur la résistivité des composites après 7 jours.

Effet du remplacement par des cendres volantes sur la résistivité des composites après 28 jours.

Pour les échantillons avec remplacement partiel du ciment par des cendres volantes à haute température, la résistivité des nouveaux composites à l'état saturé a diminué significativement après 7 jours. A l'état sec, une diminution significative n'est observée que pour les composites contenant du type charge grossière, voir Fig. 7.

Lors de la mesure d'échantillons saturés, la détermination de la résistance spécifique est significativement affectée par la teneur en eau de l'échantillon, mais la diminution de la résistance spécifique est toujours perceptible.

Après 28 jours de durcissement, la résistivité de tous les composites a augmenté, voir Fig. 8. La résistivité déterminée sur des échantillons saturés après 28 jours copie la tendance de la résistivité déterminée après 7 jours à l'état saturé, la résistivité est toujours affectée par la quantité d'eau contenue dans l'échantillon, à l'état séché, il existe également des tendances similaires par rapport à la résistivité après 7 jours.

Sur la base des résultats ci-dessus, on peut dire que les cendres volantes à haute température avec des pertes de recuit plus élevées sont une matière première secondaire appropriée pour réduire la résistance des composites à base de liant silicate.

D'après les résultats donnés ci-dessus, le remplacement du ciment par des cendres volantes est plus efficace pour les composites à charge grossière en termes de réduction de résistivité, voir Figs. 9 et 10. Pour le composite de type charge fine, les valeurs de résistance après 28 jours à l'état sec ont diminué d'environ 30% pour les composites de type charge grossière, cette diminution est supérieure d'environ 60%. Lorsque le pourcentage de remplacement du ciment par des cendres volantes augmente jusqu'à 30 %, les résistances des échantillons diminuent considérablement. La diminution de la résistivité est plus prononcée pour les spécimens saturés d'eau avec une teneur en cendres volantes plus élevée. Cela peut être dû à la composition chimique différente des cendres volantes et du liant de ciment. Les cendres volantes contiennent (sur la base d'une analyse chimique) une proportion plus élevée de quartz que de silicium (le silicium est un semi-conducteur connu), ainsi qu'une petite quantité de certains métaux (par exemple, le chrome, le plomb, le molybdène, le baryum) et également des sels inorganiques en quantité de 1380 ml/l. Les sels inorganiques se dissolvent au contact de l'humidité et forment un électrolyte, créant un environnement idéal pour l'électrolyse. Ce constat correspond à ce que Philathottathil a décrit dans son ouvrage41. Les sels inorganiques, lorsqu'ils sont dissous dans l'eau, se clivent en cations chargés positivement et en anions chargés négativement. Ce phénomène est appelé dissociation électrolytique. La structure poreuse remplie d'un électrolyte (une solution aqueuse de composés liés ioniquement) a tendance à se comporter comme un meilleur conducteur par rapport à une structure poreuse remplie d'eau sans sels dissociés. Après séchage des échantillons, ces chemins électrolytiques résultants sont interrompus, les pores remplis d'eau sont libérés et un espace vide se crée après eux. En conséquence, la résistivité des échantillons de graphite à gros grains PG-C a augmenté de manière significative en raison du manque de proximité avec les surfaces des grains individuels de la charge conductrice. D'autre part, dans le cas d'échantillons avec une charge à grain plus fin, il existe une nette tendance à la diminution de la résistivité avec le séchage de l'échantillon. Dans le cas d'échantillons avec une charge conductrice à grains fins, le réseau de conductivité est si dense que l'eau interstitielle rend plus difficile le transfert d'électrons entre les grains individuels. La dose optimale de ciment remplacé par des cendres volantes est de 30 % en termes de résistivité (à la fois pour les échantillons saturés et séchés).

Effet de la substitution ciment par cendres volantes sur la résistivité après 7 jours par rapport aux composites de référence (REF).

Effet de la substitution ciment par cendres volantes sur la résistivité après 28 jours par rapport aux composites de référence (REF).

La substitution partielle du ciment par des cendres volantes à haute température augmente légèrement la porosité du matériau et par conséquent réduit la densité apparente du composite. Cela peut être principalement dû à l'hydratation plus lente des cendres volantes et au caractère sphérique et caverneux des particules. Les pores ne sont pas remplis de produits d'hydratation dans la même mesure que dans le cas de doses de ciment plus élevées. La porosité augmente avec l'augmentation du dosage de cendres volantes à haute température, voir Fig. 11.

L'effet du remplacement partiel du ciment par des cendres volantes à haute température sur la densité apparente et la porosité du composite.

La résistance à la traction en flexion et la résistance à la compression ont été testées sur des éprouvettes de 40 × 40 × 160 (mm). Ces propriétés mécaniques ont été contrôlées après 28 jours à l'état saturé. Les résultats sont présentés dans les Fig. 12, 13, 14 et 15.

Effet du remplacement du ciment par des cendres volantes sur la résistance à la traction en flexion des composites après 28 jours.

Effet du remplacement du ciment par des cendres volantes sur la résistance à la traction en flexion des composites après 28 jours par rapport aux composites de référence (REF).

Effet du remplacement du ciment par des cendres volantes sur la résistance à la compression du composite après 28 jours.

Effet du remplacement du ciment par des cendres volantes sur la résistance à la compression des composites après 28 jours par rapport aux composites de référence (REF).

Comme on peut le voir ci-dessus, la résistance à la traction en flexion diminue avec l'augmentation du remplacement partiel du ciment par des cendres volantes à haute température, ces différences peuvent être causées par une croissance ralentie de la résistance causée par les cendres volantes.

La réduction de la résistance à la compression est comme la résistance à la traction en flexion affectée par une augmentation ralentie de la résistance causée par le remplacement du composant liant par des cendres volantes42.

La substitution du ciment par des cendres volantes diminue la résistance après 28 jours (environ 50 %), voir Figs. 13 et 15. Cette diminution de la résistance est due à l'augmentation ralentie de la résistance typique des cendres volantes. Alors que le ciment se comporte selon le modèle de Powers43. Selon cette théorie, la force provient de deux types généraux de liaisons cohésives : l'attraction physique entre les surfaces solides et les liaisons chimiques ; et est essentiellement liée à l'état colloïdal du produit majeur des réactions entre le ciment Portland et l'eau, et à la concentration spatiale de ce produit (gel de ciment)43. Le ciment Portland hydraté avec une teneur typique en minéraux de clinker de C3S et C2S produit environ 20 à 25 % en poids de Ca(OH)2, de ce fait, le ciment atteint des résistances à la traction en flexion et en compression44 plus élevées. Par rapport au ciment, les cendres volantes commencent à réagir avec le Ca(OH)2 plus tard, mais des quantités importantes de Ca(OH)2 et de cendres volantes n'ont toujours pas réagi même après 90 jours d'hydratation45,46. Les produits de réaction, principalement (CSH), ont un rapport CaO:SiO2 (c/s)45 plus faible. Les propriétés mécaniques du composite avec le remplacement du liant par des cendres volantes sont liées aux conditions de durcissement et au temps de durcissement, qui est ralenti du fait des faits précités. Jusqu'à ce que l'activation pouzzolanique des cendres volantes commence (selon la Réf.47, elle commence environ après 90 jours), la résistance du composite diminue à mesure que la quantité de liant substitué augmente48.

La résistivité a été déterminée à l'état sec et saturé après 7 et 28 jours. Les résultats sont présentés dans les Fig. 16 et 17.

Effet du remplacement de la charge conductrice primaire sur la résistivité du composite après 7 jours.

Effet du remplacement de la charge conductrice primaire sur la résistivité du composite après 28 jours.

Après 28 jours à l'état saturé et séché du fait de remplacements de 30% et 50% en volume, les valeurs de résistivité évoluent selon le graphique suivant.

Parmi les déchets testés, les déchets de graphite conviennent comme charge de substitution. Les copeaux d'acier augmentent la résistivité de manière significative, en particulier dans l'état saturé des échantillons, voir les Fig. 18 et 19.

Effet de 30% et 50% de substitution de graphite primaire sur la résistivité après 7 jours par rapport aux composites de référence (REF).

Effet de 30% et 50% de substitution de graphite primaire sur la résistivité après 28 jours par rapport aux composites de référence (REF).

Pour un composite avec une charge fine (PG-F), le remplacement de charge le plus approprié est de 30 % en volume de WG-HF. Pour les composites avec une charge de type grossier (PG-C), un remplacement à 50% par des déchets de graphite WG-HF est le plus approprié. Les copeaux d'acier à l'état saturé et séché augmentent considérablement la résistivité. Voir les Fig. 18 et 19, la cause est expliquée ci-dessous.

Selon la figure 20, l'ajout de copeaux d'acier a permis d'obtenir une porosité plus faible et une densité apparente plus élevée du matériau. Cela est principalement dû au caractère des particules, qui ont une faible absorption d'eau et ont une surface spécifique inférieure à celle des charges primaires de graphite. Le remplacement des charges primaires de graphite par des charges de déchets réduit également légèrement la porosité, principalement en raison de la plus faible absorption des charges et de la surface spécifique plus faible. Cela se traduit également par un matériau plus compact qui est mieux à même de conduire le courant électrique.

L'effet de la substitution partielle des charges primaires sur la densité apparente et la porosité du composite.

Les propriétés mécaniques ont été testées après 28 jours à l'état saturé. Les résultats sont présentés dans les Fig. 21, 22, 23 et 24.

Effet de la substitution de graphite primaire sur la résistance à la traction en flexion du composite après 28 jours.

Effet de la substitution du graphite primaire sur la résistance à la traction en flexion du composite après 28 jours par rapport aux composites de référence (REF).

Effet de la résistance à la compression par substitution de graphite primaire après 28 jours.

Effet de la substitution du graphite primaire sur la résistance à la compression après 28 jours par rapport aux composites de référence (REF).

Sur la base des résultats donnés dans les Fig. 21 et 22 ci-dessus, la variante optimale basée sur la résistance à la traction en flexion pour le composite avec un type de charge fin est le remplacement le plus approprié par WG-GF à raison de 50%, pour le composite avec un type de charge grossier, le remplacement optimal WG-GF à raison de 50%. Globalement, on peut affirmer qu'avec le remplacement des charges primaires par des déchets, la résistance à la traction en flexion diminue.

La résistance à la compression a été déterminée après 28 jours et les résultats sont présentés dans les Fig. 23 et 24.

Il a été constaté que le remplacement d'une partie de la charge primaire par des déchets de matières premières améliorait les propriétés physiques et mécaniques dans la plupart des cas, ce qui peut être dû à une répartition plus appropriée des particules complétant la courbe granulométrique. Pour le composite de type charge fine, le remplacement n'était pas avantageux en comparaison de la diminution de la résistivité à la diminution de la résistance.

Les charges de graphite résiduel, qui réduisent considérablement la résistivité du composite et augmentent la résistance à la compression, se sont avérées être un remplacement utile des charges conductrices primaires. Les déchets de graphite WG-HF sont le substitut le plus approprié pour les deux types de composites. Pour le composite avec la charge fine de type PG-F, en raison de la substitution de 30 %, la résistivité a diminué de 60 % dans tous les types de mesures par rapport au mélange de référence à partir de matières premières primaires. Dans le composite avec un type de charge grossier, le remplacement le plus efficace était de 50 %, dans lequel la résistivité sèche a été réduite jusqu'à 92 % après 28 jours. Le seul inconvénient de ce remplacement est la diminution de la résistance à la traction en flexion, qui est d'environ 20 %. Le mécanisme d'incorporation du graphite dans la matrice cimentaire a été décrit par Wang dans son ouvrage49. Le graphite ne contribue pas à l'hydratation du ciment portland, il ne peut qu'affecter la diminution certaine du degré d'hydratation du ciment et de la basicité des hydrosilicates de calcium50. L'évolution théorique de l'hydratation des particules de ciment au voisinage des particules de carbone est illustrée à la Fig. 25.

Hydratation de la matrice cimentaire avec une charge carbonée : (a) mélange des matières premières ; (b) le début de l'hydratation du ciment ; (c) formation séquentielle des phases AFt et CSH et CH; (d) consolidation et stabilisation des phases CSH, CH, formation des phases AFm.

Le fait que la charge de graphite soit inerte et n'entre pas dans les réactions d'hydratation ressort clairement des images au microscope électronique (Fig. 26). Les plaquettes individuelles monocouches sortent clairement de la pâte de ciment hydraté qui les enrobe.

Images détaillées de l'incorporation et de la dispersion de la charge carbonée dans la matrice cimentaire (a) PG-F ; (b) PG-C.

Les composants individuels du liant ne séparent pas parfaitement les particules de graphite (voir Fig. 27), créant ainsi une opportunité pour la formation de chemins de lignes électriques. Les composants de remplissage sont sélectionnés pour être soit des conducteurs, soit des semi-conducteurs en termes de conductivité. La conductivité électronique ou de trou peut être utilisée ici. Une bonne perméabilité des chemins de conductivité a été démontrée en réduisant la résistivité des échantillons par la charge conductrice à base de graphite utilisée.

Répartition des composants individuels du composite dans la structure, (a) PG-F ; (b) PG-C.

L'incorporation de charges à base de particules d'acier entraîne des phénomènes négatifs, tels qu'une passivation insuffisante de la charge conduisant à leur corrosion due au passage du courant électrique dans l'échantillon. (voir fig. 28). Zhang51 a décrit comment se produit la corrosion électrochimique de l'acier dans une matrice de ciment. La vitesse de corrosion peut être contrôlée par la réaction partielle de l'anode ou de la cathode, ou les deux en même temps. La réaction d'anode a lieu lors de l'oxydation du métal lui-même. La cathodique (dépolarisation) a lieu dans le cadre de la réduction du composant oxydant de la solution.

Images détaillées de l'incorporation et de la dispersion des copeaux d'acier dans le composite : (a) image détaillée des copeaux d'acier dans la matrice ; (b) Image macroscopique des copeaux dispersés dans le composite.

La couche superficielle de rouille sur les cathodes rend difficile le déplacement des électrons et augmente ainsi la résistivité de la masse, ce qui a également été prouvé en testant la résistivité d'échantillons avec des copeaux d'acier comme charge conductrice.

Dans cette étude, il a été montré que pour atteindre une conductivité électrique convenable, il est possible d'utiliser comme charges conductrices non seulement des matières premières primaires, mais aussi des déchets ou des matières premières secondaires.

L'utilisation de cendres volantes à haute température AM, qui se caractérise par une perte au feu plus élevée et la proportion de métaux lourds et de sels inorganiques, a conduit à une réduction significative de la résistivité. Il a été montré que l'utilisation de ce type de cendres volantes, inutilisables pour les matériaux de construction courants, conduit à une amélioration des propriétés électroconductrices du composite à un dosage de 20 %. L'utilisation de cendres volantes est également avantageuse d'un point de vue environnemental. Son utilisation permet d'économiser des matières premières primaires, à savoir le clinker Portland, ce qui contribue à la réduction de l'empreinte carbone. L'inconvénient est une réduction d'environ 50 % des résistances à court terme (28 jours) par rapport aux composites de référence. Les cendres volantes entrent dans les réactions d'hydratation différemment du clinker Portland. Les cendres volantes sont connues pour leur hydraulicité pouzzolanique et latente. Aide à réduire la chaleur d'hydratation. Le SiO2 amorphe entre dans l'hydratation, qui réagit avec les ions Ca2+ et l'eau pour former la phase d'hydrosilicate de calcium. L'augmentation de la résistance est nettement plus lente par rapport au clinker Portland et on peut supposer que les composites avec du ciment remplacé par des cendres volantes n'atteindront des résistances comparables qu'à l'âge d'environ 90 à 180 jours. L'étude des forces à long terme fera l'objet de recherches ultérieures. Un effet néfaste de l'ajout de cendres volantes au mélange est une augmentation de la porosité du composite, qui est en partie due à une hydratation plus lente et notamment au caractère des particules en forme de pléosphère. La recherche a montré que l'utilisation de cendres volantes en remplacement de 20% de composants liants et le remplacement du graphite primaire par des matières premières secondaires est avantageux en termes de réduction de la résistivité des composites.

L'une des variantes de charges conductrices qui ont été utilisées sont les copeaux d'acier (déchets de la production de métaux créés lors de la coupe et du meulage de l'acier de construction). Ces matériaux se sont avérés inappropriés pour une utilisation dans des composites à matrice à base de silicate. La finesse des copeaux associée à la surface grossièrement traitée des particules en contact avec l'humidité de l'air conduit à une corrosion électrochimique et/ou oxydative très rapide, au cours de laquelle une très fine rouille de surface se forme. Cette corrosion de surface empêche par conséquent la transmission des électrons libres et du courant électrique.

Des charges de graphite usagées ont été testées en remplacement des charges primaires. Les déchets de graphite WG-HF sont composés de résidus de graphite, de poussières et d'impuretés, qui ont été suspendus aux sols des halls de production de l'entreprise. Il se caractérise principalement par sa finesse, sa faible capacité d'absorption et une gamme variée de tailles de particules. Des déchets de graphite WG-GF ont également été utilisés, composés de mélanges de fines poudres de graphite. C'est un matériau issu d'un dispositif de dépoussiérage dans lequel divers lubrifiants sont mélangés. Il a été prouvé qu'en raison de la distribution granulométrique appropriée, ces déchets permettent une interconnexion structurelle plus efficace du réseau électroconducteur par rapport aux poudres de graphite primaires seules. Les déchets de charges de graphite ont également amélioré les propriétés physiques et mécaniques des composites. Par ailleurs, il a été constaté qu'en mélangeant des particules fines dans des composites avec une charge de type grossière, leur résistivité à l'état sec peut être significativement réduite, du fait de la réduction de la distance des fragments potentiellement conducteurs dans la masse.

L'un des inconvénients des poudres de graphite est leur surface spécifique et leur capacité d'absorption élevées, ces propriétés entraînent une augmentation relativement importante de la porosité du matériau. En général, un matériau plus compact a de meilleures propriétés électriques à condition qu'il contienne suffisamment d'éléments conducteurs. Les charges de graphite résiduaire offrent l'avantage d'une absorption d'eau nettement inférieure à celle des poudres de graphite primaire.

L'humidité affecte de manière significative la conductivité électrique des composites de silicate. Les plus grandes différences sont observées lors de l'utilisation d'un enduit de type grossier (après séchage) sa résistivité augmente jusqu'à 10 fois. Le phénomène inverse a été observé dans les composites avec une charge fine lorsque la résistivité a diminué d'environ 2 fois lorsque le matériau a été séché. De plus, la possibilité de remplir des composites avec des mélanges de graphite grossier et fin a été vérifiée. Le type fin de charges de graphite dans les composites de graphite primaire grossiers a considérablement réduit la résistivité à l'état sec.

Selon l'analyse microstructurale a été déterminée la cohérence entre la conductivité du composite et la forme et les dimensions de la charge conductrice utilisée. Les particules de graphite grossières sont moins capables de propager la charge électrique car la distance entre chaque surface de particule est plus grande et le chemin conducteur est souvent endommagé. La distance de ces pièces est également significativement affectée par le degré d'hydratation du composite, où il a été montré que les échantillons à base de graphite grossier atteignaient une résistivité à l'état sec significativement plus élevée après 28 jours de maturation que les échantillons après 7 jours de maturation. Dans le cas du graphite de type fin, ce phénomène n'a pas été enregistré.

Dans cette étude, l'utilisation possible de déchets de matériaux alternatifs comme charges électriquement conductrices pour les composites de silicate a été prouvée. L'effet de l'humidité et de l'hydratation du ciment sur les propriétés électriquement conductrices a également été étudié. Il a été prouvé que :

Les cendres volantes à haute température avec une perte au feu plus élevée (supérieure à 5%) en tant que remplacement de liant améliorent considérablement les propriétés électriquement conductrices des composites de silicate.

Les déchets de graphite, en raison de la diversité naturelle de la taille des particules, peuvent former plus efficacement un réseau conducteur électriquement interconnecté plus stable dans la matrice du composite, améliorant ainsi les propriétés électriquement conductrices, améliorant également légèrement les propriétés physico-mécaniques.

Les copeaux d'acier ne conviennent pas comme charges conductrices d'électricité. La finesse des particules d'acier, ainsi que la rugosité et l'humidité de la surface, entraînent une corrosion électrochimique et/ou oxydative très rapide, qui forme une rouille à la surface des particules qui isole les particules du courant électrique.

L'humidité affecte de manière significative les propriétés de conductivité électrique des composites, qui peuvent varier jusqu'à dix fois.

La présence d'eau dans les composites avec du graphite grossier diminue la résistivité, alors que l'eau dans les composites avec une charge fine augmente la résistivité.

Le degré d'hydratation du ciment affecte les propriétés électriquement conductrices. Pour le composite de type charge grossière, la résistivité a augmenté significativement entre la mesure à 7 et 28 jours. Pour le composite de type charge fine, ce phénomène n'a pas été observé.

Les recherches futures pourraient se concentrer sur la durabilité et les propriétés physico-mécaniques des matériaux, en particulier pour les composites à teneur en cendres volantes qui présentent une perte de recuit plus élevée. Une autre direction possible de la recherche consiste à étendre et à affiner l'effet de l'humidité, de la température et de leur combinaison sur les propriétés conductrices de l'électricité.

Les ensembles de données utilisés et/ou analysés au cours de l'étude en cours sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

Kim, GM, Park, SM, Ryu, GU & Lee, HK Caractéristiques électriques des voies conductrices hiérarchiques dans les composites cimentaires incorporant du CNT et de la fibre de carbone. Cem. concr. Compos. 82, 165–175. https://doi.org/10.1016/J.CEMCONCOMP.2017.06.004 (2017).

Article CAS Google Scholar

Collinson, M., Stief, P., Dantan, J., Etienne, A. & Siadat, A. L'effet du type de traitement mécanique sur la conductivité électrique et la réponse piézorésistive des composites CNT et graphite. Procédé. CIRP 85, 314–320. https://doi.org/10.1016/j.procir.2019.10.001 (2019).

Article Google Scholar

Zhu, H., Zhou, H. & Gou, H. Évaluation de la dispersion des fibres de carbone dans les matériaux à base de ciment en utilisant les propriétés mécaniques, la conductivité, le coefficient de variation de masse et la microstructure. Constr. Construire. Mater. 266, 120891. https://doi.org/10.1016/J.CONBUILDMAT.2020.120891 (2021).

Article CAS Google Scholar

Lin, F., Bhatia, GS et Ford, JD Conductivités thermiques des résines époxy remplies de poudre. J. Appl. Polym. Sci. 49(11), 1901-1908. https://doi.org/10.1002/app.1993.070491105 (1993).

Article CAS Google Scholar

Deng, L. et al. Préparation et propriétés piézorésistives du mortier de cendres volantes/scories activé par des alcalis renforcé de fibres de carbone. Constr. Construire. Mater. 222, 738–749. https://doi.org/10.1016/J.CONBUILDMAT.2019.06.134 (2019).

Article CAS Google Scholar

Rovnaník, P., Kusák, I., Bayer, P., Schmid, P. & Fiala, L. Comparaison des propriétés électriques et d'auto-détection du ciment Portland et des mortiers de laitier activés par les alcalis. Cem. concr. Rés. 118, 84–91. https://doi.org/10.1016/J.CEMCONRES.2019.02.009 (2019).

Article Google Scholar

Wu, J., Liu, J. & Yang, F. Béton conducteur composite triphasé pour le dégivrage des chaussées. Constr. Construire. Mater. 75, 129–135. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2014.11.004 (2015).

Article Google Scholar

Saslow, WM Loi d'Ohm : Le courant électrique est entraîné par Emf et limité par la résistance électrique. Électr. Magn. Lumière https://doi.org/10.1016/B978-012619455-5.50007-3 (2002).

Article Google Scholar

Mo, X. et al. Piezoélectrets pour collecteurs d'énergie portables et capteurs. Nano énergie https://doi.org/10.1016/J.NANOEN.2019.104033 (2019).

Article Google Scholar

Belli, A., Mobili, A., Bellezze, T. & Tittarelli, F. Fibres de carbone/acier commerciales et recyclées pour mortiers de ciment renforcés de fibres à haute conductivité électrique. Cem. concr. Compos. 109, 103569. https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2020.103569 (2020).

Article CAS Google Scholar

García, Á., Schlangen, E., van de Ven, M. & Liu, Q. Conductivité électrique du mortier d'asphalte contenant des fibres conductrices et des charges. Constr. Construire. Mater. 23(10), 3175–3181. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2009.06.014 (2009).

Article Google Scholar

Terashita, K., Tanaka, T., Nishimura, K. & Miyanami, K. Pétrissage continu pour les matériaux composites électriquement conducteurs et évaluation de l'état de dispersion de la charge. Taureau. Univ. Préfet d'Osaka. Ser. Un ing. Natl. Sci. 42(1), 51–67 (1993).

Google Scholar

Yehia, SA & Tuan, CY Revêtement en béton conducteur pour le dégivrage du tablier du pont. ACI Mater. J. 96(3), 382–390.

CAS Google Scholar

Qin, Z., Wang, Y. & Mao, X. Développement de béton électriquement conducteur en graphite et application dans l'ingénierie de mise à la terre. Nouvelle construction. Mater. 11, 46-48 (2009).

Google Scholar

Liu, Y. et al. Relations entre les propriétés électriques et la nanostructure des particules de suie dans une flamme laminaire à diffusion inverse. Proc. Combustion. Inst. 37(1), 1185–1192. https://doi.org/10.1016/J.PROCI.2018.06.090 (2019).

Article Google Scholar

Wei, J., Zhang, Q., Zhao, L., Hao, L. et Nie, Z. Effet de l'humidité sur les propriétés thermoélectriques des composites de ciment graphite expansé/fibre de carbone. Céram. Int. 43(14), 10763–10769. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2017.05.088 (2017).

Article CAS Google Scholar

Princigallo, A., Van Breugel, K. & Levita, G. Influence de l'agrégat sur la conductivité électrique des bétons de ciment Portland. Cem. concr. Rés. 33(11), 1755–1763. https://doi.org/10.1016/S0008-8846(03)00166-2 (2003).

Article CAS Google Scholar

Donnini, J., Bellezze, T. & Corinaldesi, V. Propriétés mécaniques, électriques et d'auto-détection des mortiers cimentaires contenant des fibres de carbone courtes. J. Construire. Ing. 20, 8–14. https://doi.org/10.1016/J.JOBE.2018.06.011 (2018).

Article Google Scholar

Chung, DDL & Chung, DDL Fibres de carbone, nanofibres et nanotubes. Dans Carbon Composites 1–87 (Elsevier, 2017). https://doi.org/10.1016/B978-0-12-804459-9.00001-4.

Chapitre Google Scholar

López-Pernía, C., Muñoz-Ferreiro, C., González-Orellana, C., Morales-Rodríguez, A. & Gallardo-López, RP et la conductivité électrique. J. Alliages Compd. 767, 994-1002. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.07.199 (2018).

Article CAS Google Scholar

El-Dieb, AS, El-Ghareeb, MA, Abdel-Rahman, MAH & Nasr, ESA Béton multiconducteur électriquement conducteur utilisant différentes charges. J. Construire. Ing. 15, 61–69. https://doi.org/10.1016/J.JOBE.2017.10.012 (2018).

Article Google Scholar

Melichar, T., Bydžovský, J. & Dufka, Á. Composites à base de matières premières alternatives dans des conditions de haute température. Période. Polytechnique. INGENIEUR civile. 61(4), 911–919. https://doi.org/10.3311/PPci.9820 (2017).

Article Google Scholar

Doušová, B. et al. Propriétés d'adsorption des boues de construction pour la protection de l'environnement. Minéraux 11(3), 1–10. https://doi.org/10.3390/min11030309 (2021).

Article CAS Google Scholar

Raja, RS, Manisekar, K. & Manikandan, V. Effet de la taille de la charge de cendres volantes sur les propriétés mécaniques des composites à matrice polymère. Int. J.Min. Métall. Méca. Ing. 1(1), 34–38 (2013).

Google Scholar

McCarter, W., Starrs, G. & Chrisp, T. Conductivité électrique, diffusion et perméabilité des mortiers à base de ciment Portland. Cem. concr. Rés. 30(9), 1395–1400. https://doi.org/10.1016/S0008-8846(00)00281-7 (2000).

Article CAS Google Scholar

Fulham-Lebrasseur, R., Sorelli, L. & Conciatori, D. Développement de bétons et mortiers électriquement conducteurs à inclusions conductrices hybrides. Constr. Construire. Mater. 237, 117470. https://doi.org/10.1016/J.conbuildmat.2019.117470 (2020).

Article CAS Google Scholar

Černý, V., Yakovlev, G., Drochytka, R., Baránek, Š., Mészárosová, L., Melichar, J., Hermann, R. Impact du caractère des particules de carbone sur la résistivité électrique composite à base de ciment. Matériaux 2021, 14. ISSN 1996–1944. doi : https://doi.org/10.3390/ma14247505

EN 197–1, Ciment - Partie 1 : Composition, spécifications et critères de conformité pour les ciments courants. Comité européen de normalisation (CEN), Bruxelles, Belgique (2011).

EN 12620:2002+A1:2008 : Granulats pour béton. Comité européen de normalisation (CEN), Bruxelles, Belgique (2008).

EN 934–1 : Adjuvants pour béton, mortier et coulis - Partie 1 : Exigences communes. Comité européen de normalisation (CEN), Bruxelles, Belgique (2008).

EN 450–1 : Cendres volantes pour béton - Partie 1 : Définition, spécifications et critères de conformité. Comité européen de normalisation (CEN), Bruxelles, Belgique (2012).

Drochytka, R., Černý, V. & Kulísek, K. L'utilisation de cendres volantes anthracite pour la production de béton cellulaire autoclavé. Adv. Mater. Rés. 2012(512–515), 3003–3006. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.512-515.3003 (2012).

Article CAS Google Scholar

EN 933–1, Essais des propriétés géométriques des granulats - Partie 1 : Détermination de la distribution granulométrique - Méthode de tamisage. Comité européen de normalisation (CEN), Bruxelles, Belgique (2012).

EN 1015–3, Méthodes d'essai pour mortier pour maçonnerie - Partie 3 : Détermination de la consistance du mortier frais (par table de flux). Comité européen de normalisation (CEN), Bruxelles, Belgique (1999).

EN ISO 13320, Analyse granulométrique — Méthodes de diffraction laser. Comité européen de normalisation (CEN), Bruxelles, Belgique (2009).

EN ISO 9277, Détermination de la surface spécifique des solides par adsorption de gaz à l'aide de la méthode BET. Comité européen de normalisation (CEN), Bruxelles, Belgique (2010).

EN 13055, Granulats légers. Comité européen de normalisation (CEN), Bruxelles, Belgique (2016).

EN 196–1, Méthodes d'essai du ciment - Partie 1 : Détermination de la résistance. Comité européen de normalisation (CEN), Bruxelles, Belgique (2016).

EN 12390–5, Essais du béton durci - Partie 5 : Résistance à la flexion des éprouvettes. Comité européen de normalisation (CEN), Bruxelles, Belgique (2019).

EN 12390–4, Essais du béton durci - Partie 4 : Résistance à la compression - Spécifications pour les machines d'essai. Comité européen de normalisation (CEN), Bruxelles, Belgique (2019).

Pilathottathil, S., Kannan Kottummal, T., Thayyil, MS, Mahadevan Perumal, P. & Ambichi Purakakath, J. Électrolytes de gel liquide ionique greffés de sel inorganique pour des supercondensateurs à semi-conducteurs efficaces : études électrochimiques et diélectriques. J. Mol. Liquide. 264, 72–79. https://doi.org/10.1016/J.MOLLIQ.2018.05.014 (2018).

Article CAS Google Scholar

Saloni, Singh, A., Jatin, Kumar, J., Parveen. (2020). Influence des cendres volantes, du ciment et du sable de rivière broyé sur la résistance à la compression et la pénétration des chlorures dans le mortier. Matériaux aujourd'hui: Actes, 33, 1690–1694. https://doi.org/10.1016/J.MATPR.2020.07.269

Pouvoirs, TC Structure et propriétés physiques de la pâte de ciment portland durci. Confiture. Céram. Soc. 41, 1–6. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1958.tb13494.x (1958).

Article CAS Google Scholar

Berry, EE, Hemmings, RT, Zhang, MH, Cornelious, BJ & Golden, DM Hydratation dans des liants de cendres volantes à grand volume. ACI Mater. J. 91, 382–389 (1994).

CAS Google Scholar

Lam, L., Wong, YL & Poon, CS Degré d'hydratation et rapport gel/espace des systèmes de cendres volantes/ciment à volume élevé. Cem. concr. Rés. 30(5), 747–756. https://doi.org/10.1016/S0008-8846(00)00213-1 (2000).

Article CAS Google Scholar

Feldman, RF, Carette, GG & Malhotra, VM Études sur le développement des propriétés physiques et mécaniques des pâtes de ciment à base de cendres volantes à haut volume. Cem. concr. Compos. 12, 245-251 (1990).

Article CAS Google Scholar

Fita, IC, Cruz, JM, Bouzón, N., Borrachero, MV et Payá, J. Surveillance de l'effet pouzzolanique des cendres volantes dans les mortiers OPC mélangés par spectroscopie d'impédance électrique. Constr. Construire. Mater. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2021.125632 (2022).

Article Google Scholar

Chajec, A. et al. Ingénierie des composites cimentaires verts modifiés avec des cendres volantes siliceuses : Comprendre l'importance des conditions de cure. Constr. Construire. Mater. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2021.125209 (2021).

Article Google Scholar

Wang, D., Wang, Q. & Huang, Z. Enquête sur la mauvaise fluidité d'une pâte de ciment-graphite conductrice d'électricité : expérience et simulation. Mater Design 169, 107679. https://doi.org/10.1016/J.MATDES.2019.107679 (2019).

Article CAS Google Scholar

Plugin, AA, Pluhin, OA, Kasyanov, VV, Dyomina, OI & Bondarenko, DO Composition électriquement conductrice pénétrante à base de ciment Portland pour la protection contre l'électrocorrosion. Conduire. Mater. 28(1), 121–130. https://doi.org/10.15407/fm28.01.121 (2021).

Article CAS Google Scholar

Zhang, G. et al. Simulation numérique du mécanisme électrochimique de la corrosion des barres d'armature en acier dans le béton sous climat naturel avec une température et une humidité variables dans le temps. Constr. Construire. Mater. 306, 124873. https://doi.org/10.1016/J.CONBUILDMAT.2021.124873 (2021).

Article CAS Google Scholar

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Ce travail a été financé par la Czech Science Foundation (projet n° 21-29680S) et par le ministère de l'Éducation, de la Jeunesse et des Sports de la République tchèque (projet n° FAST-J-23-8185).

Faculté de génie civil, Institut de technologie des matériaux et composants de construction, Université de technologie de Brno, Veveří 95, 602 00, Brno, République tchèque

Simon Baranek, Vit Cerny, Rostislav Drochytka, Lenka Meszarosova & Jindrich Melichar

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RD et VC ont fait un concept de la recherche présentée et ont supervisé le manuscrit. SB et LM ont effectué l'analyse formelle et rédigé le texte principal du manuscrit. SB et JM ont préparé des figures et des tableaux. LM et VC ont effectué l'analyse de la microstructure. Tous les auteurs ont lu et approuvé le manuscrit.

Correspondance à Vit Cerny.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Baranek, S., Cerny, V., Drochytka, R. et al. Matériaux composites conducteurs d'électricité avec déchets incorporés et matières premières secondaires. Sci Rep 13, 9023 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-36287-x

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Reçu : 28 décembre 2022

Accepté : 31 mai 2023

Publié: 03 juin 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-36287-x

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