Formulation of composites based on low temperature binder, geopolymer type, based on argilite and different fillers : realisation of a peice by additive manufacturing

Abstract

Ce travail s’inscrit dans le cadre du projet Cigéo (Centre industriel de stockage géologique de déchets radioactifs) et étudie des voies d’optimisation pour les chemisages des alvéoles de stockage des déchets radioactifs de haute activité (HA). Des matériaux composites à matrice et renforts inorganiques sont une des voies d’innovation envisagées en alternative aux matériaux métalliques pour la réalisation du chemisage. L’utilisation de matériaux de type géopolymères renforcés par des éléments non organiques pourrait répondre aux critères souhaités. L’ajout de wollastonite et de fibres de verre à une matrice géopolymère a tout d’abord permis de contrôler la viscosité et de l’adapter à une mise en forme par coulage ou par fabrication additive tout en assurant une tenue mécanique satisfaisante du matériau consolidé. Des résistances mécaniques en compression et en flexion allant respectivement jusqu’à 101 MPa et 20 MPa ont pu être obtenues. Pour tester la solution extrudée à l’échelle ½, un système d’impression 3D a ensuite été développé. Une tête d’extrusion spécifique a été conçue et intégrée à une cellule robotique 6 axes. Le contrôle et l’identification des paramètres d’impression et des paramètres matériaux ont finalement permis la maitrise du pilotage du procédé et l’impression de structures en composite géopolymère à l’échelle ½ (ɸ = 35 cm).This work is part of the Cigéo project (geological industrial disposal for radioactive wastes) and focuses on studying alternative materials for the elaboration of the lining of the high-level radioactive waste storage cells. Composites materials with inorganic matrix and reinforcements are one of the innovations being considered as an alternative to replace metallic materials in the lining. The use of geopolymers reinforced with inorganic elements could meet the desired specifications. The insertion of wollastonite and glass fibers to a geopolymer matrix allowed to control viscosity suitable for shaping by casting and additive manufacturing while ensuring the mechanical strength of the consolidated material. This allows obtaining flexural and compressive strengths going up to 101 MPa and 20 MPa, respectively. To shape the extruded solution at a half scale, a 3D printing system was then developed. A specific extrusion head has been designed and integrated into a 6-axis robotic cell. The control and identification of printing and materials parameters make it possible to control the process and to print geopolymer composite structures at half scale (ɸ = 35 cm)