Propriétés thermodynamiques des phases cimentaires hydratées : C-S-H, C-A-S-H et M-S-H

par Cédric Roosz

Thèse de doctorat en Terre solide et enveloppes superficielles

Sous la direction de Philippe Vieillard et de Philippe Cosenza.

Le président du jury était Laurent Michot.

Le jury était composé de Philippe Vieillard, Philippe Cosenza, Stéphane Gaboreau, Patrick Dangla, Pierre Henocq, Philippe Blanc.

Les rapporteurs étaient Laurent Michot, Guillaume Renaudin.


  • Résumé

    Le béton est l'un des matériaux de construction les plus utilisés au monde. Sa durabilité, ses propriétés mécaniques et chimiques en ont fait un matériau de choix dans les concepts de stockage proposés par l'Agence Nationale pour la gestion des Déchets RadioActifs (Andra), notamment pour la réalisation des ouvrages de soutènement, bouchons d'alvéoles, massifs d'appuis ou encore conditionnement des déchets. L'étude de la stabilité des phases constitutives des matériaux cimentaires est donc nécessaire au vu des quantités envisagées et de la pérennité des ouvrages, et doit considérer (i) des gammes de températures adaptées aux matrices cimentaires de confinement en contact avec des déchets exothermiques (25 à 80°C), et (ii) une échelle de temps représentative de la durée de vie d'un stockage.Le projet ThermoChimie de l'Andra vise donc à développer une base de données (BDD) thermodynamiques cohérente, permettant de modéliser l'évolution chimique des matériaux cimentaires dans l'environnement du stockage de déchets radioactifs. Toutefois, dans l'état actuel, la base de données ne propose que des données thermodynamiques sur les phases cimentaires bien cristallisées, ainsi que sur un jeu de données limité à trois compositions chimiques différentes pour les C-S-H nanocristallins, ne permettant pas de reproduire la dégradation des matériaux cimentaires, ni de modéliser la dégradation des nouvelles formulations telles que les bétons "bas-pH".L'objectif est donc d'acquérir un jeu de données thermodynamiques complémentaire, sur les phases telles que les C-S-H (Silicates de Calcium Hydratés), C-A-S-H (Silicates de Calcium Alumineux Hydratés) et M-S-H (Silicates de Magnésium Hydratés), pour les intégrer à la base de données Thermo-Chimie. Cette étude s'appuie sur un travail expérimental, analytique et numérique dans le but d'obtenir un jeu de données thermodynamiques (ΔfG0, ΔfH0, Cp(T), S0) suffisamment représentatif de la variabilité chimiques de ce type de phases. Enfin, cet ensemble de donnée permet le développement d'un modèle de prédiction de données thermodynamiques dans des espaces de compositions et de températures étendues.Le développement de ce modèle de prédiction requiert (i) l'acquisition de propriétés thermodynamiques sur des phases représentatives du système chimique étudié, et (ii) une connaissance précise de la structure et des formules chimiques de ces phases. Trois types d'hydrates ont donc été synthétisés puis caractérisés : les C-S-H, les C-A-S-H et les M-S-H. Des méthodes analytiques telles que la DRX, l’ATG et la RMN du solide (29Si, 27Al) permettent d'établir des similitudes entre la structure des C-(A-)S-H et celle de la tobermorite d'une part, et entre la structure des M-S-H et celle des phyllosilicates Mg-Si 2:1 d'autre part. Les hydrates présentent toutefois une nanocristallinité ainsi que des défauts tant au niveau de la polymérisation du silicium tétraédrique qu'au niveau de l'empilement de leurs feuillets.Une approche multi-techniques est également utilisée, couplant isothermes d'adsorption (eau et azote) et RMN 1H aux résultats de DRX et ATG, pour discriminer les différents types d'eau plus ou moins liés à la structure des C-(A-)S-H. Cette étude a permis de mettre en évidence et de quantifier les différents types d'eau composant la structure des C-(A-)S-H. L'impact des méthodes de préparation a également été mis en évidence sur la quantification des différents types d'eau et notamment l'eau interfoliaire. L'acquisition des paramètres thermodynamiques sur les phases synthétisées est réalisée à partir de l'analyse des solutions d'équilibre pour le calcul des log K et ΔfG0, alors que des acquisitions calorimétriques permettent l'obtention des capacités calorifiques ainsi que le calcul de S0. Enfin, l'enthalpie de formation de ces phases est calculée à partir des enthalpies libres et des entropies. Le modèle de prédiction des données thermodynamiques est développé sur la base des propriétés acquises...

  • Titre traduit

    Thermodynamic properties of hydrated cement phases : C-S-H, C-A-S-H and M-S-H


  • Résumé

    Concrete is one of the most widely used building materials in the world. Durability, mechanical and chemical properties have made it a material of choice in storage concepts proposed by the French National Agency for Radioactive Waste Management (Andra), including the achievement of retaining structures, cell plugs, massive supports or conditioning waste. The study of the stability of the constituent phases of cementitious materials is needed in view of the planned quantities and the durability of the structures, andmust consider (i) temperature ranges suitable for cement matrices containment in contact with exothermic waste (25-80°C), and (ii) a representative time scale of the lifetime of the storage.The Andra ThermoChimie project therefore aims to develop a consistent thermodynamic database, to model the chemical evolution of cement materials in the environment of radioactive waste. However, in the present state, the database offers only thermodynamic data of cementitious crystalline phases, as well as a limited data set of three different chemical compositions for nanocrystalline C-S-H. This does not allow to reproduce the degradation of cementitious materials, or model the degradation of the new formulations, such as "Low pH" concretes.The objective is therefore to acquire a thermodynamic complementary data set on phases such as C-S-H (Calcium Silicate Hydrates) C-A-S-H (Calcium Aluminate Silicate Hydrates) and M-S-H (Magnesium Silicate Hydrates), to complete the ThermoChimie database. This study is based on experimental, analytical and digital work, in order to obtain a set of thermodynamic data (ΔfG0, ΔfH0, Cp(T), S0) sufficiently representative of the chemical variability of these phases. Finally, this set of data allows the development of a thermodynamic predictive model in extended spaces of compositions and temperatures.Development of this predictive model requires (i) The acquisition of thermodynamic properties on representative phases of the studied chemical system, and (ii) a precise knowledge of the structure and chemical formulas of these phases. Three types of hydrates were therefore synthesized and characterized: C-S-H, C-A-S-H and M-S-H. Analytical methods such as XRD, TGA and solid state NMR (29Si, 27Al) are used to ascertain similarities between the structure of C-(A-)S-H and that of tobermorite, and between the structure of M-S-H and that of Mg-Si phyllosilicates 2:1. Hydrates, however, have a lower crystallinity, with defects in the polymerization of silica chains, and random stacking faults (turbostratism).A multi-technique approach is also used, combining adsorption isotherm (water and nitrogen) and 1HNMR with XRDand TGA, and allows characterization of different types of water more or less bound to the structure of C-(A-)S-H.This study allowed to highlight and quantify the different types of water in the C-(A-)S-H structure. The impact of the drying process was also highlighted on the quantification of different types of water, including interlayer water. The acquisition of thermodynamic parameters of the synthesized phases is carried out from the analysis of equilibrium solutions for the calculation of log K and ΔfG0, while calorimetric acquisitions permit obtaining heat capacities and the calculation of S0. Finally, enthalpy of formation of these phases is calculated from the Gibbs free energy of formation and entropies.The predictive model is developed fromthe acquired thermodynamic properties.The Gibbs free energy of formation ΔfG0 is predicted from an electronegativity model, while Cp and S0 are predicted through polyhedral decomposition model. Finally, a comparison of data obtained with those published in the literature, and the realization of predominance diagrams generalized to the whole CaO-MgO-Al2O3-SiO2-H2O system assess the reliability of the proposed model.


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