Modélisation cinétique de l'hydratation en systèmes dilués des aluminates de calcium : Des mécanismes chimiques aux modélisations par les Population Balance Equations

par Nicolas Maach

Thèse de doctorat en Génie civil

Sous la direction de Jean-François Georgin.

Soutenue le 19-12-2019

à Lyon , dans le cadre de Ecole Doctorale Mecanique, Energetique, Genie Civil, Acoustique (MEGA) (Villeurbanne) , en partenariat avec Institut national des sciences appliquées de Lyon (Lyon) (établissement opérateur d'inscription) , GEOMAS - Géomécanique Matériaux Structure, EA 4126 (Lyon, INSA.) (laboratoire) et de Géomécanique- Matériaux et Structures / GEOMAS (laboratoire) .

Le président du jury était Eric Garcia-Diaz.

Le jury était composé de Jean-François Georgin, Eric Garcia-Diaz, Barbara Lothenbach, Guillaume Renaudin, Miguel-Angel Garcia-Aranda, Stéphane Berger, Judith Pommay.

Les rapporteurs étaient Barbara Lothenbach, Guillaume Renaudin.


  • Résumé

    Ces travaux s’articulent autour de la modélisation cinétique de l’hydratation des ciments alumino-calciques (CAC) pour en améliorer la compréhension et la maîtrise. L’aspect cinétique pour ces ciments est essentiel en raison des nombreux états métastables qu’ils traversent (e.g. conversion).Des modèles de cinétique intégrés dans l’espace existent déjà pour simuler des pâtes de mortier mais ils requièrent la connaissance des lois de cinétiques. Malheureusement, ces lois sont mal identifiées pour les CAC et c’est ce qui motive la création d’un modèle pour des suspensions minérales. L’étude de suspensions permet d’étudier ces lois sans l’influence de l’empilement granulaire et du réseau poreux. Le modèle créé est un modèle de thermochimie où les quantités de matières sont pilotées par des équations différentielles-algébriques. L’information sur la granulométrie est, elle, portée par des Population Balance Equations permettant de répercuter chaque phénomène physico-chimiques (e.g. Nucléation, Dissolution, Croissance, Agglomération...) de manière adaptable et indépendante sur les tailles de particules. L’étude de ce modèle a permis de mettre en évidence le rôle fondamental que joue la formation de l’hydroxyde d’aluminium dans l’hydratation des CAC. Cette formation permet l’apport en solution d’ions hydroxyde déficitaires à la formation de la plupart des hydrates en consommant des ions aluminates. Cette formation d’hydroxyde d’aluminium a été démontrée comme étant complexe à expliquer expérimentalement et à modéliser. Toutefois, l’utilisation de précurseurs pré-hydroxylés permet de la modéliser partiellement.

  • Titre traduit

    Kinetic modeling of the early age hydration of calcium aluminate cements in diluted systems : From chemical mechanisms to the modeling by the Population Balance Equations


  • Résumé

    This work focuses on the kinetic modeling of calcium aluminate cements (CAC) to improve the knowledge and the control of these chemical systems. The kinetic aspect of this modeling is essential since their hydration goes through several metastable states (e.g. CAC conversion). Kinetic models integrated over a volume of mortar paste already exist yet they require appropriate kinetic laws. Unfortunately, these laws are poorly identified for CACs and this is what motivates the creation of a model for mineral suspensions. The simulation of suspension allows the evaluation of these kinetic laws without the interference of granular stacking or porous network assumptions. The created model is a thermo-chemical model where the molar quantities are driven by differential-algebraic equations. The particle size information is borne by Population Balance Equations allowing to manage each physic-chemical phenomenon (e.g. Nucleation, Dissolution, Growth, Agglomeration...) independently and in a flexible way. The evaluation of this model highlighted the key role of aluminium hydroxide formation in CAC hydration. This reaction converts the excess of aluminate ions into the deficient hydroxide ion which are required by most of the hydrates. This work demonstrated that aluminium hydroxide formation is complex to explain experimentally and to model. Nevertheless, the use of prehydroxylated precursors allows a partial modeling of this reaction.


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