Structure et dynamique de l'eau dans le ciment Portland et dans de ciments a bas CO2

par Zhanar Zhakiyeva

Projet de thèse en Sciences de la Terre et de l'Univers et de l'Environnement

Sous la direction de Alexandre Fernandez-martinez.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de Terre, Univers, Environnement , en partenariat avec Institut des Sciences de la Terre (laboratoire) depuis le 31-10-2017 .


  • Résumé

    Le ciment est le matériau le plus utilisé au monde. Malgré de nombreux siècles d'utilisation intensive et une demande mondiale toujours croissante, de nombreuses questions fondamentales sur la physico-chimie du ciment demeurent insaisissables. Au cours de ce processus, différents hydrates sont formés, dont les hydrates de silicate de calcium (C-S-H). C-S-H est en effet le composé clé qui contrôle les propriétés finales du ciment, telles que la résistance et la durabilité. Bien qu'un grand effort de recherche ait été consacré à l'étude de C-S-H, son caractère peu cristallin a rendu intrinsèquement difficile de le caractériser pleinement. De plus, la présence de phases d'aluminate à la fois dans le ciment Portland ordinaire et dans de nouvelles formulations de ciment à faible émission de CO2 entraînent la formation d'une phase C-A-S-H, avec des substitutions d'Al. Alors que beaucoup d'efforts ont permis de comprendre la structure atomique de ces phases, la structure et la diffusion de l'eau à travers leurs pores restent mal comprises. Comprendre l'organisation de l'eau dans la phase C-S-H est important car l'eau joue un rôle clé dans les processus de dissolution-recristallisation et de carbonatation, qui sont la cause principale de la perte de solidité du ciment. En outre, la diffusion de l'eau dans les nanopores C-S-H est importante pour comprendre l'échange d'autres ions dans l'élimination des polluants ou dans le contexte du stockage des déchets nucléaires Dans ce projet de thèse, la structure atomique du C-(A)-S-H, et la structure et la dynamique de l'eau dans les différents pores de ces matériaux seront étudiés en utilisant une combinaison de techniques, incluant la diffusion élastique et inélastique de neutrons et la diffusion des rayons X. Des méthodes de laboratoire telles que les isothermes d'adsorption d'eau, la spectroscopie infrarouge ou les analyses thermogravimétriques et calorimétriques seront aussi utilisés.

  • Titre traduit

    Structure and dynamics of water in ordinary Portland and low CO2 cements.


  • Résumé

    Cement is the single most used material in the world, but despite many centuries of intensive usage and an ever-increasing worldwide demand, many physico-chemical fundamental questions regarding the cement setting process remain elusive. During this process different hydrates nucleate and grow, of which calcium silicate hydrates (C-S-H) is the most important binding phase. C-S-H is indeed the key compound controlling the final cement properties, such as strength and durability. Although a large deal of research effort has been devoted to the study of C-S-H, its poorly crystalline character has made it inherently difficult to fully characterize it. Moreover, the presence of aluminate phases both in ordinary Portland cement and in new low-CO2 emissions cement formulations result in Al-substituted C-A-S-H. Whereas much effort has been put in understanding the atomic structure of these phases, both the structure and diffusion of water through their pores remain poorly understood. Understanding water organization in the C-S-H phase is not only important for the setting behavior, but also because water plays a key role in the dissolution-recrystallization and carbonation processes which are the main cause of the loss of cement strength. Moreover, water diffusion in C-S-H nanopores is important to understand the exchange of other ions in pollutant removal or in the context of nuclear waste storage. In this Ph.D. project, the atomic structure of C-(A)-S-H, and the structure and dynamics of water in the different pores of these materials will be studied using a combination of neutron scattering techniques, including neutron pair distribution function analyses and inelastic neutron scattering, with synchrotron X-ray scattering and laboratory-based methods such as water adsorption isotherms, infrared spectroscopy or thermogravimetric and calorimetric analyses.