Inhibition de la réaction alcali-silice par le lithium : efficacité en milieu modèle et en matrice cimentaire et compréhension des mécanismes d’inhibition

Inhibition of the alkali-silica reaction by lithium : efficiency in model reactors and mortars and understanding of the inhibition mechanisms

• Auteur / Autrice : Angélique Rousselet
• Direction : David Bulteel, Vincent Thiéry
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences, Écologie, Paléontologie, Océanographie
• Date : Soutenance le 13/12/2016
• Etablissement(s) : Lille 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Villeneuve d'Ascq, Nord)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : École nationale supérieure des techniques industrielles et des mines (Douai, Nord). Département Génie civil et Environnemental
• Partenaire(s) de recherche : École d'ingénieurs : École nationale supérieure des techniques industrielles et des mines (Douai, Nord ; 1878-2016)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie de la résonance magnétique nucléaire

Spectrométrie de masse à plasma induit par haute fréquence

Spectrométrie de masse à temps de vol

Recyclage

Piles au lithium

Silice

Lithium -- Composés

Réactions alcalis-granulats

Béton -- Détérioration

Mots clés libres

Hydroxyde de lithium

Ablation laser

Résumé

La réaction alcali-silice (RAS) est une réaction de dégradation des bétons. Le lithium est connu pour ses qualités d’inhibiteur de la RAS, malheureusement les quantités nécessaires à l’inhibition sont variables et les mécanismes par lesquels il agit sont encore mal connus. Les travaux menés au cours de cette thèse ont pour but d’évaluer l’efficacité du lithium à inhiber la RAS, ainsi que d’améliorer la compréhension de ses mécanismes d’action. L’efficacité de cinq composés de lithium a tout d’abord été évaluée en milieu modèle (milieu simplifié simulant la RAS), à l’aide d’un granulat réactif : le silex. Le suivi de paramètres physico-chimiques traduisant l’altération de la silice avec l’ajout de lithium a révélé que l’inhibition de la RAS n’évolue pas de manière linéaire avec la quantité de lithium introduite (effet seuil) et que le contre-ion accompagnant le lithium n’a pas d’effets sur l’inhibition. Le suivi de l’expansion d’éprouvettes de mortier contenant différentes quantités de LiOH pour trois granulats différents a également révélé la présence d’un effet seuil à l’efficacité du lithium. Afin de valoriser des déchets industriels, deux scories lithinifères ont été employées dans des mortiers et l’une d’elles s’est avérée capable d’inhiber la RAS par son contenu en lithium. Pour améliorer la compréhension des mécanismes d’inhibition, des éprouvettes de mortier dopées en LiOH ont été caractérisées par des techniques permettant de détecter le lithium telles que la ToF-SIMS. Celle-ci a révélé la présence du lithium au cœur des grains de silex dans une formulation inhibée, suggérant ainsi que le lithium inhibe la RAS en accroissant la stabilité de la silice réactive.

Alkali-silica reaction (ASR) is a deleterious reaction taking place in concrete. Lithium is known to inhibit ASR, unfortunately the quantities of lithium required to enable inhibition fluctuate with the experimental conditions and the materials tested and the mechanisms by which this element inhibits ASR are not fully understood. The study presented in this report has two goals : assessing the quantities of lithium required to inhibit ASR and improving the understanding of the inhibition mechanisms. The influence of different lithium compounds on the inhibition of ASR was studied using model reactors (concrete sub-system simulating ASR) containing a reactive flint aggregate. The degradation of silica due to ASR was assessed by different chemical and physical reaction degrees. The results led to the following conclusions: the inhibition of ASR by lithium ions evolves nonlinearly with the quantity of lithium (threshold effect) and the counter-ion accompanying the lithium does not have a significant influence on ASR inhibition. The expansive behaviour of three different aggregates in mortars containing LiOH also displayed the threshold effect observed previously. In order to recycle industrial waste, two lithium-containing slags were used in mortar bars and one of them happened to be effective to inhibit ASR. Finally, to improve the understanding of ASR inhibition, mortar bars containing LiOH were analysed by techniques capable of detecting lithium such as ToF-SIMS. The latter revealed the presence of lithium within flint particles in a non-expansive bar, which suggests that lithium inhibits ASR by stabilising reactive silica.