Compréhension des mécanismes d'hydratation des ciments composés incorporant de la poudre de verre ou des cendres de boues d'épuration calcinées

Investigation of the hydration mechanisms of glass powder and sewage sludge ashes blended cements

• Auteur / Autrice : Mehdi Mejdi
• Direction : Thierry Chaussadent
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Structures et Matériaux
• Date : Soutenance le 24/10/2019
• Etablissement(s) : Paris Est en cotutelle avec Université de Sherbrooke (Québec, Canada)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Français des Sciences et Technologies des Transports, de l'Aménagement et des réseaux. Laboratoire Comportement physico-chimique et durabilité des matériaux (Marne-la-Vallée) - Institut Français des Sciences et Technologies des Transports, de l'Aménagement e
• Jury : Président / Présidente : David Bulteel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Chaussadent, Richard Gagné, Arezki Tagnit-Hamou, Martin Cyr, Frank Winnefeld
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Richard Gagné

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microstructure (physique)

Thermodynamique

Cinétique chimique

Éco-matériaux

Mots clés libres

Ajouts cimentaires alternatifs

Cinétique de réaction

Modélisation thermodynamique

Microstructure

Assemblage phasique

Alternative supplementary cementitious materials

Reaction kinetics

Thermodynamic modelling

Microstructure

Phase assemblage

Résumé

Face aux préoccupations environnementales liées à la production du clinker, la recherche d’alternatives pour une construction plus durable et rationnelle s’avère une nécessité. Pour répondre en partie à cet objectif, plusieurs types de sous-produits peuvent faire l'objet d'une valorisation dans le domaine de la construction, en tant que remplacement du ciment. Ces matériaux méritent d'être considérés pour, outre les aspects environnementaux, leur potentialité vis-à-vis de certaines dégradations du béton. Ceci est le cas des cendres volantes, les fumées de silices et les laitiers de hauts fourneaux, qui ont montré une compatibilité avec les matériaux cimentaires et sont désormais utilisés dans un contexte normalisé. Cependant, même si l’extension de cette liste permet de répondre à un besoin réel tout en valorisant des déchets locaux, cette piste reste loin d’être pleinement exploitée. D’une part, l’utilisation optimale de nouveaux matériaux implique la maitrise de leurs mécanismes réactionnels dans la matrice cimentaire. Et d’autre part, le manque de données concernant les performances à long-terme et de durabilité rend difficile leur application à l’échelle industrielle. Cette thèse s’inscrit dans cette optique et vise à élargir les connaissances quant aux mécanismes réactionnels d’ajouts cimentaires alternatifs. Plus spécifiquement, le cadre de ce travail est l’étude des propriétés physico-chimiques de la poudre de verre (GP) et des cendres des boues calcinées de stations d'épuration (SSA) et leurs influences sur les propriétés macroscopiques des mortiers et bétons. Un programme expérimental est établi pour fournir une caractérisation complète de la composition de la matrice cimentaire. Pour ceci, des approches de pointe basées sur la diffraction aux rayons X (Rietveld-PONKCS) et la spectroscopie quantitative aux rayons X (SEM-QEDS) sont employées. Les moyens mis en œuvre ont permis de déterminer (i) la cinétique de réaction des ajouts amorphes, (ii) la composition des silicates de calcium hydraté (C-(A)-S-H) et finalement (iii) l’agencement phasique dans des matrices cimentaires composées. Ensuite, les résultats expérimentaux sont confrontés à ceux de la modélisation thermodynamique. La méthodologie définie dans ce travail peut aussi évaluer le potentiel de valorisation d’autres sous-produits industriels. La substitution du ciment par la GP induit un raffinement de la microstructure et une amélioration des propriétés de durabilité. Ceci revient à la formation de C-S-H à bas rapport Ca/Si, riche en sodium, comparé à un ciment Portland. Concernant les SSA, l’apport en aluminium, suite à la dissolution de la phase amorphe de ce sous-produit, favorise la formation des monocarboaluminates. Pour des taux de substitution jusqu’à 20%, les propriétés mécaniques des mortiers ne sont pas significativement affectées. Enfin, une étude de durabilité de ces matériaux dans des conditions faisant intervenir des composés soufrés est initiée et fait l’objet d’une discussion

With the increasing environmental concerns linked to clinker production, finding alternatives for a more efficient and sustainable construction became a necessity. With this aim in mind, several types of by-products can benefice from a rising interest in the construction field, as a potential cement substitute. These materials deserve to be considered, not only for their advantageous environmental aspects, but also for their potential regarding some concrete degradations. This is the cases of fly ash, silica fume and blast furnace slag that proved a compatibility with cement materials and are nowadays used in standardized context. However, even though extending this list allows responding to a real need while valuing local waste; this alternative does not seem to be fully exploited. On the one hand, an optimal use of novel materials involve an improved understanding of their reaction mechanisms in cementitious matrices. On the other hand, the lack of field data regarding long term performance and sustainability makes their use on an industrial scale difficult. This thesis follows this perceptive and aims to strengthen the knowledge related to the reaction mechanisms of alternative supplementary cementitious materials (SCMs). More specifically, this research investigates the physico-chemical properties of glass powder (GP) and sewage sludge ashes (SSA) and their influence on the macroscopic properties of mortar and concrete. An experimental program is designed to monitor the reactions of these additions and the evolution of the microstructural features constituting the cementitious matrix. To achieve this end, state-of-art approaches, based on an X-Ray diffraction (Rietveld-PONKCS) and Quantitative Energy-Dispersive Spectroscopy (SEM-QEDS), allowed to determine (i) the degree of reaction of amorphous SCMs, (ii) the composition of calcium-silicate-hydrates (C-(A)-S-H), and finally (iii) the phase assemblage of hydrating blended cements. After that, the experimental observations are confronted with thermodynamic modelling results. The proposed methodology can be eventually used to assess the use of other by-products as a cement component. The replacement of cement by GP is shown to refine the microstructure and improve the durability of concrete. This comes from the formation of sodium rich C-S-H with a low Ca/Si ratio compared to Portland cement. In the case of SSA, the aluminium, introduced by the dissolution of its amorphous phase, promotes the formation of monocarboaluminates. For substitution rates up to 20%, the mechanical characteristics of mortars are not significantly affected. Finally, a discussion on the durability of these materials in conditions involving sulphur compounds is initiated is presented