Étude des principaux modes d’action de molécules accélératrices sur ciments composés

Study of the main modes of action of accelerator molecules on blended cements

• Auteur / Autrice : Rachel Reiver
• Direction : Nathalie Azema, Gwenn Le Saout
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie et Physico-Chimie des Matériaux
• Date : Soutenance le 07/05/2021
• Etablissement(s) : IMT Mines Alès
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Mécanique et Génie Civil. LMGC (Montpellier) - Laboratoire de Mécanique et Génie Civil / LMGC
• Jury : Président / Présidente : Martin Cyr
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nathalie Azema, Gwenn Le Saout, Martin Cyr, Jean-Baptiste d' Espinose, Sandrine Garrault-Gauffinet, Marie Jachiet, Pascal Boustingorry, Vanessa Kocaba
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Baptiste d' Espinose, Sandrine Garrault-Gauffinet

Mots clés

Mots clés libres

Ciment Portland

Ciments composés

Activateurs

Réactivité

Stabilité physico-chimique

Ordinary Portland Cement

Blended cements

Activators

Reactivity

Physico-Chemical Stability

Résumé

La prise de conscience actuelle des problématiques environnementales de l'industrie cimentière conduit à l'utilisation d'additions minérales au sein du ciment Portland comme les laitiers et cendres volantes. Néanmoins, ces ciments composés sont moins réactifs que le ciment Portland. Des activateurs sont alors nécessaires afin d’accélérer leur prise ou leur durcissement. De nombreux systèmes accélérateurs (molécules ou ions), connus pour leur effet accélérateur, ont été étudiés dans la littérature, tels que la triéthanolamine (TEA) et la diéthanol-isopropanolamine (DEIPA). Cependant, peu d’études portent sur leurs impacts au sein des ciments composés et sur les effets que ces molécules peuvent avoir sur les propriétés physico-chimiques de la pâte cimentaire. Ce travail a donc pour objectif d'avoir une meilleure compréhension du mode d'action et de l'influence de ces deux molécules accélératrices (TEA et DEIPA) sur l'état de dispersion et la réactivité chimique de pâtes cimentaires à l'état frais. Les caractéristiques granulaires de l’échelle nano/micro- à l’échelle méso-structurale des différentes formulations cimentaires aux jeunes âges, en lien avec leur réactivité, ainsi que l'influence de ces dernières sur les comportements macroscopiques des mortiers ont été étudiés. Pour cela, une caractérisation du liquide interstitiel, jusqu’à 2h30 d’hydratation, a permis de mettre en évidence les contributions chimiques des additions minérales sur la réactivité ainsi que l’évaluation de la consommation des deux amines au cours de l’hydratation. La cinétique de réaction a été suivie par microcalorimétrie isotherme, diffractométrie des rayons X et analyse thermogravimétrique permettant de déterminer l’impact des amines sur la dissolution des phases anhydres et la précipitation des phases hydratées. La stabilité physicochimique a été quantifiée à l’aide d’un Turbiscan par le suivi de la cinétique de sédimentation de pâtes légèrement diluées, et ce jusqu’à 30 minutes. Enfin, les conséquences des effets observés ont été évaluées sur les résistances mécaniques en compression à l’échelle du mortier jusqu’à 90 jours. Cette méthodologie a permis de mettre en évidence l’impact chimique des additions minérales dès les premières minutes d’hydratation et l’importance de leurs phases mineures. Les principaux modes d’action des deux amines ont pu être identifiés sur les ciments composés avec notamment des effets spécifiques sur la cendre volante et le laitier de haut fourneau.

The current environmental issues of the cement industry lead to the partial substitution of clinker by different supplementary cementitious materials in Portland cement, such as slag and fly ash. However, these blended cements are less reactive than Portland cement. Activators are needed to accelerate their setting or their hardening. Many accelerator systems (molecules or ions) are known for their accelerating effect and studied in the literature, such as triethanolamine (TEA) and diethanol-isopropanolamine (DEIPA). However, a few studies have examined their impacts on blended cements and their effects on the physico-chemical properties of cement pastes.The aim of this work is to have a better understanding of the mode of action and the influence of these two molecules (TEA and DEIPA) on the dispersion state and the chemical reactivity of fresh cement paste. Granular characteristics of the nano/micro-structural to the meso-structural scale of the cementitious formulations at young age were studied in connection with their reactivity and the consequences on the macroscopic behavior of mortar. The analysis of pore solution, until 2h30, allowed highlighting the chemical contributions of mineral additions on reactivity with also the evaluation of the consumption of the two amines during hydration. The reaction kinetics were followed by isothermal microcalorimetry, X-ray diffractometry and thermogravimetric analysis, to determine the impact of the amines on the dissolution of anhydrous phases and on the precipitation of hydrated phases. Physicochemical stability was evaluated by Turbiscan measurement following the sedimentation behavior of lightly diluted pastes for the first 30 minutes of hydration. Finally, consequences of the observed effects were evaluated on the compressive strengths of mortar until 90 days.This methodology highlighted the chemical impact of mineral additions from the first minutes of hydration and the importance of their minor phases. The main mode of action of the two amines have been identified on blended cements with specific effects on slag and fly ash.