Étude de la réaction alcali-silice au sein de bétons formulés pour le conditionnement de concentrats d‘évaporation

par Nicolas Courtois

Thèse de doctorat en Génie civil

Sous la direction de David Bulteel et de Céline Cau Dit Coumes.

Le président du jury était Sébastien Rémond.

Le jury était composé de Cyrille Albert-Mercier, Seifallah Ben Hadj Hassine.

Les rapporteurs étaient Jean-Baptiste d' Espinose, Eric Garcia-Diaz.


  • Résumé

    La production d’électricité d’origine nucléaire génère des déchets radioactifs dont la gestion constitue un enjeu industriel et environnemental de premier plan. Ainsi, les effluents aqueux de faible ou moyenne activité peuvent être concentrés par évaporation, puis immobilisés avec un liant hydraulique (ciment Portland, généralement) avant d’être envoyés en stockage. Des interactions peuvent néanmoins se produire entre certains constituants du déchet et les phases cimentaires ou les granulats ajoutés et affecter la stabilité du matériau obtenu. Ainsi, la formation d’une substance gélatineuse a-t-elle été observée à la surface de certains colis de concentrats d’évaporation cimentés produits dans les années 1980 à la centrale de Doel en Belgique. Elle pourrait résulter d’une réaction entre la silice des granulats et la solution interstitielle très alcaline du matériau cimentaire. Ses propriétés semblent toutefois différer de celles des gels d’alcali-réaction classiquement décrits dans le génie civil. Ce travail de thèse vise donc à mieux comprendre les processus impliqués dans la formation du gel au sein des enrobés de concentrats et à caractériser ses propriétés, en lien avec sa composition et sa structure.L’objectif premier est de reproduire le gel au laboratoire. Deux méthodes sont mises en œuvre avec succès. Des éprouvettes de béton incorporant un déchet simulé et un granulat siliceux réactif de type silex sont élaborées puis soumises à un cycle thermique représentatif de l’historique thermique au jeune âge des enrobés. Des gels synthétiques sont également directement préparés par mélange de solutions salines concentrées à une solution de silicates de sodium.Les caractérisations réalisées sur les gels obtenus mettent en évidence leurs caractères hygroscopique et efflorescent ainsi que leur forte tendance à la carbonatation, nécessitant la prise de précautions particulières lors de leur analyse. Ces gels, structurellement représentatifs des gels réels, possèdent une structure amorphe ou nanocristalline qui reste faiblement influencée par leur composition chimique dans les fenêtres étudiées. Ils présentent un comportement de fluide newtonien, leur viscosité dépendant au premier ordre de leur teneur en eau et de la température.Le deuxième objectif est de préciser l’influence de la composition des concentrats cimentés et de l’historique thermique des enrobés sur la cinétique de formation du gel, ainsi que sur l'endommagement causé aux enrobés. Il apparaît que l'incorporation de concentrats alcalins favorise l'expansion et la fissuration du béton. De façon opposée, une élévation de température au jeune âge, en permettant l’exsudation du gel, accroît la stabilité ultérieure du matériau.Enfin, la dégradation des granulats par la réaction alcali-silice est approfondie d’une part en étudiant le comportement des granulats en milieu alcalin modèle et d'autre part en caractérisant des granulats extraits d’éprouvettes de béton artificiellement vieillies. Il est montré que le granulat dégradé en milieu modèle est soumis à une compétition entre sa dissolution et la création de défauts dans son réseau silicaté (amorphisation), induisant une diminution de sa densité ainsi qu’une augmentation de sa surface spécifique. Le milieu modèle s’avère une approche intéressante pour atteindre sur des temps courts une dégradation très avancée des granulats.

  • Titre traduit

    Study of alkali-silica reaction occuring in concretes designed for evaporator concentrates immobilization


  • Résumé

    Electricity production from nuclear power plants generates radioactive wastes, the management of which represents a major industrial and environmental concern. Thus, low -- or intermediate -- level radioactive aqueous waste streams may be concentrated by evaporation, and immobilized with a hydraulic binder (Portland cement, usually), before being sent to disposal. Nevertheless, interactions may occur between some components of the waste and the cement phases or aggregates, and decrease the stability of the final waste forms. Thereby, the formation of a gel-like product has been recently observed on the surface of some cemented drums of evaporator concentrates, which were produced in the 80’s at Doel nuclear power plant in Belgium. This product may result from a reaction between silica from the aggregates and the very alkaline pore solution of the concrete. However, its properties seem to differ from those reported for alkali-silica gels in civil engineering. Thus, this work aims at better understanding the processes involved in the gel formation within the cement-waste forms and at characterizing its properties, linked to its composition and structure.The first objective is to reproduce the gel in the laboratory. Two methods are successfully developed. Concrete specimens comprising a surrogate waste and a reactive siliceous aggregate (flint) are designed and submitted to a thermal cycle representative of the early-age thermal history of the cemented drums produced at Doel. Synthetic gels are also directly prepared by mixing concentrated saline solutions with a sodium silicate solution.Characterizations achieved on the resulting gels highlight their hygroscopic and efflorescent behaviors, as well as their high tendency to undergo carbonation, requiring a careful handling while analyzing them. These gels, structurally representative of real gels, exhibit an amorphous or nanocrystalline structure that remains weakly influenced by their chemical composition in the studied domain. They exhibit a Newtonian fluid behavior, their viscosity depending mainly on their water content and on the temperature.The second objective is to refine the influence of the cemented concentrates composition and concrete thermal history on the gel formation rate, as well as on the damage caused to the cementitious material. The incorporation of alkaline concentrates promotes the expansion and cracking of the concrete. Reversely, a temperature rise at early age, by allowing the gel exudation, improves the subsequent stability of the material.Finally, the aggregate degradation by alkali-silica reaction is investigated on the first hand by looking at the aggregate behavior in ideal alkaline medium, and on the second hand by characterizing aggregates extracted from artificially aged concrete specimens. Two competitive behaviors are outlined for the aggregate degraded in ideal medium: dissolution, and creation of flaws in its siliceous network (amorphisation), which decreases its volumetric mass density and increases its specific surface area. The ideal medium is shown to be an interesting approach to reach high degrees of degradation within a short period.


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