Rheology control of cements with low environmental impact
Contrôle de la rhéologie des liants à faibles impacts environnementaux
Résumé
In order to reduce the environmental impact of the cement industry, supplementary cementitious materials (SCMs) are used to partially substitute clinker in cement. This common practice leads to the modification of the physical and chemical properties of cement, affecting not only its mechanical strength and durability but also its workability. In this work, we aim to understand and predict the consequences of using supplementary cementitious materials on the rheological properties of the cementitious suspension. We first prove that descriptive models of the suspensions plastic viscosity from literature are not suitable for cementitious suspensions, the latter being concentrated and flocculated. Then, reliable measurements protocols for morphological properties of cementitious powders were developed. In a second step, we illustrate from our rheological measurements on cementitious suspensions the consequences of the addition of supplementary cementitious materials on the yield stress and the plastic viscosity of the suspension. Our results allowed for the validation of the YODEL, a yield stress model existing in literature, and to establish, based on a theoretical approach proposed in the literature, for the first time, a predictive model for the plastic viscosity in cement suspensions. We identified three main parameters, particle size, surface roughness and packing density, as the mean morphological parameters of the powder influencing its rheological properties. Finally, we illustrated through a morphological optimization approach of a ternary cement the impact of the rheological behavior improvement of these cements on the mechanical strength of the hardened mortar with a lower clinker content
Dans le but de diminuer l’impact environnemental de l’industrie cimentière, les ajouts minéraux sont couramment incorporés pour substituer partiellement le clinker dans le ciment. Cette pratique courante engendre la modification des propriétés physico-chimiques du ciment affectant non seulement ses performances de résistance mécanique et de durabilité, mais également sa maniabilité. L’objectif de cette thèse est de comprendre et de prédire les conséquences de l’introduction des ajouts cimentaires sur les propriétés rhéologiques d’une suspension cimentaire et de développer des outils permettant de mieux les contrôler. Nous montrons dans un premier temps que les modèles descriptifs de la viscosité plastique des suspensions de la littérature ne sont pas adaptés aux suspensions cimentaires, ces dernières étant concentrées et floculées. Nous développons par la suite des protocoles de mesure des propriétés morphologiques des poudres cimentaires. Dans un deuxième temps, nous illustrons à partir de nos mesures rhéologiques sur des suspensions cimentaires les conséquences de l’incorporation des ajouts cimentaires sur le seuil d’écoulement et la viscosité plastique de la suspension. Nos résultats permettent de valider le Yodel, un modèle du seuil d’écoulement existant dans la littérature et d’établir en se basant sur une approche théorique proposée dans la littérature, pour la première fois, un modèle prédictif de la viscosité plastique des suspensions cimentaires. Nous identifions trois paramètres principaux, la taille des particules, leur rugosité de surface ainsi que leur compacité, comme les paramètres morphologiques de la poudre influençant ses propriétés rhéologiques. Finalement, nous montrons qu’à travers une approche d’optimisation morphologique d’un ciment ternaire, il est possible de formuler un ciment à faible teneur en clinker ayant les mêmes propriétés rhéologiques et de meilleurs propriétés mécanique qu’un ciment de référence
Origine : Version validée par le jury (STAR)