Structure et réactivité des ferrites de calcium industriels (brownmillerite) et de leurs hydrates, vis-à-vis des solutions aqueuses sulfatées

Structure and reactivity of industrial calcium ferrites (brownmillerite) and their hydrates concerning aqueous sulfated solutions

• Auteur / Autrice : Alexis Meriot
• Direction : Frédéric Dunstetter
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière condensée
• Date : Soutenance le 05/12/2022
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des solides irradiés (Palaiseau, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Baptiste D'espinose de lacaillerie
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Dunstetter, Gwenn LE SAOûT, Guillaume Renaudin, Laurent Izoret, Céline Cau dit coumes, Murielle Rivenet, Marie-Noëlle De noirfontaine
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gwenn LE SAOûT, Guillaume Renaudin

Mots clés

Mots clés libres

Structure

Brownmillerite

Solution solide

Solutions sulfatées

Structure

Brownmillerite

Solid solution

Sulphated solutions

Résumé

La résistance des ciments aux sulfates est restée un problème important depuis le début de leur histoire. Les sulfates sont à l’origine de gonflements qui provoquent la fissuration du matériau. Leur présence dans les environnements marins ou sols gypseux pose donc des problèmes vis-à-vis de la durabilité du ciment Portland. Le ciment Portland, contient essentiellement deux silicates de calcium, et deux aluminates de calcium, l’aluminate tricalcique et le ferrite. Le rôle de l’aluminate tricalcique dans la baisse de résistance aux sulfates est connu, cependant celui du ferrite qui n’a pas été étudié semble déterminant.C’est pourquoi nous avons travaillé sur la réactivité en milieu sulfatique du ferrite de synthèse et industriel.Néanmoins, la complexité du ciment ne permet pas de travailler directement sur ce dernier. Nous sommes parvenus à mettre au point une méthode de double extraction pour l’étudier.Le ferrite fut étudié par diffraction des rayons X, spectroscopie Mössbauer, spectroscopie de fluorescence X et microsonde de Castaing. La réactivité du ferrite fut aussi étudiée dans différents milieux réactionnels par spectroscopie d’émission atomique et conductimétrie. Les résultats montrent que la réactivité du ferrite dépend très fortement du rapport molaire Al/Fe mais aussi du milieu réactionnel. Différentes valeurs pivots ont pu être trouvées en fonction du milieu. On arrive à mesurer très finement la réactivité, même pour des ferrites très proches chimiquement.Il s’avère à travers ce travail que le ferrite ne peut plus être négligé pour les études de durabilité.

Resistance of cements against sulfate attacks is a very important issue since the beginning of the history of cements. Sulfates are responsible of the swelling and breaking of concrete. Their presence in many environments, such as sea water and gypsum-rich soil, is a problem for the durability of Portland cement. Portland cement is composed of two calcium silicates, and two calcium aluminates, tricalcium aluminate and calcium ferrite. Studies have shown the important role of tricalcium aluminate in the lowering of cement resistance in sulfated environments, however, the role of ferrite is not well known and appears now to be important.That is why we worked on the reactivity in sulfated medium of synthetic and industrial ferrite.However, the complexity of cement renders the study of industrial material very difficult. We have developed a double extraction method in order to extract the industrial ferrite. Ferrite was systematically studied by powder X-ray diffraction, electron microprobe, X-ray fluorescence spectroscopy and 57Fe Mössbauer spectroscopy. Results show a strong dependence of ferrite reactivity either on the Al/Fe ratio and the environment. Several threshold values can be found depending on the solution. Dissolution speeds in very diluted solutions made it possible to predict the reactivity of ferrite and to distinguish very close Al/Fe ratios. It appears through this work that ferrite can no longer be ignored for its role in the sulfated attack.