Ciments composés à base d'aluminate de calcium incorporant des résidus traités valorisables

Calcium aluminate blended cements incorporating engineered residues

• Auteur / Autrice : Jennifer Astoveza
• Direction : André Lecomte, Yiannis Pontikes
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 15/06/2022
• Etablissement(s) : Université de Lorraine en cotutelle avec Katholieke Universiteit Leuven (Brabant flamand, Belgique ; 1970-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy ; Metz)
• Jury : Président / Présidente : Jan Elsen
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yiannis Pontikes, Véronique Baroghel-Bouny, Susan A. Bernal, Romain Trauchessec, Ratana Soth
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Véronique Baroghel-Bouny, Susan A. Bernal

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydratation

Composites de ciment

Composition chimique

Ciment

Laitiers (métallurgie)

Mots clés libres

Laitier

Ciment

CAC

SCM

Cement

Slag

CAC

SCM

Résumé

Au vu des objectifs de durabilité visant à décarboniser l'industrie du ciment, les liants alternatifs ont fait l'objet d'une attention considérable à l'échelle mondiale au cours des dernières décennies. Ces liants sont basés sur l'utilisation de sous-produits industriels comme substituts aux ciments, ou comme granulats ou encore comme composants de matériaux de construction, à performances équivalentes. Dans le cadre de cette thèse, des résidus traités valorisables sont évalués comme addition cimentaire notamment dans des mélanges binaires (ciment alumineux CAC - hémihydrate HH). Trois des sous-produits ont fait l'objet d'une évaluation plus approfondie : i) un laitier riche en fer provenant d'une usine pilote de plomb-zinc sous forme granulée (trempe) ii) un résidu de jarosite ; iii) un résidu du recyclage du papier. Pour identifier et sélectionner ces résidus, il a été réalisé un test de conductimétrie pour mesurer la cinétique de dissolution; des mesures de flux de chaleur pour apprécier les réactions au jeune âge; et une mesure de résistance mécanique sur mortiers standards pour caractériser la réactivité à long terme. Sur la base de leurs caractéristiques générales et d'essais préliminaires, le laitier amorphe riche en fer a été retenu pour l'étude détaillée de la réactivité. Les mortiers standards incorporant de laitiers ont présenté une réactivité supérieure montrant d'une contribution positive à long terme (> 28 jours) à la résistance mécanique. Cependant, il existe actuellement peu de publications sur le mécanisme d'hydratation du fer dans les liants à base de CAC. Afin d'augmenter la cinétique d'hydratation du laitier, l'influence de trois facteurs principaux, dont : (1) l'ajout de résidu de papier riche en chaux comme activateur ; (2) la proportion de sulfates; et (3) l'ajout de ciment Portland (PC), ont été évalués. Plusieurs techniques ont été utilisées pour caractériser les propriétés des mélanges entre 1 jour et 1 an : • la résistance mécanique et la stabilité dimensionnelle ont été suivies en utilisant des éprouvettes de mortier ; • le degré d'hydratation du laitier a été quantifié à l'aide de la microscopie électronique à balayage (MEB), de la tomographie par rayons X (XCT) et de la spectroscopie Mössbauer ; • l'assemblage des phases en fonction de la proportion de CAC a été simulé à l'aide de la modélisation thermodynamique et plusieurs techniques, notamment la calorimétrie isotherme, la diffraction des rayons X (DRX), l'analyse thermogravimétrique (ATG) et la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (IRTF) ont été utilisées pour suivre expérimentalement l'évolution des assemblages ; • le mécanisme d'hydratation du fer contenu dans le laitier a été décrit à partir des résultats de la spectroscopie Mössbauer, de la microscopie électronique à transmission (MET) et de la microscopie électronique à transmission à balayage (METB).

The pressure to decarbonize the cement industry in light of sustainability goals has been motivating the search for new types of supplementary cementitious materials (SCM) in the recent decades. Industrial residues, which otherwise end up in landfills or find low added-value applications, are of particular interest in near-zero-waste process schemes. This thesis explored the potential for valorization of pre-treated residues as SCM in calcium aluminate cement (CAC)-calcium sulfate hemihydrate (HH) system. These residues included non-ferrous metallurgy (NFM) slags, municipal solid waste incinerator (MSWI) bottom ashes, jarosite and paper-fabrication residues. Using isothermal calorimetry and mechanical strength test, a screening test was first established to compare their early-age and the long-term reactivity. The highly-amorphous NFM slags exhibited superior reactivity showing evidence of long-term (> 28 days) contribution to the mechanical strength of mortars at 30 wt% replacement level. However, the slags' slow hydration kinetics in the first days of hydration could be an issue for CAC systems, given that their applications greatly rely on their rapid-hardening property. Moreover, the amorphous nature of the NFM slags and the dominance of iron (Fe) in their composition, set them apart from traditional SCM's. As of this writing, there are only limited publications discussing the hydration mechanism of Fe in CAC-based binders. In order to overcome the slow kinetics of the slag hydration, the influence of three factors, including: (1) the proportion of sulfates by varying the CAC/HH ratio; (2) the addition of lime-rich paper residue at 5 wt% as activator; and (3) the incorporation of 30 wt% PC in ternary CAC-HH-PC systems, were investigated. For all these formulations, the early hydration reactions were characterized using isothermal calorimetry on paste samples. The dimensional stability and mechanical strength were followed using standard mortars up to 1 year curing period. Furthermore, a methodology to estimate the slag hydration degree using a non-destructive technique based on X-ray Computed Tomography (XCT) combined with volume analysis was developed in this study. Several techniques were used to follow the phase assemblage evolution, including: X-ray diffraction (XRD), thermogravimetric analysis (TGA), attenuated total reflection-Fourier transform infrared spectroscopy (ATR-FTIR). Lastly, transmission electron microscopy (TEM), scanning transmission electron microscopy (STEM) and Mössbauer spectroscopy were also performed in order to gain a better understanding of the fate of Fe, the main component of the slag, during hydration.