Etude multi-échelle de la transformation du sulfate de calcium hémihydraté en gypse par diffraction des rayons-X et tomographie

Multiscale study of the calcium sulfate hemihydrate-gypsum transformation with diffraction and tomography techniques

• Auteur / Autrice : Michela La Bella
• Direction : Alejandro Fernández Martínez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l’Environnement
• Date : Soutenance le 26/04/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble, Isère, France ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de la Terre (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Truche
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Renard, Pierre Bordet, Tomasz Stawski
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Maria Chiara Dalconi, Giuseppe Cruciani

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rayons X

Gypse

Mots clés libres

Tomographie par diffraction

Gypse

X-Ray

Gypsum plaster

X-Rays

Diffraction tomography

Résumé

Le sulfate de calcium hémihydraté -bassanite et le gypse sont deux phases minérales d'importance géologique et industrielle. Ils sont largement présents dans la croûte terrestre et sont utilisés dans divers processus industriels en raison de leur faible coût et de leur disponibilité. Le plâtre de Paris, qui est produit à partir de l'hydratation du sulfate de calcium hémihydraté en gypse, est un important matériau de construction à base de sulfate de calcium. Dans cette thèse de doctorat, une caractérisation multi-échelle détaillée du processus d'hydratation du plâtre de Paris et de tous ses sous-processus a été réalisée. L'application de techniques de diffraction des rayons-X durs et de tomographie au synchrotron à une source de lumière synchrotron de 4ème génération telle que l'ESRF-EBS a permis d'étudier le système in situ et d'obtenir des informations morphologiques et cristallographiques complémentaires. La thèse se concentre sur trois principaux chapitres de recherche. Le premier contient une étude cristallographique détaillée d'échantillons de sulfate de calcium hémihydraté synthétisés selon différentes méthodes, et répond à certaines questions de longue date sur le polymorphisme de la bassanite. Dans le deuxième chapitre, les relations spatiales et cristallographiques entre le sulfate de calcium hémihydraté et le gypse ont été étudiées en utilisant une approche in situ. Enfin, les mécanismes de dissolution du sulfate de calcium hémihydraté ont été étudiés à différentes échelles spatiales. Les résultats de cette étude multi-échelle complète des processus impliqués dans la réaction d'hydratation du sulfate de calcium démontrent la pertinence et le potentiel des techniques puissantes non conventionnelles dans la caractérisation des systèmes complexes hétérogènes.

Calcium sulfate hemihydrate –bassanite and calcium sulfate dehydrate –gypsum are two mineral phases of geological and industrial significance. They are widely present in the Earth's crust and used in various industrial processes due to their low cost and availability. Gypsum plaster, which is produced from the hydration of calcium sulfate hemihydrate to gypsum, is an important construction material made of calcium sulfate. In this Ph.D. thesis, a detailed multiscale characterization of the hydration process of gypsum plaster and all its sub-processes has been performed. The application of synchrotron hard X-ray diffraction and tomography techniques at a 4th generation synchrotron light source such as the ESRF-EBS has allowed in situ investigations of the system, gaining complementary morphologic and crystallographic insights. The thesis focuses on three main research chapters. The first one contains a detailed crystallographic study of calcium sulfate hemihydrate samples synthesized following different methods, and answering some long-standing questions about the polymorphism of bassanite. In the second chapter, the spatial and crystallographic relationships between calcium sulfate hemihydrate and gypsum have been investigated using an in situ approach. Lastly, the dissolution mechanisms of calcium sulfate hemihydrate have been probed at different spatial scales. The results of this comprehensive multiscale study of the processes involved in the hydration reaction of calcium sulfate demonstrates the suitability and potentiality of unconventional powerful techniques in characterizing heterogeneous complex systems.