Performance et durabilité d'un laitier de haut-fourneau activé au carbonate de sodium

Performance and durability of a blast furnace slag activated with sodium carbonate

• Auteur / Autrice : Patrick Azar
• Direction : Martin Cyr, Cédric Patapy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 17/07/2023
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LMDC - Laboratoire Matériaux et Durabilité des Constructions de Toulouse - Laboratoire Matériaux et Durabilité des constructions / LMDC
• Jury : Président / Présidente : Catherine A. Davy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gabriel Samson, Rachida Idir
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : David Bulteel, Gwenn Le Saout

Mots clés

Mots clés contrôlés

Corrosion

Béton armé -- Carbonatation

Matériaux -- Détérioration

Mots clés libres

Durabilité

Carbonatation

Réaction alcali granulat

Corrosion

Attaque chimique

Laitier alcali-Activé

Durability

Carbonation

Alkali-Silica reaction

Corrosion

Chemical attack

Alkali-Activated slag

Résumé

L'industrie du ciment est responsable d'environ 7 % du total des émissions de CO2 dans le monde et de 52 % de celles émises dans le domaine de la construction. Le développement de nouveaux matériaux de construction durables et à faible émission est essentiel pour que le secteur de la construction réduise l'empreinte environnementale de ses activités. Les émissions de gaz à effet de serre et le coût énergétique liés à la production des laitiers de haut-fourneau alcali-activés au carbonate de sodium (AAS-Na2CO3) sont en général plus faibles que ceux des ciments ordinaires, ce qui constitue un avantage environnemental. Les connaissances de leur durabilité sont encore néanmoins partielles car ces liants avaient jusqu'à maintenant été moins utilisés industriellement, à cause principalement de leur faible résistance mécanique à un jeune âge. Suite aux développements récents des formulations permettant de limiter ce problème, ce travail a donc eu comme objectif d'évaluer la durabilité de cette matrice. Une approche performantielle a d'abord montré que l'AAS-Na2CO3 a des performances équivalentes au CEM III/C vis-à-vis de la résistance à la compression à long terme, de la porosité et des attaques chimiques à l'acide nitrique et au sulfate de sodium. L'AAS-Na2CO3 a par ailleurs montré de meilleures performances vis-à-vis de la pénétration des chlorures. Néanmoins, une plus faible résistance à la carbonatation a été observée dans ce matériau. Après carbonatation, des pH de stabilisation plus élevés ont été mesurés dans le AAS-Na2CO3 par rapport au CEM III, à cause de l'effet tampon des alcalins (vérifié par SEM/EDS) et de l'hydrotalcite (vérifié par SEM/EDS, DRX et ATG). L'étude de la corrosion par carbonatation a été faite sur des échantillons armés. Des suivis électrochimiques ont montré un potentiel risque de corrosion, validé par des autopsies, mais dans des conditions sévères qui ne seront probablement pas rencontrées dans des applications réelles. Finalement, la réaction alcali granulat (RAG) dans l'AAS-Na2CO3 a été investiguée. Des expansions dues à la RAG ont été mesurées, confirmées par la présence de gel. Un moyen de réduction des gonflements par ajout de certaines additions a montré un fort potentiel d'efficacité. Les mécanismes de réduction des expansions de RAG ont ainsi été investigués.

The cement industry is responsible for approximately 7% of the world's total CO2 emissions and 52% of those emitted by the construction industry. The development of new sustainable and low-emission building materials is essential for the construction sector to reduce the environmental footprint of its activities. Greenhouse gas emissions and energy costs associated with the production of sodium carbonate alkali-activated blast furnace slag (AAS-Na2CO3) are generally lower than those of conventional cements, which is an environmental advantage. The knowledge about their durability is still limited because these binders have been less commonly used in industry until now, mainly due to their low mechanical strength at a young age. Following recent developments in formulations that allow this issue to be limited, the objective of this work was to evaluate the durability of this material. A performance-based approach first showed that AAS-Na2CO3 has equivalent performance to CEM III/C with respect to long-term compressive strength, porosity and chemical attack by nitric acid and sodium sulfate. AAS-Na2CO3 also showed better performance against chloride penetration. Nevertheless, a lower resistance to carbonation was observed in this material. After carbonation, higher stabilization pH values were measured in AAS-Na2CO3 compared to CEM III, due to the buffering effect of alkali (verified by SEM/EDS) and hydrotalcite (verified by SEM/EDS, DRX and ATG). The study of corrosion by carbonation was done on reinforced samples. Electrochemical follow-ups have shown a potential risk of corrosion, validated by autopsies, but under severe conditions that will probably not be encountered in real applications. Finally, the alkali-silica reaction (ASR) in AAS-Na2CO3 was investigated. Expansions due to ASR were measured, confirmed by the presence of gel. A method for reducing swelling by adding certain additives has shown strong potential for effectiveness. The mechanisms for reducing ASR swelling were therefore investigated.