Mécanismes d'actions des adjuvants des liants minéraux à base de laitier

Action mechanisms of admixtures in slag-based mineral binders

• Auteur / Autrice : Clara Paillard
• Direction : Jean-Baptiste d' Espinose
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des Matériaux
• Date : Soutenance le 14/11/2022
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Sciences et ingénierie de la matière molle (Paris ; 1997-....) - Sciences et Ingénierie de la Matière Molle (UMR 7615)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris (1882-....)
• Jury : Président / Présidente : Nicolas Lequeux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Baptiste d' Espinose, Sandrine Garrault-Gauffinet, Robert J. Flatt, Marta Palacios Arevalo, Nicolas Roussel, Nicolas Sanson, Vanessa Kocaba
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sandrine Garrault-Gauffinet, Robert J. Flatt

Mots clés

Mots clés libres

Ciment

Hydratation

Polymère

Rhéologie

Superplastifiant

Cement

Hydration

Polymer

Rheology

Superplasticizer

Résumé

La réduction de l'empreinte carbone de la production de ciment conduit à la conception de nouveaux liants minéraux. Ceux-ci peuvent être complètement dépourvus de ciment ordinaire, en le remplaçant par des sous-produits industriels, tels que le laitier de haut-fourneaux. Cependant, contrairement au clinker Portland, l’hydratation de ces matériaux doit être activée par des espèces alcalines telles que NaOH, Na2CO3, ou des silicates tels que Na2Si1,7O4,4. On parle de laitiers activés. L'industrie a alors besoin d'une compréhension approfondie des mécanismes chimiques en jeux, afin de pouvoir contrôler la réaction d’hydratation et la fluidité de ces pâtes. De plus, des polymères de type polycarboxylates d’éther, appelés superplastifiants, généralement utilisés afin de limiter la floculation des particules de ciment et ainsi de contrôler leur ouvrabilité, perdent leur efficacité dans les laitiers activés. Dans cette étude, nous avons donc d’abord étudié les capacités de fluidification et d’adsorption des superplastifiants dans ces systèmes. Nous avons montré que ces polymères ont une mauvaise solubilité dans les solutions d’activation, inhibant la répulsion stérique qui maintient les particules de laitier dispersées. Une adsorption plus faible des superplastifiants sur le laitier en présence des carbonates et des silicates a été observée, probablement due à une compétition d’adsorption avec les anions des activateurs. D’autre part, une étude de l’influence des activateurs sur les chemins réactionnels a été conduite par calorimétrie isotherme, MAS-NMR du 29Si et de l’27Al, et par XRD. Finalement, des mesures rhéologiques ont permis de montrer que la perte de fluidité des ciments activés par NaOH et Na2CO3 est due à une rigidification des contacts entre particules. Ce phénomène n’a pas lieu en présence de Na2Si1,7O4,4 grâce à une charge de surface plus élevée permettant une stabilisation de la suspension de laitier.

Reducing the carbon footprint of cement production is leading to the development of new mineral binders. These can be completely devoid of ordinary cement, replacing it with industrial by-products, such as blast furnace slag. However, unlike Portland clinker, the hydration of these materials must be activated by alkaline species such as NaOH, Na2CO3, or silicates such as Na2Si1,7O4,4. One speaks of alkali-activated slags. The industry needs a deep understanding of the chemical mechanisms involved, in order to be able to control the hydration reaction and the fluidity of these pastes. In addition, ether polycarboxylate polymers, called superplasticizers, are generally used to limit the flocculation of cement particles and thus control their workability. In this study, we first investigated the dispersing and adsorption capacities of superplasticizers in these systems. We showed that these polymers have a poor solubility in the activating solutions, inhibiting the steric repulsion that keeps the slag particles dispersed. A weaker adsorption of superplasticizers on the slag, when using carbonates and silicates, was observed, probably due to adsorption competition with the activators anions. In addition, a study of the activators influence on the reaction pathways was conducted by isothermal calorimetry, MAS-NMR of 29Si and 27Al, and by XRD. Finally, rheological measurements showed that the loss of fluidity of NaOH and Na2CO3-activated cements is due to a stiffening of the contacts between particles. This phenomenon does not occur in the presence of Na2Si1,7O4,4 due to a higher surface charge allowing a stabilisation of the slag suspension.