Béton éco-efficace préparé avec des ciments ternaires au laitier

Eco-efficient concrete prepared with ternary slag cements

• Auteur / Autrice : Matthew Cruickshank
• Direction : Mohend Chaouche, Farid Benboudjema, Laurent Frouin, Christian Clergue
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 05/12/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2022-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : École normale supérieure Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1912-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Susan A. Bernal, Rafael Pileggi, Francesca Ridi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Susan A. Bernal, Rafael Pileggi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rhéologie

Ciment -- Produits de remplacement

Malaxage

Éco-béton

Mots clés libres

Béton éco-efficace

Ciment ternaire au laitier

Intensité du liant

Rhéologie

Malaxabilité

Eco-efficient concrete

Ternary slag cement

Binder intensity

Rheology

Mixability

Résumé

Les industries du ciment et du béton ont un besoin urgent de réduire leurs émissions de CO2. Les stratégies de réduction actuelles sont à la fois insuffisantes et non durables. Une stratégie émergente consiste à préparer des bétons avec une quantité réduite d'eau et de matériaux réactifs. Cette thèse vise à développer une meilleure compréhension de ces ciments et bétons en ce qui concerne leur hydratation et leur développement microstructurel, leur rhéologie et leur malaxabilité. Les ciments sont préparés avec des mélanges de filler calcaire, de laitier granulé de haut fourneau moulu et de ciment Portland.Ce travail expérimental met en évidence une variété d'avantages en termes de performance lorsque les caractéristiques physiques du filler calcaire varient à des taux de remplacement élevés. L'augmentation de la finesse du calcaire accélère l'hydratation de l'OPC et du GGBS, mesurée par calorimétrie isotherme.Ensuite, les pâtes de ciment ternaire ont été examinées par rhéométrie rotationnelle, où la viscosité et le comportement d'épaississement par cisaillement constituent une préoccupation majeure. En modifiant uniquement les caractéristiques physiques du filler calcaire, des différences significatives ont pu être observées en ce qui concerne le comportement d'épaississement par cisaillement des pâtes de ciment ternaire à faible teneur en eau. Ces différences ont été étudiées plus en détail par tomographie à rayons X, entre autres techniques.Les pâtes ont été examinées plus en détail du point de vue de leur malaxabilité au moyen de courbes d'énergie de malaxage. Des paramètres physiques et chimiques sélectionnés ont été modifiés pour évaluer la capacité des composants à faciliter la distribution de l'eau et à modifier le comportement de malaxage. Les résultats suggèrent que la malaxabilité d'une pâte de ciment est gouvernée par les mêmes variables qui gouvernent le taux de remontée capillaire à travers les lits de poudre : la viscosité du liquide, la tension superficielle du liquide, l'angle de contact entre les particules solides et le liquide, et la géométrie des vides entre les particules solides.Enfin, le béton a été préparé avec des teneurs en matériaux réactifs de 150 kg/m3 et moins. Le béton présentait des propriétés à l'état frais et durci convenant à une grande partie de l'industrie du béton prêt à l'emploi. Une intensité de liant de moins de 2,5 kg m-3 MPa-1 a été obtenue, ce qui est bien inférieur à ce qui est généralement produit à l'échelle industrielle, avec une empreinte CO2 bien plus faible.

The cement and concrete industries have an urgent need to reduce their carbon emissions. Current reduction strategies are both insufficient and unsustainable. An emerging strategy is to prepare concrete with a reduced quantity of water and reactive materials in what is known as high filler - low water cement and concrete. This thesis aims to develop a better understanding of said cements and concretes with respect to their hydration and microstructural development, rheology, and mixing behaviour. Cements are prepared with blends of limestone filler, ground granulated blast furnace slag, and Portland cement.This experimental work uncovers a variety of performance advantages when varying the physical characteristics of the limestone filler at high replacement rates. Increasing the limestone fineness accelerates the hydration of both the OPC and GGBS as measured via isothermal calorimetry. This acceleration leads to a significant increase in early strength as measured by proxy via ultrasonic pulse velocity measurements. The ternary blends demonstrate denser mircrostructures than blends of OPC and limestone with time.Next, ternary cement pastes were examined via rotational rheometry where a primary concern is viscosity and shear-thickening behaviour. When modifying only the physical characteristics of the limestone filler, significant differences could be observed with respect to shear thickening behaviour of the low-water ternary cement pastes. These differences were further explored via X-ray tomography, amongst other techniques.Pastes were further examined with respect to mixability via mixing energy curves. Selected physical and chemical parameters were modified to evaluate the ability of the components to facilitate the distribution of water and modify mixing behaviour. The results suggest that the mixability of a cement paste is governed by the same variables governing the rate of capillary rise through powder beds: liquid viscosity, liquid surface tension, contact angle between the solid particles and the liquid, and the geometry of the voids between solid particles.Finally, concrete was prepared with reactive material contents of 150 kg/m3 and lower. The concrete had fresh and hardened state properties suitable for a large fraction of the ready-mix concrete industry. A binder intensity of less than 2.5 kg m-3 MPa-1 was achieved, much lower than what is typically produced at industrial scale, with a much lower CO2 footprint.