Développement d'une méthode diélectrique radiofréquence (RF) pour le suivi de l'hydratation des matériaux cimentaires

Development of a radiofrequency (RF) dielectric method for monitoring the hydration of cementitious materials

• Auteur / Autrice : Sofiane Ait hamadouche
• Direction : Eric Vourch
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Electronique, Photonique et Micro-Nanotechnologies
• Date : Soutenance en 2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Systèmes et applications des technologies de l'information et de l'énergie (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2002-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : II - Instrumentation et imagerie
• 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 : Ouali Amiri, Pierre Sabouroux, Jean-François Lataste, Aveline Darquennes, Pierre-Yves Joubert
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ouali Amiri, Pierre Sabouroux

Mots clés

Mots clés libres

Contrôle santé intégré

Matériaux cimentaires

Hydratation

Permittivité diélectrique

Modélisation multi-échelles

Capteurs RF

Structural health monitoring

Cementitious materials

Hydration

Dielectric permittivity

Multi-scale modeling

RF sensors

Résumé

Le développement de la microstructure des matériaux cimentaires au jeune âge est responsable du développement des propriétés de ces matériaux, notamment mécaniques et rhéologiques. Il est donc important de pourvoir suivre, par des mesures, les processus d'hydratation des matériaux cimentaires, à savoir la réaction chimique entre ciment et eau au début de la vie d'un tel matériau. Les méthodes calorimétriques, habituellement utilisées, nous renseignent sur l'évolution de la réaction et sur le degré d'hydratation. Cependant, elles sont destructives et inadaptées à une application in-situ. Cette thèse propose une méthode de mesure diélectrique RF en vue du suivi non destructif de l'hydratation des matériaux cimentaires. Elle s'appuie sur des développements expérimentaux et de modélisation. Nous avons conçu une sonde et un protocole de mesure RF large bande - de 50 MHz à 3 GHz - adaptés aux mesures sur une pâte de ciment en cours d'hydratation. Le modèle développé est un modèle multi-échelle permettant de prédire l'évolution de la permittivité diélectrique d'une pâte de ciment en cours d'hydratation. Il combine simulations de dynamique moléculaire à l'échelle nanométrique, modèles d'homogénéisation pour passer à l'échelle mésoscopique du gel de silicate de calcium hydraté (C-S-H), puis à l'échelle macroscopique de la pâte de ciment. Enfin, nous présentons et analysons des mesures de spectroscopie diélectrique RF de suivi d'hydratation, faites sur 28 jours, sur différentes pâtes de ciment (se différenciant par leurs rapports massiques eau/ciment). Les mesures RF s'avèrent sensibles aux variations des propriétés hydriques au cours de l'hydratation, ainsi qu'à différentes évolutions du matériau : comme celles concernant la connectivité de son réseau capillaire, ou encore la prise de la pâte de ciment. De plus, les mesures sont en bon accord avec les prédictions du modèle multi-échelle, particulièrement lorsqu'il prend en compte la densification du C-S-H.

The development of the microstructure of cementitious materials at a young age is responsible for the development of these materials' properties, particularly mechanical and rheological. It is therefore important to be able to use measurements to monitor the hydration processes of cementitious materials, i.e. the chemical reaction between cement and water at the beginning of the life of such a material. The calorimetric methods usually used provide information on the evolution of the reaction and the degree of hydration. However, they are destructive and unsuitable for in-situ application. This thesis proposes a method of RF dielectric measurement for the non-destructive monitoring of hydration in cementitious materials. It is based on experimental and modelling developments. We have designed a probe and a broadband RF measurement protocol from 50 MHz to 3 GHz adapted to measurements on cement paste during hydration. The model developed is a multi-scale model for predicting the evolution of the dielectric permittivity of a cement paste during hydration. It combines molecular dynamics simulations at the nanometric scale, homogenisation models to pass to the mesoscopic scale of the hydrated calcium silicate (C-S-H) gel, and then to the macroscopic scale of the cement paste. Finally, we present and analyse RF dielectric spectroscopy measurements of hydration monitoring, carried out over 28 days, on different cement pastes (differing in their water/cement mass ratios). The RF measurements proved to be sensitive to variations in hydric properties during hydration, as well as to various changes in the material, such as those affecting the connectivity of its capillary network, or the setting of the cement paste. In addition, the measurements are in good agreement with the predictions of the multi-scale model, particularly when it takes into account the densification of C-S-H.