Composites ciment-carbone multifonctionnels pour des applications environnementales : Séquestration du CO2 et Auto-Chauffage

Multifunctional cement-carbon composites for environmental applications : CO2 Sequestration and Self-Heating

• Auteur / Autrice : Fairouz Touati
• Direction : Katerina Ioannidou, Gwenn Le-saout
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique, Génie Civil et Architecture
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 30/04/2025
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Information, Structures, Systèmes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LMGC - Laboratoire de Mécanique et Génie Civil
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Physique et mécanique des milieux divisés (Pmmd)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Katerina Ioannidou, Agathe Robisson, Vanessa Coulet, Daniel Ferry, Roland Pellenq, Gwenn Le-saout
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Agathe Robisson, Vanessa Coulet

Mots clés

Mots clés libres

Composites ciment-carbone

Conductivité

Séquestration CO2

Échauffement

Carbonatation

Microstructure

Composites ciment-carbone

Conductivity

CO2 sequestration

Heating

Carbonation

Microstructure

Résumé

En raison de l'urgence climatique, où la lutte contre les émissions de CO2 se renforce. Le secteur de la construction, et particulièrement la production de ciment, doit innover pour réduire son impact environnemental et contribuer à un avenir durable. De nos jours, ils existent plusieurs alternatives afin de réduire cette empreinte carbone. Notamment la séquestration du CO2 par le biais d'un processus naturel, lent dans le temps, appelé carbonatation. Ce projet d'étude s'intéresse à ce phénomène de carbonatation, dans le but étant d'accélérer cette séquestration du CO2, par l'intermédiaire des nouvelles propriétés thermoélectriques et de la nanoporosité du carbone (acétylène black) apportées au ciment. Cette thèse comporte un Chapitre I, rappelant l'intérêt du composite ciment-carbone ainsi que les différents impacts de l'optimisation de la carbonatation et ses conséquences. Suivie d'un Chapitre II, sur la préparation des composites et des différentes méthodes abordées pour déterminer les propriétés thermoélectriques et l'évaluation de la carbonatation. Puis les derniers Chapitres III et IV abordent les résultats expérimentaux, respectivement, des propriétés thermoélectriques et de la séquestration du dioxyde de carbone dans le composite. Les résultats obtenus ont montré que l'ajout du carbone acetylene black (AB) à partir d'un certain point de percolation (autour de 2%m de carbone), apportés des résultats très intéressants sur la conductivité électrique et sur les propriétés thermiques. La matrice cimentaire passe d'un état isolant à un état conducteur électrique. On observe une dépendance linéaire entre l'ajout du carbone et les propriétés thermoélectriques. L'étude de la carbonatation sur ce composite ont montré que l'ajout de carbone amélioré la cinétique de carbonatation lors de l'étude NC 24h (hydratation préalable de 24h). Cette amélioration est notamment observable les premiers jours et les derniers jours de l'étude du suivie du front de carbonatation (FC) pour e/c 0.42. Pour e/c 0.6, une carbonatation totale de l'échantillon a été plus rapide pour le composite à 2% AB, que pour 0% AB. En condition idéale, lorsque le paramètre d'humidité relative (HR) est contrôlé à 55% on peut observer une tendance inversée, cependant ces conditions apporte une nette amélioration de la carbonation pour le ciment. La carbonatation a été bénéfique en ce qui concerne l'amélioration de la résistance à la compression. Les carbonates de calcium formés colmatent les pores rendant le matériau plus dense, plus résistant.

The climate emergency, where the fight against CO2 emissions is increasingly intense. The construction sector and especially cement production, must innovate to reduce its environmental impact and contribute to a sustainable future. Nowadays, there are several alternatives for reducing this carbon footprint. These include CO2 sequestration thanks to a natural process called carbonation, which takes place slowly over time. This research project focuses on this carbonation phenomenon, with the aim of accelerating CO2 sequestration through new thermoelectric properties and carbon nano porosity (acetylene black) in cement. This thesis includes a Chapter I, presenting the interest of the cement-carbon composite, and the different impacts of carbon optimization and its consequences. This is followed by Chapter II, on the preparation of composites and the various methods used to determine thermoelectric properties and evaluate carbonation. The final Chapters III and IV present experimental results on thermoelectric properties and carbon dioxide sequestration in composites, respectively. The results obtained showed that the addition of acetylene black carbon (AB) from a certain percolation point (around 2%wt of AB), led to very interesting results in terms of electrical conductivity and thermal properties. The cementitious matrix changes from an insulating to an electrically conductive state. There is a linear dependence between carbon addition and thermoelectric properties. Carbonation studies on this composite showed that the addition of carbon improved carbonation kinetics in the NC 24h study (24h pre-hydration). This improvement is particularly noticeable in the first and last days of the carbonation front (CF) follow up study for w/c 0.42. For w/c 0.6, total carbonation of the sample was faster for the 2% AB composite than for 0% AB. Under ideal conditions, when the relative humidity (RH) parameter is controlled at 55% , a reversed trend can be observed, although these conditions bring a clear improvement in carbonation from cement. Carbonation also has a positive effect on compressive strength, as the calcium carbonate formed closes the pores.