Hydratation de liants sur-sulfatés et propriétés des mortiers en couches minces en conditions de dessication dans les systèmes ternaires [laitier de haut fourneau - Sulfate de calcium - CAC]

Sursulphated binders hydration and properties of thin-bed mortars under dessication conditions in ternary system [Ground Granulated Blast-furnace Slag - Calcium sulphate - CAC]

• Auteur / Autrice : Anne Daubresse
• Direction : Mohend Chaouche
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences des Matériaux
• Date : Soutenance en 2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LMPS - Laboratoire de Mécanique Paris-Saclay
• 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 : Président / Présidente : Farid Benboudjema
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Arnaud Perrot, Valérie Montouillout, Emmanuel Gallucci, Guillaume Renaudin, Abdelhak Kaci
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Arnaud Perrot, Guillaume Renaudin

Mots clés

Mots clés libres

Liant ternaire

Laitier de haut fourneau

Liant sur-sulfate

Mortier

Dessication

Hydratation

Ternary binder

Ground granulated blast furnace slag

Sursulphated binder

Mortar

Dessication

Hydration

Résumé

Les formulations de mortiers pour le bâtiment sont en général riches en ciment et la majorité de leur empreinte carbone est portée par ce dernier. C'est dans ce contexte de développement durable que nos travaux se sont portés sur des compositions de liants sur-sulfatés à base de laitier de hauts fourneaux en conditions de dessication. Nous avons mis en évidence que le liant sur-sulfaté, de faible alcalinité, avait une prise particulièrement latente, le rendant particulièrement sensibles à la dessication. Les travaux ont porté sur l'étude de l'hydratation du liant sur-sulfaté pour deux natures de ciment alumineux, dans l'environnement de douze laitiers de haut fourneau de minéralogie distincte, et avec différents taux d'activateur ; Il s'est avéré que le rôle du carbonate de lithium dans ce système assez peu alcalin, car exempt de ciment portland, en tant qu'activateur de dissolution du laitier, était majeur. Nous avons pu décrire que les réactions d'hydratation se faisaient en 2 temps, avec au jeune âge, l'hydratation du CAC, puis à moyen terme, l'hydratation du laitier par activation sulfatique. Les cinétiques d'hydratation se sont révélées très sensibles à la minéralogie du laitier. Une quantification de la consommation des anhydres et des hydrates a pu être réalisés en sollicitant différentes méthodes analytiques classiques ainsi que la RMN du silicium et de l'aluminium pour les phases amorphes. Nous avons mis en évidence que les seuls hydrates formés dans ce système sont l'ettringite puis les C-S-H précipitant dans un second temps sur les cristaux d'ettringite. Les différents essais sur pâte et en solutions diluées nous ont permis de conclure en une dilution non congruente du laitier. Des essais de corrélation entre chaleur cumulée (microcalorimétrie sur formules liantes) et résistances mécaniques (résistance en compression sur formules mortiers) à différentes échéances, de 7 jours à 28 jours, se sont avérées être pertinents quel que soit la réactivité du laitier et sont des essais prédictifs permettant de s'affranchir d'essais lourds sur des formulations de mortiers. Il a été possible de classer les laitiers en fonction de leur réactivité dans l'environnement de formule étudiée. Nous avons pu discuter de la pertinence des différents index d'activité des laitiers utilisés par les cimentiers. Au global et pour notre système de liant sur-sulfaté, l'index s'étant révélé le plus représentatif est l'index de basicité étendue suivant Keil. La dépolymérisation du réseau vitreux, représenté par la valeur de NBO/T (Non Bridging Oxygen / Silicon Tetrahedre) est également très pertinent, indiquant que le critère de solubilité du laitier est le « driver » de la réactivité du type de liant étudié. A l'issu de ces travaux, nous avons finalement pu établir une recommandation sur la sélection du laitier pour l'utilisation dans le liant sur-sulfaté étudié.

Building mortar formulations are generally rich in cement and most of their carbon footprint is carried by the latter. It'ss in this context of sustainable development that our work focused on compositions of sursulphated binders based on Ground Granulated Blast-furnace Slag under drying conditions. We demonstrated that the sursulphated binder, had a latent setting, making it particularly sensitive to desiccation. The work focused on the study of the hydration of the sursulphated binder for two types of CAC cement, in the environment of twelve GGBS of distinct mineralogy, and with different levels of activator; it turned out that the role of lithium carbonate in this relatively low alkaline system, is as an activator of GGBS dissolution, was major. We were able to describe that the hydration reactions occur in 2 stages, with at early age, hydration of CAC cement, then in the medium term, hydration of GGBS by sulphatic activation. Hydration kinetics were found to be very sensitive to slag mineralogy. Quantification of the consumption of anhydrides and hydrates could be carried out by using different classical analytical methods as well as silicon and aluminum NMR for amorphous phases. We have demonstrated that the only hydrates formed in this system are ettringite then C-S-H precipitating in a second time on ettringite crystals. The various tests on mortars, binders and in diluted solutions allowed us to conclude in a non-congruent dissolution for the slag. Correlation tests between cumulative heat (microcalorimetry on binders' formulae) and mechanical strength (on mortars formulae) at different timescales, from 7 days to 28 days, have proven to be relevant regardless of GGBS reactivity and are predictive tests that make it possible to dispense with heavy tests on mortar formulations. It was possible to classify the GGBS according to their reactivity in the studied formula environment. We were able to discuss the relevance of the different dairy activity indexes used by cement manufacturers. Overall and for the binder system we studied, the index that proved to be the most representative is the extended basicity index according to Keil. The depolymerization of the vitreous network, represented by the value of NBO/T (Non-Bridging Oxygen/Silicon Tetrahedre) is also very relevant, indicating that the criterion of solubility of the GGBS is the ''driver'' of the reactivity of the type of binder studied. At the end of this work, we were finally able to establish a recommendation on the selection of GGBS for use in the sursulphated binder studied.