Contribution à l'élaboration d'un système d'aide à la formulation de liants hydrauliques pour la stabilisation/solidification de déchets

There is a lack of complete and consistent data on waste/cement composite interactions. This Phd work proposed a design tools including research history as well as experimental data focused on heavy-metal / cementitious composite (HM/C) interactions. The laboratory part enlighted the mechanisms involved in heavy metal solidification/stabilization by cementitious binders. The experimental protocol design relies on two substrates: (i) HM/C suspension characterized by Ionic conductimetry, XRD, FTIR, DTA, SEM-EDAX, ICP and ionic chromotography ; (ii) HM/C composite characterized by lixivation followed by microstructural analysis (XRD, FTIR, DTA, SEM-EDAX). Result confirmed wether heavy metal modified the hydration products and cinetic, and gave access to both the extent of 'binder stabilization' and the extent of 'binder solidification' part. A cement / waste intecraction chart is drawn and associated to an index of solidification/stabilization efficiency. Synthetic forms of heavy metals (lead, chromium and cadmium) as well 8 commercial cement (3 portland and 5 slag cement) are selected to validate the methodology. Cement Specific Surface, and Ionic Concentration within the first hours of hydration as well as connectivity and tortuosity of the porous network arising from hydration are key parameters to design adequate binder for waste solidification/stabilization. MEB studies revealed the complex architecture of modified hydration product at the nanoscale, further 3D studies are needed to image this multiscale nanoporous media.L'objectif principal était de développer un outil de formulation dédié à l'inertage des déchets par des liants minéraux (laitiers, fondus, portland..) pour un stockage en décharge classée ou pour valorisation sous la forme d'Eco-matériaux. Deux voies de recherches se sont déroulées en parallèle, d'une part la caractérisation multi-échelles du 'composite liant/déchet' pour qualifier l'efficacité de l'inertage,d'autre part, la mesure des propriétés rhéologiques et mécaniques du 'composite liant/déchet' pour mieux cibler son domaine d'emploi. Il est apparu rapidement que pour fonder l'outil de formulation, une description fine du réseau poreux obtenu (diamètre et connectivité des capillaires, distribution de taille et morphologie des pores) associée à une étude des microstructures formées seraient impératives. Pour ce faire des expériences multi-échelles à caractère novateur ont été mises en place (ICP-OES couplée avec de la conductimètrie, cartographie MEB) et appliquées à 8 couples liant/ polluant. Elles ont confirmé une intégration des polluants sous diverses formes microstructurales dans de nouveaux composés Pour mieux prédire les cinétiques de rejet, dans le cadre d'une mise en décharge, les lois classiques de diffusion ont été revisitées sur une période d'étude de [3min-24mois] et les coefficients de diffusion de Fick ont été calculés globalement ou par partie

Outils de formulation pour les matériaux thermo-structurés dédiés à la rénovation thermique du bâti

Le secteur du bâtiment représente le principal gisement d'économies d'énergie exploitable immédiatement, en effet il consomme plus de 40 % de l'énergie finale et contribue pour près du quart aux émissions françaises de gaz à effet de serre. Un plan de rénovation énergétique et thermique des bâtiments existants, réalisé à grande échelle et cadré par le Grenelle de l'Environnement, vise à réduire durablement les dépenses énergétiques. Avec près de 20 millions de logements construits avant 1975, sans aucune isolation thermique, la surface de parois à isoler est donc considérable et met en évidence une problématique de volume d'isolant et la nécessiter de proposer de nouveaux matériaux isolants en appliquant une approche système. Les travaux présentés ont pour objectif d'améliorer la compréhension des interactions microstructures / propriétés et à partir de ces connaissances de produire des outils d'aide à la formulation pour la rénovation du bâti ancien. L'exercice de la formulation de matériau est abordé avec une approche composite expérimentale et numérique à plusieurs échelles. En effet l'optimisation d'un matériau nécessite de décrire et de connaître finement les interactions entre les composants (liant organique et/ou minéral, fibres, squelette granulaire, structure poreuse). Nous nous intéressons dans une première partie à l'intégration d'un renfort dans un matériau poreux organo-minéral, afin de mieux comprendre comment conserver les propriétés hydriques du matériau (perméabilité vapeur) tout en améliorant ses propriétés mécaniques en traction. Les mesures expérimentales confirment la nécessité de coupler la rhéologie et la mécanique des composites pour proposer un outil d'aide à la formulation dédié à l'Isolation Thermique par l'Extérieur. La seconde partie aborde le verrou scientifique de la formulation de la matrice des matériaux isolants et plus particulièrement leur caractère non fissurant dans une gamme de température et d'hygrométrie classiquement rencontrée lors d'une exposition réelle sur site. Nous cherchons une meilleure illustration des propriétés mécaniques élastiques du matériau en lien avec les observations microstructurales effectuées en microscopie environnementale. Ceci se traduit par une meilleure compréhension de la structure organo-minérale formée. La troisième partie se focalise sur l'étude des renforts utilisés dans ces matériaux composites et vise à définir des outils statistiques pour caractériser leurs performances. Nous proposons un couplage AFM / Essai sur fil, et une analyse via une loi normale pour caractériser les renforts, et définir des indices de performances utilisables dans des modèles de formulation. La dernière partie se place à l'échelle d'une paroi composite de bâtiment et cherche à développer des outils aptes à qualifier les performances d'un matériau fracturé, en lien avec une évaluation non destructive du matériau. Le caractère fragile et fissurant des matériaux de construction est ainsi intégré des la conception du matériau et pris en compte dans un modèle thermique et hydrique couplé. In fine des seuils de performance devraient pouvoir être proposés et déclencher des maintenances préventives à l'image des procédures déjà en place sur les structures génie civil

Characterization of cement paste by dynamic mechanical thermo-analysis: Part I: Operative conditions

International audienceThe present study presents dynamic mechanical thermoanalysis (DMTA) of cement pastes and promotes the specificity of this non-destructive technique. Operative conditions and their impact on results are reviewed. A set of silicate rich cement pastes (HTS) vapour cured at 80 °C for 48 h, is submitted to a very small sinusoidal torsion strain. Dynamic mechanical behaviour of the sample is studied within a [- 150 °C, 226 °C] temperature range. A rate of temperature increase of 2 K min- 1 is fixed. The sinusoidal strain imposed has a frequency of 1 Hz in further tests. Different temperature paths are defined to characterize a sample: single run/double run and step run. Results show that DMTA is useful to characterize porosity, silicates hydration and silicates degradation. Moreover DMTA is able to check whether polymer is well dispersed in the cement matrix or not

Characterization of cement paste by dynamic mechanical thermo-analysis: Part I: Operative conditions

International audienceThe present study presents dynamic mechanical thermoanalysis (DMTA) of cement pastes and promotes the specificity of this non-destructive technique. Operative conditions and their impact on results are reviewed. A set of silicate rich cement pastes (HTS) vapour cured at 80 °C for 48 h, is submitted to a very small sinusoidal torsion strain. Dynamic mechanical behaviour of the sample is studied within a [- 150 °C, 226 °C] temperature range. A rate of temperature increase of 2 K min- 1 is fixed. The sinusoidal strain imposed has a frequency of 1 Hz in further tests. Different temperature paths are defined to characterize a sample: single run/double run and step run. Results show that DMTA is useful to characterize porosity, silicates hydration and silicates degradation. Moreover DMTA is able to check whether polymer is well dispersed in the cement matrix or not

Modélisation chimique de la réaction alcali-silice: prise en compte de l'influence de la distribution granulaire réactive

International audienceLes mécanismes réactionnels de la réaction alcali-silice sont suffisamment bien connus pour savoir comment s’en prémunir pour tous les ouvrages à construire. En revanche, pour tousles ouvrages en service atteints par cette pathologie, un outil d’aide à l’expertise apparaît nécessaire. Cet article présente un modèle qui permet de comprendre et sous certainesconditions de prédire la cinétique et l’amplitude du gonflement induit par la réaction alcalisilice. Il est basé sur la description du transport et de la réaction des ions dans le béton. Ilpermet notamment de tenir compte de l’influence de la distribution granulaire réactive. L’article présente aussi les résultats d’une série d’essais concernant l’influence de la taille et de ladistribution granulaires des granulats réactifs. La comparaison avec les résultats des simulations numériques correspondantes est enfin présentée

Etude expérimentale et modélisation de l'influence de l'eau sur la réaction alcali-silice

International audienceL’eau est un ingrédient essentiel pour la réaction alcali-silice, elle est à la fois réactif car elle est partie intégrante des produits formés et milieu de transport des espèces ioniques. Letravail présenté propose une nouvelle méthode qui permet de prendre en compte son influence sur la réaction au moyen de lois originales. Ces dernières sont calées à partir de résultatsexpérimentaux présentés dans cet article. Le modèle est alors validé par l’intermédiaire de simulations numériques d’essais effectués à dessein et issus de la littérature