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Structure et réactivité des ferrites de calcium industriels (brownmillerite) et de leurs hydrates, vis-à-vis des solutions aqueuses sulfatées
Alexis Mériot
Mon, Dec. 05th 2022, 14:00-17:00
Amphi. Becquerel, École Polytechnique, Palaiseau, Institut Polytechnique de Paris (IPP), Palaiseau

Manuscrit de la thèse

Thèse préparée sous la direction de Frédéric Dunstetter (LSI/DDSM).


Résumé :

La résistance des ciments aux sulfates est restée un problème important depuis le début de leur histoire. Les sulfates sont à l'origine de gonflements qui provoquent la fissuration du matériau. Leur présence dans les environnements marins ou sols gypseux pose donc des problèmes vis­à-vis de la durabilité du ciment Portland. Le ciment Portland, contient essentiellement deux silicates de calcium, et deux aluminates de calcium, raluminate tricalcique et le ferrite. Le rôle de l'aluminate tricalcique dans la baisse de résistance aux sulfates est connu, cependant celui du ferrite qui n'a pas été étudié semble déterminant.

C'est pourquoi nous avons travaillé sur la réactivité en milieu sulfatique du ferrite de synthèse et industriel. Néanmoins, la complexité du ciment ne permet pas de travailler directement sur ce dernier. Nous sommes parvenus à mettre au point une méthode de double extraction pour l'étudier. Le ferrite fut étudié par diffraction des rayons X, spectroscopie Mëssbauer, spectroscopie de fluorescence X et microsonde de Castaing. La réactivité du ferrite fut aussi étudiée dans différents milieux réactionnels par spectroscopie d'émission atomique et conductimétrie. Les résultats montrent que la réactivité du ferrite dépend trés fortement du rapport molaire Al/Fe mais aussi du milieu réactionnel. Différentes valeurs pivots ont pu être trouvées en fonction du milieu. On arrive à mesurer trés finement la réactivité, même pour des ferrites trés proches chimiquement.

Il s'avère à travers ce travail que le ferrite ne peut plus être négligé pour les études de durabilité.

Mots-clés : ciments, sulfates, ferrites, spectroscopie Mössbauer, spectroscopie de fluorescence X et microsonde de Castaing.

 


Structure and reactivity of industrial calcium ferrites (brownmillerite) and their hydrates with aqueous sulphate solutions

Abstract:

Resistance of cements against sulfate attacks is a very important issue since the beginning of the history of cements. Sulfates are responsible of the swelling and breaking of concrete. Their presence in many environments, such as sea water and gypsum-rich soil, is a problem for the durability of Portland cement. Portland cement is composed of two calcium silicates, and two calcium aluminates, tricalcium aluminate and calcium ferrite. Studies have shown the important role of tricalcium aluminate in the lowering of cement resistance in sulfated environments, however, the role of ferrite is not well known and appears now to be important.

That is why we worked on the reactivity in sulfated medium of synthetic and industrial ferrite.However, the complexity of cement renders the study of industrial material very difficult. We have developed a double extraction method in order to extract the industrial ferrite. Ferrite was systematically studied by powder X-ray diffraction, electron microprobe, X-ray fluorescence spectroscopy and 57Fe Mössbauer spectroscopy. Results show a strong dependence of ferrite reactivity either on the Al/Fe ratio and the environment. Several threshold values can be found depending on the solution. Dissolution speeds in very diluted solutions made it possible to predict the reactivity of ferrite and to distinguish very close Al/Fe ratios.

It appears through this work that ferrite can no longer be ignored for its role in the sulfated attack.

Keywords: cements, sulfates, ferrites, Mössbauer spectroscopy, X-ray fluorescence spectroscopy and Castaing microprobe.

 


Contact LSI : Frédéric Dunstetter (LSI/DDSM).

Contact : Michele RAYNAUD

 

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