Étude de l’évolution de la cristallographie et de la chimie des ciments durables pendant leur carbonatation accélérée

La production de ciment est responsable de 8 à 10 % des émissions mondiales anthropiques de CO₂. Comme solution pour réduire les émissions de CO₂ et valoriser le CO₂, l’utilisation de la réaction entre le CO₂ et les matériaux ci mentaires pour le durcissement est une approche prometteuse. Cependant, la carbonatation du ci ment implique de nombreux phénomènes physico chimiques couplés et dépend de la formulation du ciment, de la composition du mélange et des conditions de cure. Cela rend l’élaboration et la validation de modèles prédictifs difficiles, car ceux-ci nécessitent des données expérimentales étendues pour optimiser le processus de carbonatation. La plupart des méthodes de suivi de la carbonatation nécessitant un échantillonnage destructif, la résolution temporelle et la compréhension de la cinétique de carbonatation sont limitées, et la plupart des jeux de données expérimentaux sont fragmentés sur plusieurs échantillons. Ce travail répond à cette lacune en développant, validant et appliquant des techniques de caractérisation operando non destructives, capables de suivre un même échantillon tout au long de la carbonatation accélérée. La première partie de ce travail porte sur la conception et la validation d’un microréacteur imprimé en 3D pour le contrôle de flux de gaz, permettant le suivi operando d’échantillons de ciment au cours de carbonatation sous concentration en CO₂ et humidité relative contrôlées. La réduction de l’échelle de l’échantillon de deux ordres de grandeur par rapport aux échantillons conventionnels a permis de réduire les temps de carbonatation de plusieurs semaines à quelques heures et a rendu possible la réalisation de mesures de diffraction des rayons X (DRX) en transmission, non destructives, pour suivre les échantillons en cours de carbonatation. Le dispositif a été validé et appliqué à la carbonatation d’échantillons millimétriques de chaux et de ciment Portland ordinaire sous une large gamme de concentrations en CO₂ et d’humidités relatives. La cinétique de carbonatation a été caractérisée en comparant la quantification Rietveld des données de DRX avec un modèle basé sur la diffusion, révélant une forte influence des conditions environnementales sur la vitesse de carbonatation. La deuxième partie de ce travail porte sur une autre lacune des techniques conventionnelles de suivi de la carbonatation, à savoir la résolution spatiale limitée. Des mesures operando de profils linéaires par spectroscopie Raman et DRX de laboratoire, ainsi que des cartographies operando 2D par DRX en synchrotron, ont été réalisées pour suivre l’évolution de la composition des phases en fonction de la position et du temps pour des échantillons de ciment. Le travail à des résolutions spatiales de l’ordre du micromètre a mis en évidence des hétérogénéités locales du degré de carbonatation habituellement moyennées, et la largeur du front de carbonatation a été mesurée, révélant un front diffus à l’échelle millimétrique plutôt que le front abrupt généralement supposé. En couplant le microréacteur à une caractérisation operando non destructive et résolue spatialement, ce travail a permis d’établir une méthodologie expérimentale pour le suivi de la carbonatation accélérée du ciment avec une résolution temporelle et spatiale inédite. Les jeux de données obtenus apportent des éléments de compréhension sur l’influence des conditions environnementales sur la cinétique de carbonatation, pouvant être utilisés pour affiner et valider les modèles de carbonatation, contribuant ainsi au développement de liants bas-carbone et à la séquestration du CO2 dans l’industrie de la construction.