Sujet de thèse IFSTTAR

English version
Fiche détaillée :

Titre : Maitrise du comportement à l’état frais des liants alternatifs : contrôle du rhéoépaississement

Laboratoire principal - Référent principal MAST - CPDM  -  BESSAIES-BEY Hela      tél. : +33 181668143

Directeur du laboratoire principal ROUSSEL Nicolas  -

Spécialité de la thèse Génie Civil et matériaux de construction

Axe 2 - COP2017 - Améliorer l'efficience et la résilience des infrastructures

Site principal Marne-la-Vallée

Etablissement d'inscription UNIVERSITE GUSTAVE EIFFEL

Ecole doctorale SCIENCES, INGENIERIE ET ENVIRONNEMENT (SIE)

Directeur de thèse prévu ROUSSEL Nicolas  -  Université Gustave Eiffel  -  MAST - CPDM

Type de financement prévu Contrat doctoral  - Université Gustave Eiffel

Résumé

Contexte et problématique

La production de béton, matériau le plus consommé au monde, à faibles impacts environnementaux constitue un défi majeur pour notre société actuelle. La substitution partielle du clinker, à l’origine des émissions de gaz à effet de serre, par des sous-produits provenant d’autres industries (laitier, fumée de silice, déchets de verre, déchets agricoles…) ou par des ressources minérales naturelles (calcaire, argile, bauxite, …) est l’une des pistes les plus prometteuses. Cet axe de recherche a fait l’objet de nombreuses publications scientifiques et d’une évolution progressive des normes [1,2]. Cependant, des questions relatives à l’effet de ces matériaux sur la rhéologie du béton subsistent et limitent les taux de substitution et le type de d’ajout [3].
Ces ciments de nouvelle génération sont des suspensions caractérisées par leur forte fraction volumique solide qui permet de compenser leur réactivité limitée par les ajouts minéraux. Ces suspensions concentrées peuvent présenter des viscosités élevées à des taux de cisaillement importants [4,5]. Le comportement rhéoépaississant qui en résulte est souvent considéré comme un problème industriel majeur affectant considérablement la mise en œuvre, le malaxage, pompage ou le coffrage.
Selon la littérature [5], la réduction du coefficient de friction des particules minérales par le revêtement des surfaces minérales avec des polymères adsorbants est l'un des leviers les plus pertinents permettant de diminuer le comportement rhéoépaississant des suspensions minérales. Cependant, le mécanisme d'action de ces polymères adsorbés et le rôle joué par leur structure moléculaire ne sont pas encore compris.

Objectifs et déroulement de la thèse

Dans ce contexte, l’objectif de la thèse est la compréhension des mécanismes d’action des polymères adsorbés à la surface des particules minérales et de leurs conséquences sur le coefficient de friction et le comportement rhéoépaississant de la suspension. Cette thèse vise à développer par la suite des leviers pour contrôler le rhéoépaississement des suspensions cimentaires.
L’approche proposée ici est essentiellement expérimentale et analytique. On s’appuiera sur des suspensions minérales (calcaire, quartz), dont le comportement représente bien celui des pâtes cimentaires avant la prise. L’utilisation de ces suspensions permettra de faire varier aisément la force ionique, le solvant et les espèces ioniques. Une fois les phénomènes physiques à l’origine du comportement macroscopique compris et maitrisés, nous étudierons des suspensions cimentaires.
Les polymères sélectionnés visent à couvrir la gamme de molécules disponibles lors de la formulation d’un matériau cimentaire et à varier la conformation des polymères adsorbés et leur affinité avec les surfaces minérale étudiées. L’effet des polymères adsorbés sur le coefficient de friction entre particules sera caractérisé par la rhéologie compressive en mettant l’accent sur les propriétés d’empilement sous contrainte. L’effet des polymères sur le comportement rhéoépaississant sera caractérisé par de la rhéométrie standard en cisaillement. Les paramètres les plus pertinents pour réduire le coefficient de friction entre les particules et contrôler le comportement rhéoépaississant seront identifiés.

Visibilité et valorisation

Cette thèse s’insère parfaitement dans la stratégie scientifique du département Matériaux et Structures de l’université Gustave Eiffel.
Ces travaux feront l’objet de publications dans des revues fondamentales et appliquées. La présentation de ces travaux dans des conférences internationales est aussi prévue et permettra de développer la visibilité de l’université Gustave Eiffel dans le domaine de la construction soutenable.

Références

[1] M. C. G. Juenger, R. Siddique, Recent advances in understanding the role of supplementary cementitious materials in concrete, Cement and Concrete Research 78 (2015) 71–80.
[2] B. Lothenbach, K. Scrivener, R. D. Hooton, Supplementary cementitious materials, Cement and Concrete Research 41 (2011) 1244–1256.
[3] R. J. Flatt, N. Roussel, H. Bessaies-Bey, L. Caneda-Martínez, M. Palacios, F. Zunino, From physics to chemistry of fresh blended cements, Cement and Concrete Research, Volume 172, 2023, 107243, ISSN 0008 884
[4] F Toussaint, C Roy, and P-H Jézéquel. Reducing shear thickening of cement-based suspensions. Rheologica acta, 48(8):883–895, 2009.
[5] N. Fernandez, R. Mani, D. Rinaldi, D. Kadau, M. Mosquet, H. Lombois-Burger, J. Cayer-Barrioz, H. J. Herrmann, N. D. Spencer, and L. Isa , Microscopic Mechanism for Shear Thickening of Non-Brownian Suspensions ,Phys. Rev. Lett. 111, 108301 – Published 3 September 2013

Mots-clefs: Ciment, liants alternatifs, rhéologie, rheoépaississement,

Laboratoire principal - Référent principal	MAST - CPDM - BESSAIES-BEY Hela tél. : +33 181668143
Directeur du laboratoire principal	ROUSSEL Nicolas -
Spécialité de la thèse	Génie Civil et matériaux de construction
Axe	2 - COP2017 - Améliorer l'efficience et la résilience des infrastructures
Site principal	Marne-la-Vallée
Etablissement d'inscription	UNIVERSITE GUSTAVE EIFFEL
Ecole doctorale	SCIENCES, INGENIERIE ET ENVIRONNEMENT (SIE)
Directeur de thèse prévu	ROUSSEL Nicolas - Université Gustave Eiffel - MAST - CPDM
Type de financement prévu	Contrat doctoral - Université Gustave Eiffel
Résumé Contexte et problématique La production de béton, matériau le plus consommé au monde, à faibles impacts environnementaux constitue un défi majeur pour notre société actuelle. La substitution partielle du clinker, à l’origine des émissions de gaz à effet de serre, par des sous-produits provenant d’autres industries (laitier, fumée de silice, déchets de verre, déchets agricoles…) ou par des ressources minérales naturelles (calcaire, argile, bauxite, …) est l’une des pistes les plus prometteuses. Cet axe de recherche a fait l’objet de nombreuses publications scientifiques et d’une évolution progressive des normes [1,2]. Cependant, des questions relatives à l’effet de ces matériaux sur la rhéologie du béton subsistent et limitent les taux de substitution et le type de d’ajout [3]. Ces ciments de nouvelle génération sont des suspensions caractérisées par leur forte fraction volumique solide qui permet de compenser leur réactivité limitée par les ajouts minéraux. Ces suspensions concentrées peuvent présenter des viscosités élevées à des taux de cisaillement importants [4,5]. Le comportement rhéoépaississant qui en résulte est souvent considéré comme un problème industriel majeur affectant considérablement la mise en œuvre, le malaxage, pompage ou le coffrage. Selon la littérature [5], la réduction du coefficient de friction des particules minérales par le revêtement des surfaces minérales avec des polymères adsorbants est l'un des leviers les plus pertinents permettant de diminuer le comportement rhéoépaississant des suspensions minérales. Cependant, le mécanisme d'action de ces polymères adsorbés et le rôle joué par leur structure moléculaire ne sont pas encore compris. Objectifs et déroulement de la thèse Dans ce contexte, l’objectif de la thèse est la compréhension des mécanismes d’action des polymères adsorbés à la surface des particules minérales et de leurs conséquences sur le coefficient de friction et le comportement rhéoépaississant de la suspension. Cette thèse vise à développer par la suite des leviers pour contrôler le rhéoépaississement des suspensions cimentaires. L’approche proposée ici est essentiellement expérimentale et analytique. On s’appuiera sur des suspensions minérales (calcaire, quartz), dont le comportement représente bien celui des pâtes cimentaires avant la prise. L’utilisation de ces suspensions permettra de faire varier aisément la force ionique, le solvant et les espèces ioniques. Une fois les phénomènes physiques à l’origine du comportement macroscopique compris et maitrisés, nous étudierons des suspensions cimentaires. Les polymères sélectionnés visent à couvrir la gamme de molécules disponibles lors de la formulation d’un matériau cimentaire et à varier la conformation des polymères adsorbés et leur affinité avec les surfaces minérale étudiées. L’effet des polymères adsorbés sur le coefficient de friction entre particules sera caractérisé par la rhéologie compressive en mettant l’accent sur les propriétés d’empilement sous contrainte. L’effet des polymères sur le comportement rhéoépaississant sera caractérisé par de la rhéométrie standard en cisaillement. Les paramètres les plus pertinents pour réduire le coefficient de friction entre les particules et contrôler le comportement rhéoépaississant seront identifiés. Visibilité et valorisation Cette thèse s’insère parfaitement dans la stratégie scientifique du département Matériaux et Structures de l’université Gustave Eiffel. Ces travaux feront l’objet de publications dans des revues fondamentales et appliquées. La présentation de ces travaux dans des conférences internationales est aussi prévue et permettra de développer la visibilité de l’université Gustave Eiffel dans le domaine de la construction soutenable. Références [1] M. C. G. Juenger, R. Siddique, Recent advances in understanding the role of supplementary cementitious materials in concrete, Cement and Concrete Research 78 (2015) 71–80. [2] B. Lothenbach, K. Scrivener, R. D. Hooton, Supplementary cementitious materials, Cement and Concrete Research 41 (2011) 1244–1256. [3] R. J. Flatt, N. Roussel, H. Bessaies-Bey, L. Caneda-Martínez, M. Palacios, F. Zunino, From physics to chemistry of fresh blended cements, Cement and Concrete Research, Volume 172, 2023, 107243, ISSN 0008 884 [4] F Toussaint, C Roy, and P-H Jézéquel. Reducing shear thickening of cement-based suspensions. Rheologica acta, 48(8):883–895, 2009. [5] N. Fernandez, R. Mani, D. Rinaldi, D. Kadau, M. Mosquet, H. Lombois-Burger, J. Cayer-Barrioz, H. J. Herrmann, N. D. Spencer, and L. Isa , Microscopic Mechanism for Shear Thickening of Non-Brownian Suspensions ,Phys. Rev. Lett. 111, 108301 – Published 3 September 2013
Mots-clefs:	Ciment, liants alternatifs, rhéologie, rheoépaississement,

Liste des sujets

Candidatures fermées