La spécificité de notre équipe est d’étudier les composés cimentaires (silicates et aluminates de calcium, ye’elimite, hydroxydes lamellaires), isolés et incorporés dans les systèmes réels (clinker, ciment, béton). Il s’agit de comprendre l’effet des paramètres physico-chimiques (température, impuretés, irradiation,…) sur la structure (polymorphisme, création de défauts,…) et la propriété (réactivité hydraulique et durabilité sous irradiation, …).

Réactivité et résistance à l'irradiation

Dans les ciments Portland, la structure cristalline du silicate tricalcique Ca₃SiO₅ (polymorphe M1 ou M3) influe sur la réactivité hydraulique du composé, ainsi que nous l’avons montré précédemment [1]. Or l’étude cristallographique de tels composés à grandes mailles de basse symétrie est très complexe. L’idée a été d’utiliser l’irradiation électronique en tant que test de réactivité. L’étude au MET à 200 keV de deux (ortho)silicates de calcium Ca₂SiO₄ et Ca₃SiO₅ constitutifs du ciment Portland montre que Ca₂SiO₄ résiste mieux à l’irradiation, résultat à rapprocher de la réactivité hydraulique plus faible de Ca₂SiO₄ comparée à celle de Ca₃SiO₅ [2,3]. Cependant, nous avons aussi montré le comportement sous irradiation gamma des ciments Portland est nettement moins bon comparé à celui des celui d’autres familles de matrices cimentaires [4]...

Diagramme dose vs flux récapitulatif des conditions d’irradiation dans Ca₂SiO₄ et Ca₃SiO₅ : gris clair : conduisant à la décomposition (C₂S → 2CaO_cristallin + SiO_2amorphe) ; gris : conduisant à l’amorphisation ; rouge : conduisant à la formation d’un trou

[1] M.-N. de Noirfontaine, F. Dunstetter, M. Courtial, M. Signes-Frehel, R. Schmidt, X-Ray Diffraction in cement plant: a route towards the monitoring of the M1 alite content in clinker directly in the kiln, using the process data. Symposium "The Future of Cement", 200 years after Louis Vicat, Paris, France, Jun 06-08, 2017.
[2] M.-N. de Noirfontaine, F. Dunstetter, M. Courtial, M. Signes-Frehel, G. Wang, D. Gorse-Pomonti, Electron radiation damages to dicalcium (Ca₂SiO₄) and tricalcium (Ca₃SiO₅) orthosilicates. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, 374 (2016) 111-115.
[3] M.-N. de Noirfontaine, F. Dunstetter, M. Courtial, M. Signes Frehel, G. Wang, D. Gorse - Pomonti, A transmission electron microscopy study of radiation damages to ß dicalcium (Ca₂SiO₄) and M3-tricalcium (Ca₃SiO₅) orthosilicates. Journal of Nuclear Materials, 468 (2016) 113-123.
[4] L. Acher, Etude du comportement sous irradiation gamma et électronique de matrices cimentaires et de leurs hydrates constitutifs, Thèse Université Paris Saclay, 5 octobre 2017.

Structure et réactivité des nouvelles matrices cimentaires

Dans le prolongement de nos travaux sur les phases du ciment Portland qui ont montré le rôle de la structure cristalline vis-à-vis de la réactivité hydraulique, nous étudions la cristallographie des phases modèles constitutives des ciments sulfo-alumineux en lien avec la réactivité. De tels ciments contribuent à la réduction de l’empreinte environnementale dans l’industrie cimentière en raison d’une température de cuisson inférieure et d’une plus faible teneur en calcaire dans le mélange initial. En particulier, nous étudions la réactivité de la phase principale du composé majoritaire de ces ciments, la yeelimite, en fonction du dopage en fer, de son rôle (en substitution ou en insertion dans le réseau cristallin) vis-à-vis de la réactivité hydraulique.

 
Structure de la yeelimite, phase principale des ciments sulfo-alumineux (d’après Cuesta et al., Chemistry of Materials, 25 (2013) 1680-1687).