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Propriétés viscoélastiques à l’échelle nanométrique des liants à empreinte environnementale réduite

ABG-91121 Thesis topic
2020-04-01 < €25,000 annual gross
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Centrale Nantes
Nantes - Pays de la Loire - France
Propriétés viscoélastiques à l’échelle nanométrique des liants à empreinte environnementale réduite
  • Civil engineering, construction and public works
  • Chemistry
  • Materials science
Mécanique du solide, micromécanique, durabilité, béton, additions minérales

Topic description

Sous la menace du réchauffement climatique, plusieurs dispositions sont prises dans plusieurs secteurs industriels pour diminuer l’empreinte environnementale de leur production. Le domaine de la construction, acteur majeur de l’industrie dans le monde et responsable de près de 20 % des gaz à effet de serre multiplie les efforts pour baisser cet impact. La production du ciment constitue la source principale de l’émission de C02 puisqu’elle dégage près de 0,8 T CO2 pour 1 T de matériau par décarbonatation du calcaire mais aussi par une forte demande énergétique puisqu’il faut atteindre une température de 1450 °C. Dans ce contexte, une discussion au sein des instances de normalisation est en cours pour proposer des ciments ternaires avec un taux de clinker allant de 50 à 64%. Ceci ouvre la voie d’une utilisation importante des additions telles que le filler calcaire, l’argile calcinée, les pouzzolanes ou encore le laitier ayant une empreinte carbone plus faible. Dans le cadre de la chaire ECN-Edycem, une thèse est en cours qui vise à étudier les caractéristiques rhéologiques, mécaniques de ces nouveaux liants à l’échelle macroscopique et ce en collaboration avec l’ATILH (Association Technique des liants Hydrauliques). Si on souhaite une utilisation massive de ces ciments, il faudra viser non seulement le marché du bâtiment mais aussi celui des ouvrages d’art. Or des craintes se manifestent déjà sur la méconnaissance des propriétés viscoélastiques (fluage et relaxation) de ces liants. Des travaux de recherche récents montrent l’intérêt d’une caractérisation fine des ciments avec addition, dont certaines formulations ternaires, se rapprochant des ouvrages romains centenaires d’une durabilité exceptionnelle [1]. Au GeM, nous avons publié l’intérêt de caractériser les propriétés micromécaniques des phases constituant les mortiers afin de dégager des scénarios d’altération au cours de leur utilisation sous irradiation de faible dose ou en cas de carbonatation [2]. La précision des mesures micromécaniques, l’accélération des phénomènes viscoélastiques qu’elles permettent d’obtenir ainsi que leur complémentarité avec d’autres techniques de mesure maitrisées au laboratoire, comme les techniques d’imagerie ou les techniques d’analyse chimique, conduisent au développement d’analyses explicatives des phénomènes physico-chimiques ayant lieu aux différentes échelles : de l’échelle nanométrique des feuillets de silicates de calcium hydratés (C-S-H) et leur propriétés viscoélastiques qui dépendent de leur structure à l’échelle macroscopique des structures du fluage observé à moyen et long terme.

Ce travail de thèse propose donc de s’intéresser à la caractérisation des propriétés viscoélastiques à l’échelle nanométrique des liants à empreinte environnementale réduite au moyen d’un nano-indenteur en cours d’acquisition par le GeM. L’interaction physico-chimique des additions (réactions pouzzolaniques, effet filler…) sera étudiée en regard de la mesure des performances viscoélastiques des matériaux composés formulés. Des méthodes de caractérisation micromécaniques et chimiques (diffraction de rayons X) seront combinées pour étudier les performances des mélanges en fonction des espèces chimiques issues des réactions d’hydratation (silicates de calcium hydratés, alumino-silicates de calcium hydratés, stralingite, reliquats de particules anhydres, etc) et de la compacité des squelettes solides obtenus à l’échelle nanométrique et micrométrique. L’évolution temporelle des propriétés élastiques et viscoélastiques seront appréciées notamment lors de la phase d’hydratation qui est particulièrement sensible et, à plus long terme, face à des possibles dégradations. La corrélation entre mesures de fluage accélérées par nanoindentation et comportement macroscopique sera discutée afin de parfaire le caractère prédictif des mesures réalisées en laboratoire. Enfin, dans l’optique de la création de liants optimisés à l’échelle nanométrique, l’étude de l’intérêt de l’utilisation d’additions minérales de petite taille (nano-additions) sera entamée. Ce travail sera réalisé en collaboration étroite avec le laboratoire Subatech de l’IMT Atlantique qui travaille depuis de nombreuses années sur la caractérisation de matériaux amorphes comme les C-S-H via des techniques physico-chimiques à petite échelle (ICP-MS, FTIR, DRX de poudres et solides). Références : [1] A. Palomo, P. Monteiro, P. Martauz, V. Bilek, A. Fernandez-Jimenez, Hybrid binders: A journey from the past to a sustainable future (opus caementicium futurum), Cem. Concr. Res. 124 (2019). https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2019.105829. [2] B. Hilloulin, M. Robira, A. Loukili, Coupling statistical indentation and microscopy to evaluate micromechanical properties of materials: Application to viscoelastic behavior of irradiated mortars, Cem. Concr. Compos. 94 (2018) 153–165. https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2018.09.008.

Starting date

2020-10-01

Funding category

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

Funding further details

Presentation of host institution and host laboratory

Centrale Nantes

Institut de recherche en Génie Civil et Mécanique, UMR-CNRS, 6183
Ecole Centrale de Nantes

Candidate's profile

De formation master recherche ou Ingénieur, le candidat doit avoir une formation solide en mécanique des solides. La chimie des matériaux cimentaires serait un plus. La maîtrise orale et écrite de l’anglais est également requise.
Les notes du Master sont requises pour la candidature.

Application deadline

2020-04-23
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