Hydratation au jeune âge de liants à faible empreinte carbone contenant du fer et de l'aluminium : formation et stabilité de phases AFm

L'augmentation des émissions des GES conduisent à une prise de conscience sociale accrue et à un changement des paradigmes commerciaux. L'empreinte carbone devient donc un facteur décisif dans le choix des produits. Cette préoccupation concerne particulièrement le ciment Portland (OPC), l'industrie cimentière contribuant à environ 8 % des émissions mondiales de CO₂. Dans ce contexte, divers liants hydrauliques bas carbone, tels que les matériaux riches en fer - dont le laitier d'aciérie de convertisseur (LAC) ou encore les argiles - plus respectueux de l'environnement, ont été étudiés et proposés comme alternatives à l'OPC. Certains de ces matériaux contiennent des oxydes de fer et d'aluminium, telle que la brownmillerite (C₄A₂₋ₓFₓ - avec 0,67≤x≤2 - en notation cimentière ; notée C₄AF ci-dessous). Les Hydrates Doubles Lamellaires (HDL) à base de calcium (AFm) peuvent se former pendant l'hydratation de la brownmillerite, l'objectif de cette thèse est donc d'améliorer la connaissance des phases AFm contenant du fer et de compléter les recherches récentes ayant permis la valorisation du LAC comme liant dans les mortiers. Les AFm appartiennent au groupe des HDL, de composition spécifique : [Ca₂Mᴵᴵᴵ(OH)₆]⁺[A⁻·zH₂O] (Mᴵᴵᴵ=Al³⁺ or Fe³⁺). Les anions A- généralement rencontrés dans les liants hydrauliques sont CO₃²⁻, SO₄²⁻, Cl⁻, and NO₃⁻. Ce travail se concentre sur les AFm-NO₃, -Cl, et -CO₃ car : les ajouts de Ca(NO₃)₂ et CaCl₂ sont connus comme accélérateurs de l'hydratation du C₄AF et favorisent la formation rapide des AFm-NO₃ et -Cl respectivement. Concernant les AFm-CO₃, elles peuvent se former durant l'hydratation d'un liant contenant du C₄AF ou lors de son vieillissement dû au CO₂ atmosphérique. Des solutions solides Al-Fe peuvent exister pour les AFm en raison des rayons ioniques proches des cations trivalents Al³⁺ et Fe³⁺. De nombreux auteurs ont étudié le comportement des phases AFm pures en Al, tandis que peu d'études traitent des phases AFm pures en Fe et rares sont celles sur les phases Al-Fe AFm mixtes. Cette thèse vise donc à améliorer la connaissance générale des AFm contenant à la fois Al et Fe à travers : (1) la synthèse de phases AFm à composition contrôlée, (2) l'étude de l'hydratation du LAC, et (3) la combinaison des résultats de caractérisation obtenus sur les deux types de matériaux : 1. Les AFm synthétisées ont été minutieusement caractérisées. L'existence de solutions solides entre les deux phases Fe-AFm et Al-AFm a été démontrée pour les trois séries de phases synthétiques AFm intercalées avec les anions NO₃⁻, CO₃²⁻, and Cl⁻, avec une distance similaire entre les cations trivalents indépendamment de l'anion intercalé. Les lois de Végard du paramètre de maille a de ces trois phases ont été déterminées. Enfin, le comportement thermique, les niveaux d'hydratation et les capacités d'échange d'anions de ces AFm ont été étudiés. 2. Le comportement du LAC pendant l'hydratation au jeune âge a été étudié pour comprendre la cinétique de réaction et améliorer la réactivité des phases anhydres à l'aide de divers additifs. L'impact de ces additifs sur l'hydratation du LAC a été testé, en s'intéressant à leur impact sur la formation des phases AFm. 3. Le comportement à long terme des AFm dans le LAC hydraté a aussi été étudié. La résistance mécanique, la variation dimensionnelle, la composition minéralogique, la morphologie et la porosité ont été suivies sur un an dans des pâtes de LAC sous différentes conditions de cure. Cette recherche a permis d'améliorer la compréhension des AFm mixtes contenant Al et Fe, permettant ainsi une meilleure caractérisation des liants hydratés bas carbone. La formation d'AFm contribue à la résistance mécanique au jeune âge, dans l'attente de la précipitation des hydrates CSH apportant la résistance mécanique finale. Ainsi, les phases AFm sont bénéfiques pendant l'hydratation au jeune âge. De plus, les AFm peuvent retarder la corrosion en piégeant les anions chlorure en interfeuillet.