Structure et dynamique de l’eau dans le ciment Portland et dans des ciments bas carbone

Le ciment est le matériau anthropogénique le plus utilisé au monde. Au cours du processus de prise du ciment, différents hydrates sont formés, parmi lesquels l'hydrate de silicate de calcium (C-S-H) est la phase liante la plus importante. Le C-S-H est en effet le composé clé qui contrôle les propriétés finales du ciment, telles que sa résistance et la durabilité. Bien que de nombreux efforts de recherche aient été consacrés à l'étude de cette phase, son caractère cryptocristallin rend difficile la caractérisation de ses propriétés structurelles et dynamiques, ainsi que les propriétés de l'eau adsorbée aux interfaces avec la solution. De plus, la présence de phases aluminates à la fois dans le ciment Portland ordinaire et dans les nouvelles formulations de ciment à faibles émissions de CO2 donne lieu à la formation de C-A-S-H, du C-S-H avec de l’Al structurale. La compréhension de l'organisation de l'eau dans la phase C-(A)-S-H est clé : l'eau joue un rôle clé dans les processus de dissolution-recristallisation et de carbonatation qui sont la cause principale de la perte de résistance du ciment. De plus, la diffusion de l'eau dans les nanopores du C-S-H est importante pour comprendre les échanges d’ions dans le piégeage des polluants ou dans le contexte du stockage des déchets nucléaires.Dans cette thèse, la structure et la dynamique de l'eau dans les différents pores de C-(A)-S-H ont été étudiées en combinant des techniques de diffusion des neutrons et des rayons X avec des méthodes de laboratoire telles que les isothermes de sorption d'eau (WSI), la spectroscopie infrarouge et les analyses thermogravimétriques. Les résultats des techniques de diffusion ont été analysés par des simulations de dynamique moléculaire (MD).En particulier, la structure de l'eau a été étudiée en utilisant la diffraction des neutrons avec substitution isotopique (NDIS), une méthode qui a permis de sonder l'ordre local des molécules d'eau adsorbées aux interfaces C-(A)-S-H / eau. Les résultats de la NDIS couplés aux simulations MD ont montré que le principal mécanisme d'adsorption de l'eau est la coordination par des ions calcium hydrophiles, qui induisent un fort réseau de liaisons hydrogène avec d'autres molécules d'eau et avec les atomes d'oxygène de surface. La surface du C-S-H combine des régions humides et sèches, les zones humides étant dominées par la présence d'ions calcium avec de fortes sphères d'hydratation, tandis que les zones sèches n'exposent que des chaînes de silice et des groupements silanol. Les résultats de la diffusion des rayons X et des simulations MD ont révélé que l'eau exerce une influence sur la cristallinité du C-S-H, la structure la plus hydratée présentant un plus grand degré d’ordre a la meso-échelle.La dynamique de l'eau a été étudiée à l'aide de la diffusion inélastique incohérente des neutrons (IINS), une méthode qui sonde les vibrations inter- et intra-moléculaires de la matière, ce qui a permis d'obtenir une densité des états vibrationnelle de l'eau dans la phase C-(A)-S-H. Les données expérimentales ont été interprétées à l'aide des spectres calculés à partir des modèles MD. Des pics caractéristiques de multicouches d'eau adsorbée ont été identifiés dans la région 300-550 cm-1 des spectres ; des spectres similaires à ceux de la glace à structure hexagonale sont identifiés lors de la condensation capillaire de l’eau. L'empreinte de l'eau confinée a été observée à des énergies plus faibles pour les échantillons C-(A)-S-H plus secs. En accord avec les résultats du WSI, l'eau dans les échantillons C-(A)-S-H à des rapports Ca/Si plus élevés s'est avérée plus structurée et moins semblable à de l'eau ‘bulk’, en raison d'un nombre accru de sites d’adsorption hydrophiles créés par les ions calcium.Les résultats de cette thèse contribuent à la compréhension des propriétés de l'eau interfaciale du C-(A)-S-H, une phase clé pour comprendre les propriétés mécaniques et la durabilité du ciment.