The main water transport properties of clay brick are critically examined in respect of suction and water content. An experimental investigation is carried out to compare the sorptivity and vacuum saturation porosity with suction and “porosity” tests in the standards. The water retaining ability (desorptivity) of freshly mixed hydraulic lime and cement mortars is examined and the effect of hydraulicity, pozzolanic and non-pozzolanic additive materials, binder particle size and the chemistry of mix water on the water retentivity of these mortars are investigated. The inter-relationship of substrate (brick) suction and desorptivity of freshly mixed wet lime and cement mortar are investigated. It is shown that the initial setting time of dewatered freshly-mixed mortars is reduced by a factor of up to 80% and the final setting time is reduced by a factor of 60%. The extent of this reduction depends on hydraulicity. For the cured mortars, following dewatering in the wet state, the compressive and flexural strengths are increased by about 40% for cement mortar and by more than 3 times for lime mortar. The sorptivity of hardened cement and lime mortars is reduced by 80%. These results have implications for the British and European standards where mortars are cast in impermeable steel moulds in which dewatering cannot occur prior to setting. The accuracy of the methodology of the American Petroleum Institute (API) pressure cell technique for testing the water retaining ability of fresh mortars was critically examined. An experimental investigation was carried out in two parts, first by changing the controlled variables of the experimental set up. Second the consequences for the results obtained were evaluated. Experimental verification is undertaken of the fundamental Sharp Front equation S=(2KΨf)^(1/2) which describes the inter-relationship of capillary pressure, sorptivity, porosity and hydraulic conductivity.

Please read the abstract in the section 00front of this document. / Thesis (PhD (Chemistry))--University of Pretoria, 2008. / Chemistry / unrestricted

Topic of this diploma thesis is CSR, Corporate Social Responsibility. 3 companies from cement industry were compared. At the beginning of the thesis, basic terms, reporting, CSR measurement, etc. are described. Practical part focuses on CSR activities of 3 particular corporations.

Depuis quelques années, le béton connait une période de mutation. Les tendances actuelles concernant la formulation des bétons à hautes performances et à faibles impacts environnementaux montrent que la fraction volumique solide est de plus en plus élevée. Cette augmentation de la fraction volumique solide est cependant difficilement compatible avec une fluidité importante. La thèse présentée ici a donc pour but de proposer des solutions permettant de contourner le problème de viscosité des ces nouveaux bétons. Nous nous attachons ainsi à identifier les mécanismes d'action de certains polymères à l'origine d'une diminution de la viscosité macroscopique de pâtes de ciment concentrées. Les polymères que nous étudions appartiennent à deux familles différentes : les super plastifiants et les agents entraîneurs d'air. Alors que le chapitre 1 a pour objectif d'expliquer le contexte actuel et de justifier l'intérêt des recherches menées durant cette thèse, le chapitre 2 présente les procédures expérimentales utilisées. Nous proposons des protocoles permettant de faire la distinction entre les effets des polymères étudiés sur la contrainte seuil et leurs effets sur l'autre paramètre du comportement :la viscosité. Dans le chapitre 3, nous mettons en évidence certains mécanismes d'action des polymères adsorbants de type super plastifiants. Nous observons que deux polymères peuvent avoir un effet différent sur la dissipation visqueuse d'une pâte de ciment pour une contrainte seuil donnée. Nous suggérons alors que les molécules de polymère adsorbé modifient l'état de floculation du système, et donc la façon dont le cisaillement se concentre entre les grains. Dans le même temps, les molécules de polymère non adsorbé modifient la viscosité du fluide interstitiel. La viscosité macroscopique résulte alors de la compétition entre ces deux mécanismes. Dans le chapitre 4, nous nous intéressons aux effets des agents entraîneurs d'air. Grâce à des mesures sur pâtes de ciment et mortiers, nous montrons que, suivant la consistance du système étudié, l'entraînement d'air peut diminuer ou non la viscosité. Nous suggérons qu'un tel comportement trouve son origine dans la compétition entre la tension de surface qui tend à empêcher la déformation des bulles et la consistance du système en écoulement qui tend à les déforme / The concrete industry has been undergoing significant change in recent years. Current trends in mix design of high strength and environmentally friendly concretes show that solid volume fraction is progressively increasing. This increase in solid volume fraction is however not compatible with an adequate fluidity. The aim of the work presented here is thus to bring solutions to the high viscosity of these new concretes. We try to identify potential mechanisms of action of some polymers at the origin of a decrease in the macroscopic viscosity of concentrated cement pastes. We focus here on two types of polymers: super plasticizers and air entraining agents. In a first chapter, we explain the current economic, social and industrial situation and justify the need of the research work presented here. In a second chapter, we show the importance of the experimental procedure. We suggest protocols from which the effects of tested polymers on the viscosity parameter can be distinguished from the effects on yield stress. In a third chapter, we show some potential mechanisms of action of adsorbing polymers as super plasticizers. We observe that for the same effect on yield stress, viscous dissipation of cement pastes can be different for the two tested polymers. We suggest that adsorbed polymer molecules modify the flocculation state of the system and thus the way shear concentrates between cement grains. In the same time, non adsorbed polymer molecules modify the viscosity of the interstitial fluid. Therefore, the macroscopic viscosity results from the competition of the two above phenomena. In the fourth chapter, we are interested in the effects of air entraining agents. Thanks to experimental measurements on cement pastes and mortars, we show that according to the system consistency, air entrainment can increase or decrease viscosity. We suggest that such a behaviour finds its origin in the competition between surface tension, which tends to prevent air bubble deformation and the system consistency, which tends to deform the same air bubbles

L'objectif de ce travail est d'étudier le phénomène de ségrégation des coulis cimentaires sous cisaillement et de déterminer un critère rhéométrique quantitatif capable d'évaluer leur ségrégabilité pendant les essais de caractérisation rhéologique.Pour répondre à cet objectif, un protocole expérimental spécifique a été développé permettant, d'une part, la caractérisation rhéologique des coulis cimentaires sous cisaillement et, d'autre part, le suivi de leur état de stabilité au cours de la caractérisation. Un rhéomètre à cylindres coaxiaux de type Couette a été employé pour la mise en œuvre d'un essai rhéométrique composé de deux cycles et de différents paliers de taux de cisaillement, permettant la caractérisation rhéologique des coulis. L'essai rhéométrique a été effectué systématiquement deux fois en faisant varier le rapport du volume cisaillé – volume non cisaillé dans le rhéomètre. La caractérisation rhéologique des coulis a été associée à plusieurs mesures de masse volumique dans les différentes parties du rhéomètre à des moments caractéristiques de l'essai rhéométrique permettant le suivi de sa stabilité et l'évaluation quantitative d'une éventuelle ségrégation.Les relations possibles entre le comportement rhéologique spécifique des coulis ségrégatifs et l'évolution de la fraction solide du coulis dans le volume cisaillé du rhéomètre ont été recherchées. L'influence des différents paramètres de formulation tels que le rapport E/C, la nature et le dosage en adjuvant fluidifiant, le dosage en agent de viscosité et l'introduction d'additions calcaires en substitution du ciment sur la ségrégation dynamique des coulis cimentaires a été étudiée de manière détaillée. L'ensemble des résultats a permis, en premier lieu, de déterminer la spécificité du comportement rhéologique des coulis ségrégatifs et, en deuxième lieu, de définir un nouveau critère basé uniquement sur les mesures rhéométriques permettant de quantifier la ségrégabilité des coulis cimentaires pendant la caractérisation rhéologique à cause du cisaillement. Ce critère rhéométrique est très fortement corrélé à la diminution de la fraction volumique dans la partie haute du volume cisaillé dans le rhéomètre pendant l'essai rhéométrique indépendamment des paramètres de composition du coulis. / This work aims to study the phenomenon of segregation of cement grout under shearing and determine a quantitative rheometric criterion which can evaluate their segregability during the rheological characterization tests.To meet this objective, a specific experimental protocol was developed, firstly, for the rheological characterization of cement grout under shearing and secondly, for the flowing-up of their state of stability during the characterization. A rotational rheometer with coaxial-cylinder geometry (Couette type) was used for the implementation of a rheometric test composed of two shearing cycles with various steps of shear rate allowing the rheological characterization of the grout. The rheometric test was systematically performed twice by varying the ratio of the sheared volume and un-sheared volume in the rheometer. The rheological characterization of the grout has been associated with several density measurements in different parts of the grout in the rheometer at the characteristic times during the rheometric test allowing the monitoring of its stability and/or quantitative segregability.The possible relationship between the specific rheological behavior of segregative grout and the evolution of solid fraction in the sheared volume in the rheometer was studied. The influence of different mix designs such as the W/C, nature and dosage of superplasticizer, dosage of viscosity modifying admixture and the introduction of limestone additions on the dynamic segregation of cement grouts was researched in detail. The overall results allowed, firstly, determining the specificity of the rheological behavior of segregative grout and, secondly, defining a new criterion based only on the rheometric measurements to quantify the segregability of the cement grout during the characterization rheology and resulting from shearing. This rheometric criterion is strongly correlated with the decrease in the volume fraction in the upper part of the sheared volume in the rheometer during the rheometric test, and independent of the mix design of the grout.

La carbonatation est une pathologie du béton armé qui peut engendrer la corrosion des armatures et à terme de la fissuration. Dans le cadre de la gestion des déchets radioactifs, les structures et les conteneurs seraient soumis simultanément à un échauffement (exothermie des déchets), au CO2 atmosphérique, ainsi qu'à un séchage important. Afin de rendre compte de leur évolution à l'échelle séculaire, les données actuelles relatives à la carbonatation à température ambiante doivent être complétées, d'une part par une description de la phénoménologie en température, et d'autre part, par la prise en compte de l'impact des transferts hydriques en température (séchage) sur la carbonatation en insaturé. Le travail présenté se focalise sur l’étude de la durabilité de quatre pâtes de ciment différentes dont deux sont directement dérivées des formulations de référence sélectionnées par l’Andra (CEM I et CEM V) et un mélange baspH. Le premier volet est dédié à l'étude des transferts hydriques reposant sur la conduite d'essais de désorption. Il a notamment permis la caractérisation des isothermes de désorption en température (20, 50et 80°C). L'impact thermique modifie les isothermes : la teneur en eau à l’équilibre chute avec la température et le point d'amorçage de la condensation capillaire est déplacé. Une phase de modélisation a conjointement été conduite en support aux expérimentations. L'utilisation de l'équation de Clausius-Clapeyron a permis de décrire l'effet de la température sur les isothermes (par la détermination de la chaleur isostérique d’adsorption de chacun des matériaux). Bien que l'impact de la température sur la microstructure des pâtes de ciment soit avéré, la prise en compte du déplacement des équilibres thermodynamiques suffit à restituer cet effet thermique sur les isothermes. La détermination des perméabilités intrinsèques par exploitation des cinétiques de désorption (par analyse inverse) a montré la thermoactivation du transport d'eau. La contribution de l'évolution de la microstructure en température ne peut-être négligée sur la perméabilité des matériaux.Le deuxième volet exploratoire, est consacré à l'étude de la carbonatation en température. Il repose sur la mise en place d'un dispositif de carbonatation spécifique (fonctionnement en température) et la conduite d'essais de carbonatation à HR et température contrôlées. La campagne de caractérisation (DRX et ATG)a conduit à l'obtention de profils de carbonatation caractéristiques de chaque couple (HR, Température).Les évolutions minéralogiques (décomposition des hydrates, distribution polymorphique du carbonate de calcium précipité) mises en évidence en température se rapprochent de celles identifiées à température ambiante. En revanche, il ressort que les conditions environnementales influencent significativement les proportions polymorphiques : plus l'HR est faible, plus les teneurs en phases métastables (vatérite,aragonite) sont élevées. Les réactions de dissolution-précipitation mises en jeu dans la transformation polymorphique (des états métastables vers la calcite) sont inhibées à faible HR, par manque de milieu réactionnel. La cinétique de carbonatation, également impactée par les conditions environnementales, est régie par la concurrence de l'effet thermique sur les transferts hydriques et sur la solubilité rétrograde des réactifs. Les profondeurs carbonatées sont maximales aux points d'amorçage de la condensation capillaire propres aux différents matériaux et à chaque température. Les profondeurs carbonatées augmentent avec la température jusqu'à une température limite, caractéristique de la formulation, au-delà de laquelle la solubilité rétrograde des réactifs deviendrait le facteur limitant.Cette phase de compréhension des mécanismes mis en jeu dans la carbonatation en température et de leur niveau de couplage effectuée, les modèles prédictifs de carbonatation en insaturé pourront être étendus à l'application en température. Les résultats de ce travail fournissent les données d'entrées et de validation nécessaires à la validation des simulations numériques. / Carbonation is the major cause of degradation of reinforced concrete structures. It leads to rebar corrosion and cracking of the concrete cover. In the framework of radioactive waste management, cement-based materials used as building material for structures or containers would be simultaneously submitted to heating (due to the waste thermal output), subsequent drying and atmospheric carbon dioxide. Such environmental conditions are expected to modify the carbonation mechanisms (with respect to temperature). In order to describe their long-term evolution of material, a double approach was developed, combining the description of carbonation and drying for temperatures up to 80°C to complement available data at ambient temperature. The present work focuses on the durability study off our hardened cement pastes; two of them are derived from the reference formulations selected by Andra(CEM I and CEM V) and a low-pH mix. The first experimental campaign focuses on moisture transfer. The effect of temperature on drying is investigated through water vapour desorption experiments. The first desorption isotherms of four hardened cement pastes was characterized at 20, 50 and 80°C. The results show a significant influence of the temperature. For a given relative humidity (RH) the water content equilibrium is always reduced temperature is increased and the starting point of capillary condensation is shifted towards higher RHs. The experimental campaign is complemented through modelling activities. The impact of temperature on the first desorption isotherms is effectively described using the Clausius-Clapeyron equation(characterization of the isosteric heat of adsorption). The intrinsic permeability to water is evaluated through inverse analysis by reprocessing the experimental weight loss of initially saturated samples submitted to constant environmental conditions. The intrinsic permeability appears to increase with temperature in relation to the observed microstructure evolution (porosity coarsening).The environmental conditions impact is studied using preconditioned samples (12 different RHs and 20,50 and 80°C) and accelerated carbonation tests. The latter are performed in a new device allowing accurate control of the environmental conditions as well as the carbon dioxide concentration. The carbonated depths and the mineralogical modifications induced by carbonation are assessed using XRDand TGA for each temperature and RH. Most of the mineralogical modifications notified in temperature(hydrates consumption and nature of crystallographic phase of calcium carbonate) are similar with these identified at ambient temperature. Yet the results show a significant influence of the environmental conditions on calcium carbonate polymorphic abundance: the lower the RH, the more abundant the metastable phases (vaterite and aragonite).The rate of the polymorphic transformation (from the metastable states into calcite by dissolution precipitation)is believed to decrease with RH because of lack of liquid water. A significant influence of the environmental conditions on the carbonation rate is also observed. It depends of the competition between the temperature effect on moisture transfer and retrograde solubility of reactants. Carbonation depths appear to be maximal at the RH-starting point of capillary condensation of each material and temperature. Carbonation depths increase with temperature until a limit of temperature characteristic of the material. Above this temperature, reactants solubility might control the main process.

Le béton de chanvre est obtenu par le mélange d'un granulat végétal, constitué de bois de chanvre, et d'un liant. Il confère au mur de bonnes propriétés d'isolation thermique et acoustique, ainsi qu'une régulation de l'humidité. Cependant, des problèmes de non-prise, qui semblent fortement liés aux transferts d'eau dans le béton au cours des premières heures, peuvent parfois se produire. La RMN permet de quantifier l'eau dans le chanvre et dans le liant et donc de décrire et comprendre les transferts au cours de la prise. Nous montrons d'abord que, dans le liant constitué d'un mélange de chaux hydraté et de ciment, la chaux accélère la prise du ciment. Cette prise est d'autant plus inhibée que la quantité de chanvre au contact du ciment est importante. Nous montrons également que l'absorption d'eau par le granulat de chanvre s'étale sur trois jours, et qu'elle se produit en deux phases successives correspondant à l'imprégnation de deux zones du chanvre. L'étude des transferts dans le béton pendant la prise révèle une absorption d'eau rapide par le chanvre initialement, puis un transfert vers le liant. L'étude d'un béton de chanvre "modèle" nous permet d'associer ce transfert au retrait chimique du ciment au cours de la prise / Hemp concrete results from the mix of a vegetal aggregate (hemp shives) and a binder. It provides thermal and acoustic insulation to the wall, as well as a good moisture regulation. However, problems sometimes occur during setting, that seem strongly linked to transfers of water in the concrete in the first hours. NMR allows to quantify water in hemp and in the binder and thus to describe and understand the transfers during setting. We first show that, in the binder consisting of a mixture of hydrated lime and cement, lime accelerates cement hydration. This hydration is inhibited as the amount of hemp in contact with the cement increases. We also show that the absorption of water by hemp shives is takes place during three days, and it occurs in two successive phases corresponding to two areas of hemp that imbibe. The study of transfers in the concrete during the setting shows a rapid water absorption by the hemp initially, followed by a transfer to the binder. The study of a "model" hemp concrete allows us to associate this transfer to the chemical shrinkage of cement during hydration

La production à l'échelle industrielle et la diversité d'utilisation des nano-objets manufacturés, leurs agrégats et agglomérats (NOAA) et leur possible libération dans l'environnement aquatique naturel ont conduit à une préoccupation croissante parmi la communauté scientifique des sciences de l'environnement et des nanotechnologies. Parmi eux, les ciments photocalytiques sont basés sur la propriété photocatalytique de NOAA-TiO2 ajoutés dans la matrice du ciment. Lors de l'exposition au rayonnement UV, les NOAA-TiO2 provoquent l‘oxydation (i.e. dégradation) des composés adsorbés à la surface du ciment. Sa validation environnementale est requise, en termes d'impacts et risques associés à l'incorporation des NOAA-TiO2. Le but de cette étude est de déterminer les mécanismes de relargage des NOAA-TiO2 incorporés dans le ciment autonettoyant durant le processus de vieillissement et d’identifier les paramètres qui pourraient le contrôler. Les éléments relargués (fractions particulaires et solubles) et leurs cinétiques ont été quantifiés par ICP-OES et caractérisés par MET. Nous avons ensuite analysé la phase solide (du cœur à la couche altérée) en utilisant plusieurs techniques aux rayons X, la DRX (diffraction des rayons X), μ-XRF (micro X-Ray spectroscopie) et une combinaison sans précédent de nano et micro X-ray tomographie pour effectuer une caractérisation complète de la matrice du ciment altéré comprenant la structure de pores. / The industrial scale production and wide variety of applications of manufactured nano-object, their aggregates and agglomerates (NOAA) and their possible release into the natural aquatic environment have produced an increasing concern among the nanotechnology and environmental science community.Among them, the photocatalytic cements are based on the photocatalytic property of TiO2-NOAA added in the cement matrix. During continuous UV radiation exposure, TiO2-NOAA lead to the oxidation (i.e. degradation) of compounds adsorbed at the cement surface. Such NOAA application in building construction is promising as it exhibits improved properties but its environmental validation (in terms of impacts and risks associated with the incorporation of TiO2 NOAA) is also required.The aim of this study is to determine the mechanisms of TiO2-NOAA release from a self-cleaning cement during aging process and to identify cement parameters controlling it.. The elements released (particulate and soluble fractions) and their kinetic were quantified by ICP-OES and characterized with TEM. We analyzed the solid phase (core to altered layer) using several X-ray based techniques: XRD (X-Ray Diffraction), µ-XRF (micro X-Ray Spectroscopy) and an unprecedented combination of nano and micro X-ray computed tomography to perform a original and omplete altered cement matrix characterization including pore structure.

This research presents the results on an experimental investigation to identify the significant factors influencing horizontal cracking in continuously reinforced concrete pavements (CRCP). An in-depth analysis of the microstructure, morphological characteristics of the interfacial transition zone (ITZ) and the observation of cracking using the environmental scanning electron microscope (ESEM) was done. Characterization of oxides using Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and electron dispersive x-ray spectroscopy (EDS) was also performed. Water to cement ratio (w/c) and rebar temperature had a significant influence on the rebar-concrete bond strength. The 28-day shear strength measurements showed an increase in rebar-concrete bond strength as the water to cement ratio (w/c) was reduced from 0.50 to 0.40. There was a reduction in the peak pullout load as the temperature increased from 14oF to 252oF for the corroded and non-corroded rebar experiments. The corroded rebar pullout test results showed a 20-50 % reduction in bond strength compared to the non-corroded rebars. FTIR measurements indicated a presence of lepidocrocrite (γ -FeOOH) and maghemite (γ -Fe2O3) on the ITZ. ESEM images showed the existence of microcracks as early as three days after casting with the bridging of these cracks between coarse aggregate locations in the interfacial zone propagating through the mortar.

This research presents the results on an experimental investigation to identify the effects of rebar temperature, fly ash and water to cement ratio on concrete porosity in continuously reinforced concrete pavements (CRCP). Samples were cast and analyzed using pullout tests. Water to cement ratio (w/c) and rebar temperature had a significant influence on the rebar-concrete bond strength. The 28-day shear strength measurements showed an increase in rebar-concrete bond strength as the water to cement ratio (w/c) was reduced from 0.50 to 0.40 for both fly ash containing and non fly ash control samples. There was a reduction in the peak pullout load as the rebar surface temperature increased from 77o F to 150o F for the cast samples. A heated rebar experiment was performed simulating a rebar exposed to hot summer days and the rebar cooling curves were plotted for the rebar temperatures of 180o F - 120o F. Fourier transform infrared spectroscopy was performed to show the moisture content of cement samples at the rebar-concrete interface. Mercury intrusion porosimetry test results on one batch of samples were used for pore size distribution analysis. An in-depth analysis of the morphological characteristics of the rebar-concrete interface and the observation of pores using the scanning electron microscope (SEM) was done.