La compréhension des mécanismes à l’origine de la formation de la porosité et de ses propriétés dans les matériaux cimentaires est un enjeu majeur pour l’évaluation de leur durabilité. L’utilisation des laitiers de haut fourneau comme liant hydraulique modifie les phases formées, leur proportion et la microstructure des mortiers et bétons. Il reste un grand nombre de verrous scientifiques à lever concernant les paramètres modifiant les valeurs de porosité, le rayon des capillaires et, par conséquent, la perméabilité. Des échantillons de mortiers ont été réalisés avec différents mélanges de CEM I et de laitiers de haut-fourneau puis différentes cures ont été utilisées afin d’évaluer l’influence de la baisse de la température ou de l’hygrométrie sur la géométrie de leur porosité. Différentes techniques d’analyses de porosité et de perméabilité ont permis de mettre en évidence principalement une augmentation de la porosité totale et libre, des rayons des capillaires et de la perméabilité avec l’augmentation de la proportion de laitier et la diminution de l’hygrométrie. Des observations au microscope électronique à balayage à pression de vapeur d’eau contrôlée ont permis de montrer le lien entre l’ouverture des capillaires et l’hygrométrie. Ainsi les forces exercées par les pressions de disjonction et les pressions capillaires déforment les hydrates de manière à fermer les capillaires avec l’augmentation de l’hygrométrie. La mise au point d’une méthode originale de cartographie de la porosité à partir de données de conductivité thermique a permis de confirmer la présence d’une peau et de déterminer son étendue. Grâce à cette technique, il est possible d’évaluer la distribution des taux de porosité au travers des échantillons. De plus, une nouvelle approche d’analyse a permis de cartographier à partir du même modèle la distribution des proportions relatives de granulats. / In order to evaluate the sustainability of cementitious materials, it is significant to understand the mechanisms linked to the formation of the porosity and to its properties. The use of ground granulated blast-furnace slag as an eco-friendly hydraulic binder influences the hydration processes therefore the phases formed, their proportion and their microstructure of mortar and concrete. Mortar samples were made to evaluate the influences of the blast-furnace slag, its grinding fineness and the influence of temperature or relative humidity of curing on the porosity. The analysis of the mortar samples with complementary measures of porosity allowed us to highlight the increase of the total and free porosity, of the threshold diameter and the absolute permeability with the increase of slag proportion used and the decrease of relative humidity. We also showed a gradual slowing down of capillary absorption kinetics called self-sealing effect and observed the relationbetween the relative humidity and the capillary aperture with a low vacuum scanning electron microscopy. Thus, the strength of disjunction and capillary pressures applied on the hydrates clog the capillaries with increasing humidity. The development of a novel method for mortar porosity mapping from thermal conductivity data allowed us to confirm the skin presence and its area. This method allows the evaluation of the porosity distribution and the relative proportion of aggregates through the sample.

Aujourd'hui, les problèmes environnementaux sont plus graves que jamais. Des mesures urgentes devraient être prises dans tous les domaines de l'activité humaine, y compris la construction. L'un des principaux contributeurs à l'impact négatif de cette industrie sur l'environnement est la fabrication du ciment Portland ordinaire (OPC) nécessaire à la production de béton et d’autres matériaux cimentaire. Malgré son importance, il présente un inconvénient important: sa production est accompagnée par de grandes quantités de gaz à effet de serre. Ils représentent 5 à 8% des émissions mondiales totales de CO2. Des matériaux cimentaires plus écologiques sont maintenant nécessaires.Des réductions significatives de l’impact sur l’environnement ne peuvent être obtenues que par l’utilisation de liants de nouvelle génération dont la fabrication ne nécessite pas beaucoup de processus et de traitements supplémentaires. L'une d'elles consiste à utiliser des déchets industriels comme liants (différentes laitiers, cendres volantes, cendres de biomasse, etc.). De cette manière, il y a non seulement une réduction de l'impact de processus tels que l'extraction minière ou la calcination, mais également le recyclage des déchets (un principe de l'économie circulaire).Une possibilité consiste à utiliser du laitier de haut fourneau (GGBS) comme base pour ce ciment de nouvelle génération. En raison de sa réactivité relativement faible avec l'eau, des suppléments (également appelés activateurs) doivent être utilisés pour favoriser le processus d'hydratation. Le carbonate de sodium (Na2CO3) est l’un des activateurs les plus prometteurs et en même temps les moins étudiés. Un tel ciment alkali-activé présente des propriétés mécaniques et de durabilité élevées, ainsi qu'une empreinte CO2 très faible. Parmi les principaux problèmes qui entravent son utilisation à l'échelle industrielle, on peut mentionner une évolution de la résistance lente à jeune âge et de rhéologie médiocre.L'objectif de la présente thèse est de développer une nouvelle conception du liant à base de laitier activé par Na2CO3, qui répondrait à toutes les exigences modernes du secteur de la construction, en particulier les propriétés rhéologiques et le développement de la résistance à jeune âge. Ce liant doit toujours répondre à au moins trois critères principaux: faible impact environnemental, faibles risques de danger dans les applications sur le terrain et être économiquement compétitif à l'échelle industrielle.Dans le présent travail, l’influence de différents paramètres tels que le rapport eau/liant, la concentration de Na2CO3, la finesse du laitier et les conditions de durcissement sur les propriétés du mélange à jeune âge et à long terme a été étudiée. Sur la base des résultats du processus d’hydratation, les additifs à base de phosphonate qui permettent de contrôler efficacement la rhéologie de tels liants ont été testé avec succès. Ils permettent non seulement de contrôler le temps de prise, mais fournissent également un effet plastifiant.En ce qui concerne l’amélioration des propriétés de résistance au jeune âge, différentes méthodes ont été utilisées. L’utilisation d’un traitement thermique ou d’une augmentation de la finesse du GGBS s’est avérée efficace. L’exploration des causes d’une longue période d’induction a montré que l’accélération pouvait également être obtenue par l’ajout d’une source de calcium à cinétique de dissolution contrôlée. En conséquence, le liant est devenu plus réactif et plus robuste à certains facteurs (concentration d’activateur, rapport eau/liant, conditions de durcissement, etc.). Pour compenser l'empreinte carbone supplémentaire de la source de calcium ajoutée, le liant a été dilué avec succès par le calcaire sans aucune dégradation des propriétés à un certain pourcentage de dilution. / Today, environmental problems are more acute than ever. Urgent measures should be taken in all spheres of human activity including construction and civil engineering. One of the major contributors of negative environmental impacts from this industry is the manufacturing of ordinary Portland cement (OPC) required for concrete and other cementitious materials production. Although its importance to economical development, it has a significant drawback - its production is accompanied by the emission of large quantities of greenhouse gases. They account for 5-8% of total world CO2 emissions. More environmentally friendly cementitious materials are now required.Significant reductions of the environmental impact can be achieved only through the use of new-generation binders whose manufacture does not require a lot of additional processes and treatments. One route is through the use of industrial wastes as binders (different slags, fly ash, biomass bottom ash, etc.). In this way there is not only a reduction in the impact of processes such as mining or calcination, but also the recycling of waste materials (circular economy principle).One possibility is to use ground granulated blast furnace slag (GGBS) as the basis for such a new generation cement. Due to its rather low reactivity with water, additional supplements (also called activators) should be used to promote the hydration process. One of the most promising, and at the same time least studied, activators is sodium carbonate (Na2CO3). Such alkali-activated cements present high mechanical and durability properties, as well as a very low CO2 footprint. Among the main problems hindering its industrial scale adoption are their poor rheology and too slow strength gain within the first days of hardening.The objective of the present thesis is to develop a new binder based on Na2CO3 activated GGBS that would meet all the modern requirements of the construction industry, in particular regarding the rheological properties and early age strength development. In addition this binder should always respond to at least three main criteria: low environmental impact, low health and safety concerns in field applications, and be economically competitive at industrial scale.In the present work, the influence of different parameters like water/binder ratio, Na2CO3 concentration, slag fineness and curing conditions on both early age and long term properties of the mixture were studied. Based on the results of the hydration process analysis, phosphonate based additives that allow for the effective control of the rheology of such binders were successfully tested. They not only allow control over the setting time, but also provide a plasticizing effect.Regarding the improvement of early age strength properties, various methods have been used. The use of heat treatment or an increase of GGBS fineness turned out to be efficient. Exploring the causes of the long induction period has shown that acceleration can also be achieved by the addition of a calcium source with controlled dissolution kinetics. As a result, the binder became more reactive and robust against certain factors (activator concentration, Water/Binder ratio, curing conditions, etc.). To compensate for the additional carbon footprint from the added calcium source, the binder was successfully diluted by limestone without any degradation of the properties below some dilution percentages.

Betong är vårt vanligaste byggmaterial men cement står globalt sett för 5 % av CO2-emissionerna. Med detta som bakgrund så har CBI Betonginstitutet anordnat en tävling, där målet är att nå den högsta tryckhållfasthet i en resurssnål betong, med enbart 200 kg cement per m3. Syftet med denna rapport är att utvärdera tävlingen, vilket har utförts genom en omfattande litteraturstudie.  En första analys av de olika betongrecepten medförde att olika grupperingar kunde urskiljas. Ur dessa fanns det tre stycken vars resultat var väldigt bra.   Concrete Innovation Centre, som med ett lågt vct, stora mängder granulerad masugnsslagg (81 %) och lite silikastoft (5 %), uppnådde en tryckhållfasthet på 80 MPa vid 28 dygn och 95 MPa vid 56 dygn.   CBI Stockholm, som genom användandet av ulltrafint filler och silikastoft (4,8 %), uppnådde en tryckhållfasthet på 84 MPa vid 28 dygn och 98 MPa vid 56 dygn.   Thomas Concrete Group som genom att ersätta cementet med en medelmåttig mängd granulerad masugnsslagg (54 %), liten mängd flygaska (9 %), kalkfiller och silikastoft (5 %), uppnådde en tryckhållfasthet på 94 MPa vid 28 dygn och 98 MPa vid 56 dygn.  Det finns således tre recept som vidare studier kan vara rättfärdigade på, de tre ovan nämnda. Det bör tilläggas att en imponerande tryckhållfasthet på nästan 100 MPa, kan uppnås i en betong med enbart 200 kg cement per m3. / Concrete is the most frequently used construction material, but cement globally stands for 5 % of the world’s CO2 emissions. With this as a background CBI Betonginstitutet has arranged a competition, where the goal is to reach the highest compressive strength in a resource economic concrete, with only 200 kg cement per m3. The purpose of this report is to evaluate the competition, which has been done via a substantial literature study.  A first analysis of the different concrete recipes resulted in that different groups could be identified. From these there were three recipes whose result was very good.   Concrete Innovation Centre, which with a low w/c, a high amount of ground granulated blast furnace slag (81 %) and little silica fume (5 %), reached a compressive strength of 80 MPa at 28 days and 95 MPa at 56 days.   CBI Stockholm, which by the usage of ultrafine filler and silica fume (4,8 %), reached a compressive strength of 84 MPa at 28 days and 98 MPa at 56 days.   Thomas Concrete Group, which by replacing the cement with a moderate amount of ground granulated blast furnace slag (54 %), a small amount of fly ash (9 %), lime filler and silica fume (5 %), reached a compressive strength of 94 MPa at 28 days and 98 MPa at 56 days.  The conclusion is that there are three recipes that further studies are justified to continue with, the three mentioned above. It should be added that an impressive concrete compressive strength of almost 100 MPa, can be reach with the use of only 200 kg cement per m3.

Stockholm Vatten has decided to close down the Bromma waste water treatment plantand manage the waste water from Bromma together with the waste water from the formerEolshällsverket to Henriksdal’s waste water treatment plant. Henriksdals wastewater treatment plant will be expanded for higher purification requirements and loads,estimated to be finished until 2040. This entails extensive renovations and additionsto the existing treatment plant in and on Henriksdalsberget, as well as a major expansionof the Sickla plant.The purpose of the study is to investigate an environmentally friendly alternative tothe standard concrete that will be used for the expansion of the Sickla plant. The largestenvironmental villain in concrete is the cement. The aim of this study has beento replace the cement with environmentally friendly additives in the largest possibleamount, thus reducing the negative impact of the cement on the environment.In the present study, a review was made of obtained data with exposure classes, then aliterature study was performed to gain knowledge in the area. With help from experts,two fictitious recipes for each exposure class have been calculated for the standardconcrete and the green concrete. In this way, a careful comparison between the concretetypes was made of the cement’s impact on global warming. Thereafter, a study wascarried out on existing EPDs, which were incorporated into the One Click LCA (2015)software. An LCA in the mentioned software was carried out, which enabled data to becompiled and a comparison of the climate impact between the four different fictitiousrecipes has been done.Compiled and compared data from LCA and analysis of EPDs show that 70% of thestructure with exposure class XD2 gets a 47% reduction in global warming when usinggreen concrete instead of standard concrete. Furthermore, the results show that theremaining 30% of the structure with exposure class XF3/XC4 gets a 20% reductionwhen using green concrete instead of standard concrete. The total reduction in globalwarming when using green concrete instead of standard concrete for the expansion ofSickla treatment plant was calculated to be 40%. / Stockholm Vatten har beslutat att lägga ned Bromma reningsverk och leda avloppsvattnetfrån Bromma tillsammans med avloppsvattnet från det forna Eolshällsverkettill Henriksdals reningsverk. Henriksdals reningsverk ska byggas ut för högre reningskravoch belastningar beräknade till år 2040. Detta medför omfattande om- och tillbyggnationeri det befintliga reningsverket i och på Henriksdalsberget samt en storutbyggnad av Sicklaanläggningen.Syftet med detta arbete är att undersöka ett miljövänligare alternativ till standardbetongensom ska användas vid utbyggnaden av Sicklaanläggningen. Då den främsta”miljöboven” i betongen är cementet har målet med denna studie varit att ersätta cementetmed miljövänliga tillsatsmaterial i största möjliga mängd, i syfte att minskacementets negativa inverkan på miljön.I föreliggande arbete har en genomgång utförts på erhållna data med exponeringsklasser,därefter påbörjades en litteraturstudie i syfte att inhämta kunskaper inomområdet. Med hjälp av experter har två fiktiva recept för respektive exponeringsklassräknats fram för standardbetongen och den gröna betongen. Med denna metod genomfördesen noggrann jämförelse mellan de olika recepten avseende cementets inverkanpå den globala uppvärmningen. Därefter undersöktes existerande EPD:er, vilka infogadesin i programvaran One Click LCA (2015). En LCA i den nämnda programvaranutfördes, vilket möjliggjorde att data kunde sammanställas och en jämförelse av klimatpåverkanmellan de fyra olika fiktiva recepten kunde genomföras.Sammanställd och jämförd data från LCA och analys av EPD:er visar att 70% av konstruktionenmed exponeringsklass XD2 får en reducering på 47% på den globala uppvärmningenvid användning av grön betong istället för standardbetong. Vidare visarresultatet att resterande 30% av konstruktionen med exponeringsklass XF3/XC4 fåren reduktion på 20% vid användning av grön betong istället för standardbetong. Dentotala reduktionen på den globala uppvärmningen vid användning av grön betongistället för standardbetong för utbyggnaden av Sickla reningsverk beräknades till 40%.

The topic of this work is the monitoring of the effect of zinc on the hydration process in Portland mixed cement (specifically with the addition of finely ground granulated blast-furnace slag, high temperature fly ash and fluidized bed combustion filter ash). How much zinc and at what time it remains in the pore solution during hydration. Activation energy of a mixture of cement with zinc in the form of soluble salts (Zn(NO3)2.6H2O and ZnCl2) and insoluble oxide (ZnO) by isothermal calorimetry was also investigated. The XRF method has shown composition during hydration. The zinc retardation effect was investigated by isothermal calorimetry and activation energy was calculated using this method. The XRF and ICP-OES methods were used to measure the zinc content of the pore solution. And the amount of portlandite was monitored by the DTA and XRF method.

The theme of this work is to monitor the effect of zinc on the properties of blended Portland cements. Zinc was tested in the form of two-soluble salts: Zn(NO3)22 H2O and ZnCl2 and a very slightly soluble compound ZnO. Blended cements were prepared by partial replacement with finely ground granulated blast furnace slag, high-temperature and fluidized bed combustion filter fly ash. Flow properties were studied on the prepared pastes. Impact on hydration reactions was examined by using of isothermal and isoperibolic calorimetry. Flexural and compressive strength were measured as mechanical properties of the prepared test specimens. The phase composition of the prepared composites and incorporation of zinc ions in the cement matrix via leaching tests and FTIR analyzes were also studied. Microstructure development of cement samples was tested by SEM analysis with EDS. Influence on ecotoxicity was also measured.