La compréhension des mécanismes d’absorption de l’eau, ainsi que l’arrangement moléculaire adopté par le réseau de molécules d’eau lors du confinement à l’échelle nanométrique, est crucial que ce soit pour l’optimisation de plusieurs applications, telles que la production d’énergie propre, la purification et le dessalement de l’eau, ou pour élucider certains processus complexes qui ont lieu dans les systèmes biologiques. Dans le cadre de cette thèse, l’hydratation contrôlée de trois systèmes poreux modèles suivie par spectroscopie infrarouge montre les effets de la nature des surfaces et des limitations stériques qui, en altérant les liaisons hydrogène établies entre les molécules d’eau, déclenche la formation de réseaux atypiques. La brillance de la source de rayonnement synchrotron infrarouge, exploitée par la ligne de lumière AILES au sein du synchrotron SOLEIL, a permis l’étude d’échantillons très absorbants en permettant de mettre en évidence la faible contribution de monocouches de molécules d’eau voire même de chaînes linéaires. L'effet d'une surface hydrophile sur la structure, la densité et la dynamique des molécules d'eau à l'interface a été étudié en mesurant l’absorbance d’une lamelle de Vycor poreux (pores d’environ 5 nm) à l’équilibre avec une pression de vapeur d'eau donnant lieu à la formation d’un réseau d’eau bi-dimensionnel. Les interactions fortes entre l’eau interfaciale et la surface hydrophile provoquent plusieurs transitions structurales du réseau d’eau expliquant ainsi les observations par d’autres techniques. Des similitudes et des différences surprenantes ont été observés entre l’hydratation d’une surface hydrophile et celle d’un système hydrophobe dans des conditions de confinement extrême : les nanotubes de carbone à paroi unique (SWCNTs) ayant un diamètre de quelques Angstrom. Nos mesures ont montré que l’établissement d’un réseau de molécules d’eau unique peut être à l’origine du déplacement rapide des molécules d’eau à l’intérieur des nanotubes de carbone. Enfin, l’étude des mécanismes d’adsorption de la membrane Nafion, membrane modèle dans les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFCs), a permis de clarifier les processus en jeu lors de l’ionisation et la formation d’espèces protonique responsable de la remarquable conductivité ionique propre à cette famille de membranes.Cette méthodologie pourra être étendue à des systèmes plus complexes, tels que les réseaux de molécules d’eau dans les systèmes biologiques. / Understanding the water absorption mechanisms, and the molecular arrangement adopted by the water molecules upon confinement at the nanoscale is crucial both for technological applications, such as clean energy production, purification and desalination of water, and to unveil some of the complex processes occurring in biological systems.In this thesis, the controlled hydration of three porous model systems monitored by infrared spectroscopy shows the effects of surfaces forces and steric limitations that triggers the formation atypical networks by altering the hydrogen bonds established between water molecules. The brightness of the infrared synchrotron radiation source on the AILES beamline at synchrotron SOLEIL allowed to highlight the low contribution coming from water molecules arranged as monolayer or linear chains in highly infrared absorbent matrices. The effect of a hydrophilic surface on structure, density and dynamic of water molecules at interfaces was examined by measuring the absorbance of a porous Vycor slab (pores of about 5 nm) at equilibrium with the water vapor pressure needed to obtain a two-dimensional water network. The strong interfacial interactions between water and the hydrophilic surface cause several structural transitions on the water network elucidating the observations made by other techniques. Surprising similarities and differences are observed between the hydration of a hydrophilic surface and that of a hydrophobic system under extreme confinement: single-wall carbon nanotubes (SWCNTs) having a diameter of several Angstroms. Our measurements have shown that the arrangement of a peculiar water network may be the origin of the enhanced water flux in carbon nanotubes. Finally, the study of the adsorption mechanisms of the Nafion membrane, the benchmark electrolyte in proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs), has shed new light on the processes involved in the ionization and the formation of protonic species, accountable for the remarkable ionic conductivity typical of these membranes.This approach may be also extended to more complex systems, such as water molecules networks in biological systems.

This diploma thesis deals with non-traditional binder, which is strontium aluminate, with his preparation and hydration. The behaviour of binary and ternary mixtures of strontium-calcium-barium aluminates was also studied. These aluminates were prepared by firing an equimolar mixture of aluminum oxide and the appropriate carbonate. Samples prepared this way, including their mixtures, were characterized by analytical methods such as X-ray diffraction analysis (XRD), thermal analysis with evolved gas analysis (TG-DTA and EGA), scanning electron microscopy (SEM), infrared spectroscopy (IR) and calorimetry, with the greatest importance for the study of the hydration process.

The project elaborated in frame of engineering studies branch N2332-00. The project is submitting design of technology production sand mixture with cement binder – Portland binder CEM I 42,5 N. Pursuant to of the literary pursuit a problem of the sand mixture with cement binder was tested few sand mixture. As optimal composition it turned out application sand mixture with 2 % CaCl2 content and 1 – 2 % Dextrin content. Sand mixture with cement has good moulder and regenerating.

Dans cette étude, nous nous intéressons au relâchement du carbone dans les CSD-C (Colis Standard de Déchets Compactés) par simulation atomique. Le carbone 14 peut atteindre la surface de la zircone par deux mécanismes : la migration par diffusion interstitielle et/ou la migration dans les porosités. La migration dans les porosités a été modélisée par une migration sur une surface anhydre de zircone. Le coefficient de diffusion est égal à 10⁻¹⁵ cm²/s à la température d’étude de 50 °C. Cela représente une migration de l’ordre du mm sur 100 000 ans (échelle de temps considérée). La migration interstitielle a été étudiée par les sauts au voisinage de la subsurface. L’épaisseur de la subsurface correspond aux 2 couches (0.7 nm) pour lesquelles l’énergie d’interaction du carbone est différente de celle en volume. La migration du carbone est préférentielle vers la surface dans cette zone. Nous avons également analysée l’hydratation de la surface par l’eau qui pourraient arriver dans le site de stockage. Une nouvelle configuration de la monocouche d’hydratation de la surface est proposée dont la stabilité en température a été étudiée par dynamique moléculaire. La monocouche d’hydratation reste inchangée en présence d’eau. Des mécanismes associées à la spéciation une fois que le carbone est sur la surface hydratée ont été simulés. Les conditions basiques ont été prise en compte. La désorption de CO et de CO₂ nécessite des énergies d’activation accessibles de 0.40 eV au maximum. La désorption de CH₄ semble plus difficile. Le carbone pourrait aussi être piégé sur la surface. / In this study, we are interested in the release of carbon in CSD-C (Standard Package of Compacted Waste) by atomic simulation. Carbon 14 can reach the surface of zirconia through two mechanisms: pore diffusion and/or migration in porosities. Migration in porosities was modelled by migration on an anhydrous zirconia surface. The calculated diffusion coefficient is equal to 10⁻¹⁵ cm²/s at the study temperature of 50 °C. This represents a migration in the order of mm per 100 000 years (time scale considered). Interstitial migration was studied by jumps in the vicinity of the subsurface. The thickness of the subsurface corresponds to the 2 oxide layers (0.7 nm) for which the interaction energy of carbon is different from bulk. Carbon migration is preferred towards the surface in this area. We have also analyzed the hydration of the surface with water that could arrive in the storage site. A new configuration of the surface hydration monolayer is proposed whose temperature stability has been studied by molecular dynamics. The hydration monolayer remains unchanged in the presence of water. Mechanisms associated with speciation once the carbon is on the hydrated surface have been simulated. The basic conditions have been taken into account. The desorption of CO and CO₂ requires accessible activation energies of up to 0.40 eV. Desorption of CH₄ seems more difficult. Carbon could also be trapped on the surface.

Bei der Zementklinkerherstellung fallen auch erhebliche Mengen an Prozessstäuben an, z.B. Bypassstäube. Die Zusammensetzung der Stäube kann auch innerhalb eines Werkes je nach Betriebszuständen unterschiedlich sein. Zu den relevanten Bestandteilen gehören Alkalisulfate und -chloride sowie Carbonate, Freikalk und Klinkerphasen. Als Nebenbestandteil können chloridreiche Stäube aufgrund des niedrigen Chloridgrenzwerts nur sehr begrenzt, sulfathaltige Stäube hingegen bis zu 5 M.-% zur Zementherstellung eingesetzt werden. Im Fokus stand die Untersuchung der Eignung sulfatreicher Prozessstäube als Nebenbestandteil zur Sulfatoptimierung. Hier wurde geprüft, ob und wie sich dadurch insbesondere bei Zementen mit mehreren Hauptbestandteilen Frühfestigkeiten verbessern lassen und der Klinkeranteil verringert werden kann. Durch einen verstärkten Einsatz sulfatreicher Prozessstäube lassen sich Anteile natürlicher Sulfatträger (Anhydrit, Gips) substituieren. Die isotherme Wärmeflusskalorimetrie erfasst die zeitliche Wärmefreisetzung der Zemente bei Hydratationsvorgängen. Je nach Zementhauptbestandteil erfordert eine optimale Hydratation unterschiedliche Verfügbarkeiten der Sulfate. Ob und wie diese zur Verfügung stehen, konnte durch die Verfolgung der Hydratationswärmefreisetzung nachvollzogen werden. Aus dem Vergleich mit den üblichen Methoden zur Sulfatoptimierung, wie Festigkeits- und Verarbeitbarkeitsuntersuchungen, wurde ermittelt, dass sich die Wärmeflusskalorimetrie als schnelle, einfache und kostengünstige Optimierungsmethode einsetzen lässt. Die Untersuchungen wurden an den gängigsten Zementarten mit mehreren Hauptbestandteilen sowie an hüttensand- und kalksteinhaltigen Zementen (CEM III/A, CEM II/B-M (S-LL), CEM II/A-LL, CEM II/B-M (Q-LL) durchgeführt. Isotherme Wärmeflusskalorimeter werden bereits heute von vielen Zementherstellern zur Bestimmung der Hydratationswärme eingesetzt. Daher können die Ergebnisse direkt von den KMU der Zementindustrie zur effizienteren Nutzung von Zementhaupt- und Nebenbestandteilen genutzt werden.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2012-2013. / Le réchauffement climatique est un problème de plus en plus préoccupant pour la communauté scientifique. La plupart des experts affirment qu'une solution temporaire à ce problème consiste à réduire les émissions de CO2. Un moyen efficace permettant de réduire les émissions de CO2 tout en continuant à exploiter les ressources mondiales de pétrole et de charbon est la capture du CO2. La dernière décennie a vue naître une technologie des plus novatrices dans le domaine de la capture du CO2 soit l'utilisation de l'anhydrase carbonique, une enzyme catalysant la réaction d'hydratation du CO2 de façon très efficace (kh » ÎOV1 ). Ce projet de maîtrise présente une étude cinétique de l'hydratation du CO2 en présence de l'anhydrase carbonique humaine de type II (l'hCA II) immobilisée, réalisée à l'aide d'un microréacteur enzymatique. Présentement, l'utilisation de cette enzyme à des fins industrielles est très limitée. Le travail présenté ici est innovateur; à notre connaissance, aucune étude similaire impliquant l'enzyme immobilisée n'est disponible dans la littérature ouverte. Cette étude cinétique contribuera ultérieurement au design d'un réacteur monolithique enzymatique destiné à la capture du CO2. La réalisation de cette étude cinétique a nécessité plusieurs étapes préliminaires : la production de l'enzyme, l'immobilisation de l'enzyme et la caractérisation de l'immobilisation. Les résultats expérimentaux ont démontré que la contribution du biocatalyseur sur la réaction globale d'hydratation du CO2 augmente avec l'augmentation du débit volumétrique et l'augmentation de la concentration initiale en molécules de tampon non protonées, ainsi qu'avec la diminution de la concentration initiale en CO2. Un modèle cinétique de l'hydratation catalytique du CO2 par l'hCA II immobilisée basé sur un mécanisme Quad Quad Iso Ping-pong aléatoire a aussi été développé grâce aux résultats expérimentaux.

Résumé : L’utilisation des cendres volantes générées par la combustion de biomasse présente une solution très prometteuse pour la conception de bétons écologiques de haute performance. Cependant, leur comportement dans un milieu cimentaire est encore peu étudié. Ce projet est concentré sur la compréhension des processus d’hydratation d’un système cimentaire contenant les cendres volantes de biomasse disponibles localement. Lors du programme expérimental, la caractérisation physico-chimique des cendres volantes étudiées a d’abord été réalisée. Ensuite, leur effet sur les propriétés rhéologiques, la cinétique d’hydratation, l’évolution des hydrates avec le temps et le développement des résistances ont été examinés. Les systèmes étudiés sont des pâtes et des mortiers avec différents taux de remplacement de ciment par les cendres volantes et deux rapports eau/liant de 0,5 et 0,4 en absence et en présence de superplastifiant. La variation des propriétés physico-chimiques de différents échantillons des cendres volantes (finesse, teneur en chaux libre, en sulfates et en calcite) a été utilisée pour déterminer l’effet de chacun de ces paramètres sur les performances des mélanges. Le remplacement partiel du ciment par les cendres volantes de biomasse entraine des changements sur la rhéologie, la cinétique d’hydratation, la composition des hydrates et la microstructure des pâtes hydratées. De plus, certains problèmes de compatibilité entre les cendres volantes et les superplastifiants sont observés. En se basant sur l’analyse des résultats obtenus, les explications des phénomènes qui se produisent dans les systèmes cimentaires contenant les cendres volantes de biomasse sont proposées. / Abstract : The use of wastepaper sludge ash (WSA) represents a very promising solution for ecological high performance concrete design. However, the effect of WSA on cementitious systems properties is still insufficiently studied. The present project intends to understand the hydration process in Portland cement systems containing locally available WSA. The experimental program begins with characterization of WSA physico-chemical properties. Then, the effect of WSA on rheology, hydration kinetics, hydration products evolution over time and strength development in cement blends is investigated. The systems discussed here are cement pastes and mortars with different cement replacement by WSA ratio and two water to binder ratio (0,5 and 0,4) with and without superplasticizer. The variation of physico-chemical properties (fineness; free lime, sulphate and calcite content) between different WSA samples was used to determine the effect of each of these parameters on blended cement performances. Partial cement replacement by WSA leads to changes in rheology, hydration kinetics, composition of the hydrates and microstructure of hydrated pastes. Moreover, some incompatibility problems between WSA and superplasticizers used are observed. Based on experimental results analysis, the explanations of the phenomena taking place in cement systems containing WSA are proposed.

This dissertation aims to provide a comprehensive understanding of the evolution of solid phase composition with ongoing hydration in OPC‒rich and CAC‒CsHx rich ternary binders. The work is based on a multi‒method approach including XRD, TGA, MAS NMR spectroscopy, calorimetry, microscopy and thermodynamic calculations. From the combinations of results obtained from the different analytical methods, a schematic representation of the phase evolution with ongoing hydration in OPC and CAC‒CsHx rich combinations was achieved, along with plots showing the distributing hydrate phases in the ternary diagram OPC‒CAC‒CsHx. C‒S‒H, portlandite, ettringite and AFm phases stand as main hydration products in the OPC‒rich combinations. C‒S‒H accounts for ~70% of the X‒ray amorphous fraction. In the CAC‒CsHx rich combinations ettringite along with AH3, monosulphoaluminate, strätlingite and hydrogranet phases precipitate. The high portions of X‒ray amorphous fractions in such combinations were mainly attributed to AH3 gel and AFm phases. Additionally, comparison of QXRD results with stoichiometric calculations, thermal analysis and 27Al NMR revealed that a portion of the formed ettringite and portlandite are in an X‒ray amorphous state during hydration. The variation of CAC type and water content strongly influences the hydration mechanism and phase assemblage in the ternary binders, whereas differences in mixtures with different sulphate sources are mainly related to the different dissolution kinetics of the sulphate.

La micropile à combustible à respiration est développée conjointement à STMicroelectronics Tours et au CEA Liten de Grenoble. De très faible puissance (stack de 1W), elle sera à moyen terme utilisée dans un système de recharge portable pour petites batteries Li-Ion (téléphones portables). Le fonctionnement et la structure de ces micropiles sont tels qu'elles sont très sensibles, entre autres, aux conditions atmosphériques caractérisant leur environnement. Cette sensibilité résulte en un comportement électrique très marqué et complexe. Or, l'aspect nomade de l'application fait que celle-ci devra pouvoir faire face à des atmosphères diverses et variées. Il est donc nécessaire de comprendre les interactions liant le comportement électrique de la micropile et l'environnement. Leur modélisation pourra par la suite apporter des éléments concrets en termes de pilotage d'auxiliaires (micro ventilateurs...) et de design de packaging, visant à contrôler l'environnement immédiat de la micropile de la meilleure façon possible. A cet effet, de nombreuses mesures, réalisées sous atmosphère maîtrisée, et sous plusieurs régimes de fonctionnement électrique, ont été croisées entre elles. Elles nous ont permis de poser les hypothèses d'un modèle quasistatique macroscopique de la micropile, reliant les conditions atmosphériques et opératoires à la réponse électrique de la micropile. Ce modèle a été développé à partir de la théorie de la diffusion en milieu poreux. Ce modèle quasistatique, faisant intervenir une description de la diffusion protonique cathodique, permet de représenter le comportement de la micropile sur une large gamme de conditions atmosphériques, et illustre physiquement autant les situations d'assèchement que de noyage. L'approche a ensuite été élargie au développement d'un modèle petit signal, paramétré grâce à une approche multi spectrale et multi conditions opératoires. Celui-ci permet entre autres de quantifier la dynamique associée au phénomène de diffusion protonique, tout en consolidant sa description quasistatique, ceci faisant intervenir des paramètres cohérents avec ceux du modèle quasistatique. Enfin, à la croisée des approches quasistatique et petit signal, les bases d'un modèle dynamique fort signal sont proposées. Elles font intervenir le modèle fort signal propre au LAPLACE, en y injectant la réponse dynamique à l'environnement et à la sollicitation électrique du bilan hydrique. Ce modèle, paramétré avec les paramètres issus du quasistatique et du petit signal, permet de représenter le comportement non linéaire de la micropile sur une large gamme de fréquences de sollicitations galvanostatiques fort signal.

L'étude de l'adsorption et de la mobilité des ions dans les argiles est importante pour mieux appréhender de nombreux processus géochimiques et environnementaux, de même que pour prédire le comportement des radionucléides dans les conditions du stockage géologique. A cause de leurs tailles très petites (< 2μm), il n'est pas toujours évident d'étudier les argiles à l'aide des méthodes et techniques expérimentales existantes. L'une des alternatives à ce problème consiste alors à utiliser la modélisation moléculaire pour les étudier. En plus de leurs tailles fines, les argiles présentent également des structures complexes, qui peuvent survenir en raison de la multiplicité de possibilités de distributions et d'arrangements des substitutions isomorphiques dans leurs couches. Il a été clairement démontré qu'il existe une corrélation entre la distribution des substitutions dans les couches des argiles et les propriétés de ces dernières. En revanche, ceci reste à démontrer en ce qui concerne l'arrangement de ces substitutions dans les couches de l'argile. Dans ce travail, la modélisation moléculaire est utilisée pour déterminer et comparer les propriétés d'hydratation, ainsi que la structure et la mobilité des ions (Li⁺, Na⁺, K⁺, Rb⁺, Cs⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Sr²⁺, Ba²⁺, Ni²⁺, UO₂²⁺) et de l'eau dans l'espace interfoliaire de trois modèles de montmorillonite, différents entre eux par l'arrangement des substitutions isomorphiques dans les couches de l'argile.L'adsorption et la diffusion des cations cités plus haut et de l'eau sont également étudiées à la surface de la montmorillonite et les résultats sont comparés à ceux obtenus dans l'espace interfoliaire à 298 K et à 363 K. Les résultats obtenus dans ce travail s'accordent bien avec les observations expérimentales, et font ressortir une corrélation plus ou moins importante entre le modèle d'argile utilisé et le type de propriété calculée. Cette corrélation dépend également de la nature du cation présent dans la structure de la montmorillonite et de sa teneur en eau.