Th. univ.--Sci.--Toulouse--I.N.P., 1980. N°: 8.

De nombreuses substances chimiques sont susceptibles de mener à des phénomènes d'incompatibilité, lors de leur mise en contact avec d'autres produits ou matériaux. Pour maîtriser ces risques, une identification rapide et précise de ces incompatibilités est nécessaire. Elle est réalisée, jusqu’à présent, par des outils expérimentaux qui malgré leur incontestable importance, ne fournissent que des informations limitées. Pour les compléter et améliorer la compréhension des processus d'incompatibilité, ce travail de thèse, vise à étudier la réactivité du nitrate d'ammonium, produit très utilisé dans l'industrie, connu pour sa longue liste d'incompatibilités et impliqué dans des nombreux accidents majeurs (Toulouse 2001), à l'aide de la modélisation moléculaire. Une étude théorique approfondie, basée sur des calculs DFT, destinée à identifier les chemins réactionnels, les produits formés ainsi que la chaleur dégagée par les réactions a été menée.Après avoir caractérisé le mécanisme radicalaire de décomposition du nitrate d’ammonium pur en phase gaz, une étude détaillée de la réactivité du mélange du nitrate d’ammonium et du dichloroisocyanurate de sodium (DCCNa), a été réalisée. Un chemin réactionnel a été caractérisé, il s'agit de la réaction directe entre le nitrate d'ammonium et le DCCNa, en présence d'une molécule d'eau. Ensuite, ces méthodes théoriques ont été appliquées à d'autres systèmes d'incompatibilités chimiques avec le nitrate d'ammonium (NaNO2, substances chlorées) en focalisant sur les étapes limitantes des mécanismes afin de tester leur pertinence et potentiel en tant qu'outil de prédiction a priori du phénomène d'incompatibilité. Ce travail, pionnier dans l'étude microscopique des incompatibilités chimiques du nitrate d'ammonium, a permis de clarifier les mécanismes réactionnels lors de la décomposition du produit pur et en contact avec des contaminants. / Numerous chemical reactants tend to lead to undesired phenomena of incompatibility. In order to prevent the happening of those phenomena, a rapid and accurate identification of the incompatibilities is needed. Until now, experimental studies, which provide insightful, but limited information, were the only possible approach used for the study of incompatibilities. In this work a molecular modeling approach was used in order to complete and improve experimental results of incompatibility processes for the reactivity of ammonium nitrate. Ammonium nitrate is a widely used compound in the chemical industry, known for its long list of incompatibilities and often involved in major accidents (Toulouse, 2001).This theoretical work, based on Density Functional Theory (DFT) calculations, is intended to provide insights into the possible reaction pathways, enthalpies and products formed by incompatibility reaction between ammonium nitrate and other compounds. In this thesis the mechanism of the decomposition of pure ammonium nitrate in the gas phase was firstly characterized and then the reactivity of the mixture of ammonium nitrate – sodium dichloroisocyanurate (DCCNa) was considered. The results obtained suggest the existence of a reaction path, involving a direct reaction between the ammonium nitrate and DCCNa in the presence of a molecule of water.Furthermore, the theoretical approach was employed focusing on the study of the limiting steps of other chemical incompatibilities for ammonium nitrate systems (NaNO2, chlorinated substances). Those results were employed to understand the potentiality of the theoretical approach as a priori predicting tool for the incompatibility processes.In summary this work, pioneer in the microscopic study of chemical incompatibilities of ammonium nitrate, has clarified the reaction mechanisms involved in the decomposition of pure compounds, as well as in contact with other contaminants.

Le projet de thèse a eu pour but l’étude de la formation et de l’élimination du N2O par des catalyseurs cuivre-zéolithe ou fer-zéolithe, utilisés pour le procédé de réduction catalytique sélective des NOx par l'ammoniac (NH3-SCR). Dans ce processus de réduction des NOx, les principales voies de formation de N2O sont la décomposition du nitrate d’ammonium (NH4NO3) et l’oxydation de NH3. L’étude bibliographique a montré une contribution plus importante de la décomposition du nitrate d’ammonium. La recherche s’est donc focalisée dans l’étude de la décomposition du nitrate d’ammonium en empruntant deux axes : la décomposition du NH4NO3 commercial et la formation in situ suivi de la décomposition du nitrate d’ammonium.Les catalyseurs, utilisés pour cette étude, ont été, tout d'abord, amplement caractérises par différentes techniques d’analyse physico-chimique afin de connaitre particulièrement la concentration et forme de déposition des métaux, l’acidité et la taille des cristaux.Après avoir abordé la décomposition du NH4NO3 commercial sans catalyseur, l'étude s'est orientée sur l'effet de l'interaction avec un catalyseur. La nature du gaz vecteur, les conditions hydrodynamiques et la quantité de NH4NO3 ont aussi été évaluées.La décomposition sous conditions statiques, i.e. sans entrainement du NH4NO3 liquide, conduit principalement le N2O. En revanche, les chemins réactionnels suivis sous conditions dynamiques dépendent du mode de déposition du nitrate d’ammonium. Les agrégats solides de nitrate d'ammonium en contact avec la surface externe du catalyseur se décomposent directement en N2O, surtout quand le nitrate d’ammonium liquide ne peut pas être entrainé par le gaz vecteur. L’absence de catalyseur favorise la décomposition vers l’azote par l’interaction entre le NH3 et du HNO3 libérés lors de la dissociation du NH4NO3. D’autre part, en présence d’un catalyseur, le NH3 formé tend à s’adsorber et à s’oxyder à plus haute température. La variation du gaz vecteur n'engendre pas d'effet significatif sur la décomposition du NH4NO3.La décomposition du nitrate d’ammonium formé in situ a été réalisée dans le but de se rapprocher des conditions du procédé NH3-SCR, où le nitrate d’ammonium se forme par l’interaction entre le NH3 et le NO2. La méthode expérimentale a été conçue pour maximiser la formation du nitrate d’ammonium selon les deux cas extrêmes pouvant être trouvés dans un système SCR : la saturation préalable du catalyseur en NH3 puis en NO2 (« NH3 experiment ») et l’inverse, saturation en NO2 puis NH3 (« NO2 experiment »). Dans ce cas plusieurs catalyseurs ont été préparés afin d’isoler certaines caractéristiques et évaluer leur impact. Les effets de la teneur en cuivre, du type de métal (Cu ou Fe), de la structure de la zéolite (CHA ou FER), de la méthode de préparation, de l’atmosphère de calcination et du gaz vecteur pendant la décomposition ont été étudiés. Les effets obtenus ont été corrélés avec les résultats de la caractérisation physicochimique des catalyseurs afin de déterminer les paramètres prépondérants des différences observées.La formation du N2O lors du « NH3 experiment » est toujours plus importante que celle obtenue dans le « NO2 experiment » et dépend fortement de la concentration en sites acides de Brönsted quelle que soit la structure de la zéolithe. En revanche, dans le « NO2 experiment », ce sont plutôt les espèces métalliques et sa localisation qui influencent la décomposition du nitrate d’ammonium. La taille des cristaux a aussi une influence. La méthode de préparation et l’atmosphère de calcination n’ont pas un effet très significatif. Le gaz vecteur influence seulement les émissions à haute température : la formation du N2O est plus importante en présence d’oxygène. / The thesis project focused on the study of the formation and elimination of N2O by copper-zeolite or iron-zeolite catalysts, used for selective catalytic reduction of NOx with ammonia (NH3-SCR). In the NOx reduction process the main N2O formation routes are the decomposition of the ammonium nitrate (NH4NO3) and the NH3 oxidation. Still, a literature review showed a more important contribution from the decomposition of ammonium nitrate. Therefore, the study was then concentrated on the decomposition of the ammonium nitrate in two axes: the decomposition of commercial NH4NO3 and the in situ formation followed by decomposition of ammonium nitrate.Besides, the catalysts used for this study, have been thoroughly characterized by different physicochemical techniques in order to, particularly, assess the concentration and deposition form of metals, the acidity and the size of the crystals.After performing the decomposition of commercial NH4NO3 without catalyst, the study has focused on the effect of interaction with a catalyst. The effect of the carrier gas, the hydrodynamic conditions and concentration of NH4NO3 were also studied.Under static conditions, i.e. without liquid NH4NO3 entrainment, the decomposition of the commercial ammonium nitrate mostly leads to N2O. In contrast, the reaction pathway under dynamic conditions depends on the deposition method of ammonium nitrate onto the catalyst. The solid aggregates in the outer surface of the catalyst decompose directly to N2O, especially when the liquid ammonium nitrate cannot be entrained by the carrier gas. The absence of a catalyst promotes the decomposition into nitrogen, formed by the interaction between the NH3 and HNO3 released upon the dissociation of NH4NO3. On the other hand, in the presence of a catalyst NH3 tends to adsorb and to be oxidized at higher temperatures. The carrier gas composition did not have a significant effect in the decomposition of NH4NO3.The decomposition of ammonium nitrate formed in situ was performed in order to get closer from what happens under SCR conditions, where the ammonium nitrate is formed by the interaction between NH3 and NO2. The experimental method was designed to maximize the formation of ammonium nitrate according to the two extreme conditions that may be found in a SCR system: firstly catalyst saturation by NH3 and then by NO2 (“NH3 experiment”) and then the reverse, saturation by NO2 and then by NH3 (“NO2 experiment”). In this study several catalysts were prepared in order to isolate certain characteristics and assess their impact. The effects of the copper loading, the type of metal (Cu and Fe), the structure of the zeolite (CHA or FER), the method of preparation, the calcination atmosphere and the carrier gas during decomposition were studied. These effects were correlated to the results of the physico-chemical characterization of the catalysts with the purpose of find the cause of the faced differences.The formation of N2O during the “NH3 experiment” is always greater than that obtained on the “NO2 experiment”, and strongly depends on the concentration of the Brönsted acid sites, regardless the zeolite structure. However, on the “NO2 experiment”, it is rather the metal species and its location that influence the decomposition of ammonium nitrate. The size of the crystals also has an influence. The preparation method and the calcination atmosphere do not have a significant effect. The carrier gas impacts on the high temperature emission: the formation of N2O is greater in the presence of oxygen.

Les matériaux cimentaires ont été retenus afin de composer la barrière ouvragée du site français de stockage des déchets nucléaires en formation géologique profonde. Ce choix se justifie par les capacités physico-chimiques propres aux bétons : les hydrates de la matrice cimentaire (CSH) et le pH de sa solution interstitielle contribuent à la rétention des radionucléides ; d'autre part la compacité de ces matériaux limite le transport d'éléments. <br />Il convient de s'assurer de la pérennité de cette structure pendant une durée au moins égale à celle de la vie des déchets (jusqu'à 100 000 ans). Sa durabilité a été éprouvée par l'évolution des propriétés de transfert en fonction de la décalcification de matériaux cimentaires, altération traduisant le vieillissement de l'ouvrage. <br /><br />Deux modes de dégradation ont ainsi été appliqués tenant compte des différentes interactions physico-chimiques induites par la formation hôte. <br /><br />Le premier, de type statique, a consisté en une décalcification accélérée par le nitrate d'ammonium. Il simule l'altération de la barrière ouvragée par les eaux souterraines. La cinétique de la dégradation a été estimée par le suivi du calcium lixivié et l'avancée du front de dissolution de l'hydroxyde de calcium.<br />Pour évaluer l'impact de la décalcification, les échantillons ont été caractérisés à l'état sain puis dégradé, en termes de microstructure (porosité, distribution porosimétrique) et de propriétés de transfert (diffusivité, perméabilité au gaz et à l'eau). <br />L'influence de la nature du liant (CEM I et CEM V/A) et des granulats (calcaires et siliceux) a été observée en répétant les essais sur différentes formulations de mortiers.<br />A cette occasion, une importante réflexion sur la métrologie de cet essai a été menée.<br /><br />Le deuxième mode de dégradation, dynamique, a été réalisé par un perméamètre environnemental. Il recrée les sollicitations subies par l'ouvrage lors de sa phase de resaturation post-fermeture (pression hydraulique imposée par la couche géologique et exothermicité des déchets).<br />Cet appareillage, basé sur le principe d'une cellule triaxiale, a permis de fixer un gradient de pression entre 2 et 10 MPa et une température de 20 à 80°C. La variation de la perméabilité à l'eau en fonction de ces deux paramètres expérimentaux, découplés et couplés, a été mesurée et reliée aux modifications microstructurales des échantillons. <br /><br />Mots clés : décalcification, CEM I, CEM V/A, diffusivité, perméabilité au gaz, perméabilité à l'eau, porosimétrie mercure, dégradation par nitrate d'ammonium, perméamètre environnemental, gradient de pression, température, stockage nucléaire souterrain.

Ce travail de thèse est consacré à la caractérisation des propriétés mécaniques de l’interphase pâte de ciment-granulat au cours de l’hydratation et au cours de la dégradation chimique par lixiviation. La microstructure de l'interphase entre la pâte de ciment et les granulats est caractérisée par une porosité supérieure à celle de la pâte de ciment. Cette zone constitue un point de fragilité dans le béton et ses propriétés affectent fortement le comportement mécanique du béton à l’échelle macroscopique et à l’échelle de la structure. Dans ce travail, la résistance de l’interphase pâte de ciment-granulat est analysée expérimentalement à l'échelle locale. Des essais expérimentaux sont réalisés sur des composites constitués de granulats liés par une pâte de ciment portland préparée avec un rapport Eau/Ciment de 0,5. Des dispositifs expérimentaux dédiés ont été conçus et réalisés de manière à être adaptés à la taille et à la forme des échantillons. La forme des échantillons utilisés et les outils expérimentaux développés permettent de solliciter directement l’interphase. A différents stades de l'hydratation, des échantillons de pâte de ciment seule et des composites sont soumis à des essais de compression, de traction et de cisaillement direct. L’étude des propriétés mécaniques de l’interphase pâte de ciment-granulat révèle une faiblesse de cette zone en termes de propriétés mécaniques..Le protocole expérimental mis au point a permis d’étudier les effets du mécanisme de lixiviation du calcium au niveau de l’interphase sur les propriétés mécaniques du béton à l’échelle locale. Compte tenu du temps caractéristique long du phénomène de lixiviation, la mise en situation expérimentale au laboratoire est accélérée en remplaçant l’eau par une solution de nitrate d'ammonium. Afin de quantifier le développement et la cinétique de dégradation au niveau de la liaison cimentée, les fronts de lixiviation du béton sont caractérisés à différents degrés de dégradation en utilisant la phénolphtaléine comme traceur. Des essais mécaniques locaux (compression, traction et cisaillement) sont réalisés sur les composites et sur la pâte de ciment à différents temps de dégradation. L’étude de l’effet de la lixiviation à l’échelle locale montre le rôle important de l’interphase pâte de ciment-granulat lors du processus de dégradation chimique sur les propriétés mécaniques du composite. / In this work, we presents an experimental study to characterize the mechanical properties at the local scale of the cement paste-aggregate interface during hydration and during chemical degradation by leaching.It is generally accepted that the microstructure of the interface between the aggregates and the cement paste is characterized by a higher porosity than that of cement paste. This makes this zone a weak point in the concrete. The particular properties of this zone strongly influence the mechanical behavior of concrete. In this work, the mechanical properties of the cement paste-aggregate composite, are experimentally studied. The experimental tests are performed on composites at classical aggregate scale (one centimeter of section). These composite are composed by and Portland cement paste and aggregate. The cement paste is prepared with a water/cement ratio of 0.5. The shape of the prepared composites makes them convenient for direct tensile and shear tests. At different stages of hydration, we performed direct tensile and shear tests on the composites by means of specific devices. The same tests were carried out on the cement paste in order to compare with composites results. The shape of the prepared composites makes them convenient to characterize the cement paste-aggregate interface. At different stages of hydration, the composites are subjected to compression tests, direct tensile tests or shear tests. The study of the mechanical properties of the cement-aggregates interface revealed that the cement paste-aggregate interface is the weakest zone in the composite.An experimental protocol was developed to study the effects of calcium leaching mechanism at the cement paste-aggregate interface on the mechanical properties of the concrete. As the process of leaching with the deionised water occurs very slowly, the experimental study in the laboratory is accelerated by replacing the water by ammonium nitrate solution. To quantify the development and kinetics of degradation at the cemented bond, the concrete leaching fronts are characterized at different levels of degradation by using phenolphthalein. Local mechanical tests (compression, tensile and shear) are performed on composite and cement paste at different stages of degradation. The experimental results show that there is a leaching effect on the alteration of the mechanical properties at the cement paste-aggregate interface.