The Infrared absorption of a single crystal of portlandite, over a temperature range from room temperature to below the melting point of hydrogen, was studied with both polarized and unpolarized radiation. The apparatus and experimental techniques are described, and the results and their significance in relation to earlier experimental work on the crystal structure of portlandite are discussed. / Thesis / Master of Science (MS)

Les objectifs de cette thèse sont de mieux comprendre le phénomène d’autocicatrisation naturelle et d’initier une démarche en vue de proposer des approches technologiques pratiques, fiables et peu couteuses qui permettront d’optimiser et de favoriser le potentiel d’autocicatrisation des bétons et des matériaux cimentaires en général. Les approches proposées consistent à introduire, dans les formulations des matériaux cimentaires, des réactifs internes latents qui permettront d’augmenter le potentiel d’autocicatrisation par différents mécanismes. Trois types de réactifs sont étudiés; des ajouts cimentaires riches en chaux libre, des ajouts granulés riches en ciment anhydre et/ou en chaux libre et des micro-granulats de verre riches en silice amorphe. L’ajout des ajouts cimentaire et des granulés visent à augmenter le potentiel d’autocicatrisation par carbonatation. L’ajout des micro-granulats de verre a pour objectif de créer, dans les fissures un gel silico-calcaire alcalin expansif. Il en ressort que l’augmentation de la teneur en portlandite de la matrice en ajoutant de réactifs riches en chaux libre augmente considérablement le potentiel d’autocicatrisation de fissures larges (>200 µm). L’ajout de granulés faiblement hydratés à base de ciment ou de ciment avec agent expansif à base de chaux libre confère aux mortiers une capacité de cicatrisation accrue. La formation de gel expansif dans les fissures suite à l’activation de la réaction alcali-silice des micro-granulats de verre ne confère pas à la matrice cimentaire un fort potentiel d’autocicatrisation entre 0 et 12 mois.

Le stockage géologique de CO2 est une des solutions techniques envisagées pour faire face aux émissions de gaz à effet de serre dans l'atmosphère. Déjà mis en oeuvre aujourd'hui dans quelques sites pilotes, son acceptabilité à grande échelle requiert la démonstration de la tenue à long terme des propriétés de confinement des couvertures sus-jacentes aux réservoirs, et des ouvrages en ciment, particulièrement sensibles, qui constituent notamment les scellements de fond de puits. Pendant la phase d'injection, une bulle de CO2 supercritique se forme, migre vers le sommet du réservoir sous l'effet de la poussée d'Archimède et se solubilise lentement (plusieurs dizaines d'années pour que la solubilisation soit complète). Alors que les réactions de dissolution et de carbonatation en présence d'eau liquide sont largement étudiées et commencent à être bien connues, la réactivité de la bulle de CO2 en phase supercritique ou vapeur est encore mal appréhendée. C'est face à ces incertitudes que nous avons mené une série d'expériences visant à décrire, à comprendre et à quantifier la réactivité d'un matériel minéral en présence d'une phase vapeur riche en CO2. Un minéral a été particulièrement étudié : la portlandite. Il s'agit d'un constituant clef des ciments riches en calcium, et à ce titre, peut, en première approche, être considéré comme un analogue des ciments de scellements de fond de puits. La cinétique de carbonatation de la portlandite a été déterminée à 80, 120 et 200°C, sous une pression de 160 bar et au contact de CO2 initialement anhydre, ou d'un mélange CO2-H2O. Un protocole original a été élaboré : il associe mesures de l'avancement de la réaction (principalement, analyses par DRX du taux de carbonatation de la fraction solide et enregistrement de la consommation de CO2 au cours de la réaction) et modélisation de l'évolution des équilibres de phases et des propriétés volumétriques du fluide réactionnel. D'un point de vue phénoménologique, nous avons montré que l'état de phase du système (vapeur ou biphasique liquide-vapeur) est déterminant. Il contrôle en grande partie le mode de réactivité et l'évolution cinétique de la réaction. Un modèle géochimique prenant en compte les spécificités de notre système réactionnel pauvre en eau a alors été développé pour simuler la carbonatation de la portlandite et à terme celle d'un ciment complet de type "fond de puits".

The construction of infrastructures such as dams requires for the foundations to lay on stable ground. One way to do so is to grout the rock fractures present in the bedrock using concrete, and this also ensures that lower amounts of groundwater reach the infrastructure itself. However, the continuous flow of groundwater carrying various dissolved chemical compounds, will trigger over time the deterioration of the concrete grout by dissolving the mineral phases resulting from the hydration process. This study aims at determining the variations in porosity and hydraulic conductivity induced by the dissolution of portlandite content present in the grout following the groundwater flow. Eight different cases have been simulated in COMSOL Multiphysics®, based on various combinations of fracture geometry (rough and smooth), hydraulic gradient, and inflowing groundwater composition. Each model has two main components, one for the flow simulation and one for the reactive transport. The modules implemented from COMSOL Multiphysics® are Darcy’s Law, Chemistry, and Transport of Diluted Species in Porous Media. The software PHREEQC has been used to determine the chemical species concentration for both the initial and boundary conditions. The results show that, at the end of a 100-day period, the mineral concentration decreases from 56.27% to 61.27% depending on the simulation considered. This leads to an increase in porosity ranging from 1.94% to 2.23%, while hydraulic conductivity displays a minimum growth of 6.42% and a maximum of 7.43%. The sensitivity analysis results reveal that the most influencing factor on the degradation is the hydraulic gradient, which is followed by the fracture geometry, while the inflowing groundwater composition impact is not as high as the previous ones. / Byggandet av infrastrukturer som dammar kräver att grunden läggs på stabil mark. Ett sätt att uppnå detta är att fylla sprickor i berggrunden med betong, vilket också säkerställer att mindre mängder grundvatten når infrastrukturen. Det kontinuerliga flödet av grundvatten, som bär med sig olika lösta kemikalier, kan dock med tiden leda till att betongen bryts ner genom att mineralfaserna som bildas vid hydratiseringsprocessen löses upp. Denna studie undersöker hur porositeten och den hydrauliska ledningsförmågan förändras när portlandit i betongfogar löses upp av grundvattenflödet. Åtta olika scenarier har simulerats i COMSOL Multiphysics® med olika kombinationer av sprickgeometri (grov och slät), hydraulisk gradient och inkommande grundvattensammansättning. Varje modell består av två huvuddelar: en för flödessimulering och en för reaktiv transport. Modulerna från COMSOL Multiphysics® som används är Darcys lag, kemi och transport av utspädda ämnen i porösa medier. Programvaran PHREEQC har använts för att fastställa koncentrationen av kemiska ämnen för både initiala och gränsvillkor. Resultaten visar att efter 100 dagar minskar mineralkoncentrationen med mellan 56,27% och 61,27%, beroende på simuleringen. Detta leder till en ökning av porositeten med 1,94% till 2,23%, medan den hydrauliska ledningsförmågan ökar med minst 6,42% och högst 7,43%. Känslighetsanalysen visar att den hydrauliska gradienten är den mest påverkande faktorn för nedbrytningen, följd av sprickgeometrin. Sammansättningen av det inkommande grundvattnet har inte lika stor påverkan.

This research advances the current understanding of the carbonation reaction in porous materials by investigating pH changes during the hardening process of lime, the role of pore-water in the dissolution process of calcium hydroxide and the effects of pore size on precipitation of calcium carbonate solid phases. To achieve this, carbonation is studied within a thin film of an aqueous solution of calcium hydroxide, that simulates the conditions existing in porous media once most of the liquid water has evaporated. The research introduces novel approaches such as the use of specially manufactured micro-electrodes used to measure pH variations during the carbonation process. The effect of pore size on the solid phases precipitated by carbonation is investigated using a novel lime based material called nano-lime. Influence of pore-water on the hardening process of lime is studied in formulated lime using impedance spectroscopy: an electrochemical technique which is new in the study of lime based materials. Overall, results demonstrate that the micro-electrodes can operate reliably in very alkaline environments such as those produced by the dissolution of lime. Their potentiometric response, in fact, was found to be Nernstian up to pH 14. Furthermore, the electrode response proved to be sufficiently sensitive and reproducible to differentiate, on the basis of pH, between the formation of calcite and vaterite. It is likely that these micro-electrodes are currently the only analytical tools capable of monitoring high pHs in confined places and, for this reason, they can be considered highly valuable for the study of chemical processes involving very alkaline waters. The study on the role of pore-water in the hardening process of formulated lime has, instead, demonstrated the potential of impedance spectroscopy as a non-destructive technique for real time in situ monitoring of the reaction between lime and hydraulic additives.

La carbonatation atmosphérique est un des facteurs parmi les plus importants de la durabilité du béton armé. Elle repose sur l'action du CO2 de l'atmosphère qui diffuse à travers le béton et se dissout en acide au contact de la solution interstitielle. Cette acidification du milieu induit une dissolution de la portlandite qui constitue la réserve de basicité du béton. La baisse du pH, d'une valeur de l'ordre de 13 à une valeur inférieure à 9, peut conduire à la corrosion des aciers du béton armé qui ne sont passivés et protégés qu'en milieu fortement basique. L'objectif de la thèse est de construire un modèle physico-chimique de carbonatation des matériaux cimentaires permettant de prédire la chute du pH de la solution interstitielle, variable pertinente pour appréhender la corrosion des armatures. Une riche campagne d'analyses thermogravimétriques, de gammadensimétries et de porosimétries par intrusion de mercure, réalisées sur 3 bétons différents et plusieurs pâtes de ciment à base de CEM I, permet de comprendre les mécanismes physico-chimiques, de déterminer les conséquences de la carbonatation sur la microstructure et l'état hydrique des matériaux, de calibrer et enfin de valider le modèle proposé à partir d'essais de carbonatation accélérée.

This diploma thesis deals with the study of high-strength, high-volume fly ash concrete. The theoretical part of this thesis focuses on the detailed characteristic and main principles of high-strength concrete, high-volume fly ash concrete. In addition, according to the findings, the technology of high-strength and high-volume fly ash concrete, including principles of high strength, has been described. On the basis of the findings, high-strength, high-volume fly ash concrete for specific compressive strengths has been designed and created in the experimental section. These concretes were then subjected to a number of tests.

Autoclaved aerated concrete is a used building material, especially for its thermal insulating properties. During autoclaving, an aerated concrete microstructure produces crystalline CSH phases, primarily tobermorite. The ingoing substances are calcium oxide and silica. In addition to commonly used raw materials, secondary raw materials rich in silicon dioxide can be used for production. The use of secondary raw materials gives the opportunity for the construction industry to be more environmentally friendly. Another benefit is the reduction of financial costs. The work explores the influence of individual secondary raw materials on the microstructure. High-temperature fly ash, fluid fly ash, cinder, ground glass and zeolite were used The raw materials were mixed with unalloyed lime at a molar ratio of calcium oxide to silicon dioxide of 0.73 and 1.0. Autoclaving capsules were used to synthesize tobermorite under laboratory conditions. Autoclave was performed at 170 °C and 190 °C with hydrothermal durations of 4, 8 and 16 hours. The most important influence on the microstructure was high-temperature fly ash, on the contrary, the greatest influence on the mechanical properties is attributed to the ground glass.