De nombreuses transformations de solides en solution, polymorphiques ou non, en industrie minérale ou pharmaceutique, se déroulent par la dissolution d'un premier solide en vue de la cristallisation du second. Au lieu de la voie traditionnelle de séchage, la transformation du gypse (sulfate de calcium dihydrate) en alpha-bassanite (sulfate de calcium hémihydrate) peut s’effectuer en solution aqueuse : en augmentant suffisamment la température, le gypse devient plus soluble dans l'eau que l’hémihydrate, qui a alors la possibilité de cristalliser. Un appareillage et un mode opératoire originaux ont été conçus pour investiguer la sensibilité de la cinétique de la transformation et des caractéristiques des cristaux d’hémihydrate obtenus à ces conditions opératoires. En effet, cette voie de dissolution-recristallisation permet le contrôle du facteur d'aspect des cristaux d’hémihydrate, voire celui de leur taille moyenne et de leur dispersion de taille, par le choix de ses conditions physico-chimiques : température, pH, utilisation d’additifs, et ensemencement de la solution avec des particules d’hémihydrate appropriées. Les techniques d'analyse images sont développées afin d'identifier le rapport d'aspect des particules. Un modèle cinétique prenant en compte la dissolution du gypse, la nucléation et la croissance du sulfate de calcium hémihydrate, les équilibres en phase aqueuse et de solubilité, a été élaboré, et ses équations résolues avec le logiciel MATLAB. Couplée à une méthode numérique d'optimisation, cette résolution sous MATLAB permet d'examiner la validité des hypothèses sur les processus retenus et d'identifier leurs paramètres cinétiques. / In mineral or pharmaceutical industry, many transformations of solids in solution (polymorphic or not), take place by the dissolution of the first solid and the crystallization of the second solid. Instead of the traditional drying process, the conversion of gypsum (calcium sulfate dihydrate) to alpha-bassanite (calcium sulphate hemihydrate) can be carried out in aqueous solution by increasing the temperature sufficiently. At this moment, the gypsum becomes more soluble in water than the hemihydrate, which then has the possibility to crystallize. An apparatus and an original procedure have been designed to investigate the sensitivity of the kinetics of transformation and the characteristics of the hemihydrate crystals obtained under its operating conditions. In fact, this dissolution-recrystallization route allows to control the aspect ratio of the hemihydrate crystals, and even their average size and size dispersion, by the choice of its physicochemical conditions such as temperature, pH, use of additives, and seeding the solution with the appropriate hemihydrate particles. Image analysis techniques are developed to identify the aspect ratio of the particles.A kinetic model taking into account the dissolution of gypsum, the nucleation and the growth of calcium sulphate hemihydrate and their equilibrium in aqueous phase and solubility had been developed and the equations of this model are solved with the help of MATLAB software. Coupled with a numerical optimization method, this resolution under MATLAB makes it possible to examine the validity of the assumptions on the selected processes and to identify their kinetic parameters.

Cette thèse s'inscrit dans un projet de recherche de solutions de bétons à impacts environnementaux réduits. Nous focalisons la présente étude sur le clinker sulfoalumineux en mélange avec du gypse. Son bilan environnemental est plus favorable que celui des clinkers Portland (plus faibles émissions de CO2 et consommation d'énergie, lors de la production). Nous présentons dans ce manuscrit une étude expérimentale du comportement physico-chimique des liants obtenus par mélange de clinker sulfoalumineux et de gypse, et décrivons les propriétés constructives de ces derniers. L'hydratation du clinker sulfoalumineux étant responsable de la formation d'ettringite, nous vérifions la stabilité en milieu humide de telles compositions. Dans un premier temps, nous avons identifié les proportions de gypse pour lesquelles le liant est stable en présence d'eau, i.e. sans apparition de fissures à l'échelle macroscopique. Ce domaine de stabilité est influencé favorablement par la maturité du matériau au moment du contact avec l'eau. Nous avons par ailleurs utilisé des plans d'expériences factoriels afin d'étudier l'influence de la teneur en alcalins ainsi que celle de la température : les résultats révèlent un bon comportement du matériau peu sensible à ces facteurs, dans un large domaine d'emploi. La caractérisation physique de mortiers et de bétons est complétée par une étude de l'hydratation de ces liants : le suivi du processus d'hydratation a montré que la fissuration des éprouvettes instables n'a pas pour origine la formation supplémentaire d'hydrates. Pour finir, nous présentons une étude de la rhéologie et de la résistance en compression ainsi qu'une évaluation du risque de corrosion qui permettent d'identifier des domaines d'emploi pour ce liant.

Le plâtre pris est couramment utilisé en construction, sous forme d'enduits ou d'éléments préfabriqués. Ses bonnes propriétés d'isolation thermique et acoustique, ainsi qu'une grande légèreté, le rendent particulièrement adapté à un emploi en intérieur. Peu d'études sont actuellement publiées sur le comportement mécanique du plâtre pris, seule la forte sensibilité de sa tenue mécanique avec la porosité est bien établie. Ce travail a pour objectif d'étudier les propriétés mécaniques du plâtre pris et de les relier à ses caractéristiques microstructurales. Le plâtre pris présente une microstructure complexe, formée d'un enchevêtrement de cristaux de gypse. La description de la microstructure est effectuée par un modèle numérique de placement de barres dans un volume. Le calcul des propriétés élastiques par la méthode des éléments finis sur ces modèles est en très bon accord avec les résultats expérimentaux. La loi de comportement du plâtre pris sec est linéaire élastique, mais l'étude de la propagation de fissures met en évidence des mécanismes de dissipation d'énergie dans le matériau. Un modèle de propagation est développé, basé sur l'interaction de la fissure avec les différents éléments de la microstructure, permettant d'interpréter le comportement expérimental. L'influence de l'eau sur le plâtre pris est considérée dans la dernière partie. L'eau entraîne une diminution des propriétés mécaniques, pouvant s'expliquer par un affaiblissement de la qualité de la liaison entre cristaux. Des essais originaux de frottement intérieur permettent de caractériser l'apparition de glissements entre cristaux de gypse, à l'origine de la non-linéarité du comportement mécanique. La sensibilité de la déformation du matériau à la vitesse de sollicitation est établie et interprétée par un modèle de comportement des contacts.

Cette étude aborde la formation de gypse résultant de la neutralisation d’une solution d’acide sulfurique par ajout d’une suspension de calcite dans un réacteur semi-ouvert. La phénoménologie et l’impact des paramètres opératoires sont documentés par des prélèvements de solution et de solides analysés hors ligne, qui permettent d’évaluer les écarts à l’équilibre générés à divers stades du mélange et les caractéristiques géométriques du gypse précipité. La solubilité du gypse est évaluée en fonction de la température et de la concentration en sulfate via un modèle de spéciation. Selon les conditions opératoires utilisées, le gypse peut se former à la surface de la calcite par conversion partielle ou en solution par précipitation. La modélisation du procédé est conduite en deux étapes. La conversion est simulée à partir d’un modèle de grain à cœur rétrécissant, adapté pour représenter la dissolution de la calcite et la croissance d’une couche poreuse de gypse. La précipitation en solution est simulée par un bilan de population et résolu par une méthode des caractéristiques. Les paramètres des lois de germination et de croissance sont évalués par un algorithme d’optimisation. Le modèle de conversion rend compte de la sensibilité du processus à l’acidité de la solution et à la taille des particules de calcite. Le modèle de précipitation fournit des profils de sursaturation et de distribution granulométriques simulés cohérents avec les profils expérimentaux. Le contrôle du procédé repose surtout sur l’ajustement de la concentration en acide, qui détermine la vitesse de dissolution de la calcite et la proportion de gypse formé par remplacement. / The present study deals with the formation of gypsum resulting from the neutralization of sulfuric acid solution by addition of a calcite suspension in a half batch reactor. Phenomenology and impact of operating parameters are observed by sampling of solid and solution and analyzed off online. Samples are used to assess deviations from equilibrium generated at various stages of mixing and the geometric characteristics of the gypsum precipitate. The solubility of gypsum is evaluated as a function of temperature and sulphate concentration via a speciation model.Depending on operating conditions used, gypsum is formed mostly on the calcite surface by partial conversion or in solution by precipitation. Process modelling is two-staged. Conversion is simulated on the basis of a model of grain with shrinking core, suited to represent calcite dissolution together with the growth of a gypsum porous layer. The precipitation in solution is simulated through population balance and solved by a method of characteristics. Parameters of nucleation and growth kinetic laws are evaluated by an optimization algorithm. The conversion model reflects the process sensitivity to solution’s acidity and calcite particle size. The precipitation model provides supersaturation profiles and PSD consistent with experiments. The possibilities for process control lay mainly on adjusting the acid concentration, which largely determines the rate of calcite dissolution and the proportion of gypsum formed by replacement.

Dans cette recherche est étudié le comportement mécanique des ouvrages en plaques de plâtre sur ossature métallique. Cette étude est basée sur une analyse par la méthode des éléments finis, et a nécessité le développement de deux modules spécifiques intégrés au code de calcul "MARC". L'alimentation du modèle en paramètres a nécessité une étude expérimentale importante. Les constituants de plaque de plâtre (cartons et plâtre) présentent des caractéristiques différentes entre leur état vierge et après passage par le processus de fabrication. Une stratégie d'identification globale pour la plaque composite a été adoptée, elle consiste à la considérer comme un matériau homogène équivalent et par conséquent le développement d'un modèle spécifique de plasticité généralisée "GENSTR" pour traiter la non linéarité matérielle. La prise en compte des problèmes de conditions aux limites variables introduites d'une part par les assemblages vissés, et d'autre part par les phénomènes de contact et frottement aux interfaces "plaques-montants", a été effectuée en les modélisant par des ressorts qui intègrent les relations spécifiques ainsi que des conditions de pénalisation. Ceci a nécessité le développement d'un deuxième module nommé "USPRING". L'ensemble de ces approches constitue un modèle adéquat pour simuler le comportement mécanique des cloisons en plaques de plâtre. Une validation du modèle a été effectuée en confrontant les résultats du calcul aux résultats expérimentaux, cette confrontation a donné une concordance assez satisfaisante. Ce travail servira de base à la proposition de méthodes de dimensionnement simplifiées pour ce type d'ouvrages et autres ouvrages similaires (contre-murs, plafonds suspendus...) en plaques de plâtre.

Nous présentons une étude détaillée, non-perturbante, de la prise du plâtre par Relaxation Magnétique Nucléaire (RMN) du proton, à bas champ magnétique. Cette technique permet de quantifier en continu le degré d'hydratation et de déduire de manière non-destructive les paramètres microstructuraux d'une pâte de plâtre en cours de durcissement. La décroissance bi-exponentielle des signaux de relaxation de l'eau dans le plâtre prouve l'existence de deux populations d'eau différentes, en échange lent. A partir des mesures de relaxométrie RMN, deux modes d'organisation de la microstructure sont identifiés en fonction du rapport de gâchage initial eau/plâtre (e/p), pour 0.4 <= e/p <= 0.6 et 0.7 <= e/p <= 1. Un modèle original d'échange entre les populations d'eau dans un milieu poreux a été établi. Une nouvelle approche multi-échelles et multi-techniques de la prise et du durcissement des pâtes de plâtre est proposée, permettant de relier les mesures locales obtenues par RMN aux propriétés mécaniques du matériau (mesurées par ultrasons). La démarche expérimentale et la modélisation présentées dans cette étude peuvent être appliquées à une large gamme de matériaux poreux en évolution.

L’importante augmentation de fluage des plaques de plâtre en milieu humide est un vieux problème dans l’industrie du bâtiment, dont l’origine n’est pas encore établie. Afin d’en comprendre le mécanisme une étude à trois échelles (macro : réponse mécanique, micro : cinétique de dissolution et nano : observation atomique) a été réalisée. Une corrélation forte existe entre le fluage du plâtre en immersion et la cinétique de dissolution du gypse. La concordance de cette corrélation avec une loi de déformation par dissolution sous contrainte, très utilisés en géologie, permet de proposer la dissolution sous contrainte comme un des mécanismes responsables du fluage du plâtre en immersion. L’évolution de la topographie de la surface du cristal de gypse immergé dans une solution aqueuse de gypse est observée par microscopie à force atomique (AFM). La cinétique de migration des marches atomiques est très dépendante de la sous-saturation de la solution, de la force d’appui de la pointe de l’AFM ainsi que des additifs utilisés. L’étude de l’influence de la force d’appui sur les vitesses des marches met en évidence la présence de deux mécanismes complètement différents. A fortes forces (> 15 nN) on observe un mécanisme d’usure de la surface, tandis qu’à faibles forces (< 10 nN) le mécanisme observé semble être la dissolution sous contrainte. L’évolution des vitesses des marches atomiques avec la force appliquée par la pointe est concordante avec une loi connue de dissolution sous contrainte. / The huge enhancement of the creep of plasterboard by humid environments is an old problem in the building industry, but its origin remains unknown. To understand this mechanism a three scales study (macro : mechanical behavior, micro : dissolution kinetics, nano : atomic observation) has been done. There is a strong correlation between wet plaster creep and gypsum dissolution kinetics. The concordance between this correlation and the law of deformation by pressure solution, well-known in geology, permits to propose pressure solution as one of the mechanisms responsible of wet plaster creep. The topological evolution of the cleaved surface of a gypsum single crystal during its dissolution in a flowing under-saturated aqueous solution has been observed with an atomic force microscope. The kinetics of step migration strongly depends on the saturation state of the solution, the force applied by the tip on the surface, as well as the used additives. The study of the influence of the force applied by the tip on the step velocity evidence two different dissolution enhancement regimes. At high forces (> 15 nN) a corrosive wear behavior is observed, while at low forces (< 10 nN) pressure solution is the observed mechanism. The step velocity evolution with the force obeys the known kinetic law of pressure solution.

Les sulfates de calcium sont des matériaux économiques et écologiques. Pourtant leur utilisation dans le domaine de la construction est assez limitée du fait de leur sensibilité à l’eau. La capacité des ciments alumineux (CAC) à diminuer la sensibilité à l’eau des sulfates de calcium ainsi que les mécanismes d’insensibilisation ont été étudiés. L’insensibilisation à l’eau des sulfates de calcium a été réalisée par ajout de faibles quantités de ciment alumineux (≤ 30%). Quatre sulfates de calcium de nature différente : gypse, hémi-hydrate α et β, anhydrite synthétique ont été étudiés. L’étude des mécanismes d’insensibilisation à l’eau des sulfates de calcium par ajout du ciment Fondu, menée à différentes analyses de la microstructure : IR, DRX, ATD-TG, MEB, a mis en évidence deux approches : la formation de l’ettringite insoluble et la formation du gel d’AH3 qui colle les grains de sulfate de calcium soluble. La nature des phases cristallochimiques du ciment alumineux a des influences sur les caractéristiques mécaniques, la sensibilité à l’eau ainsi que la durabilité des mélanges [sulfate de calcium / CAC]. L’étude des mélanges [anhydrite synthétique / laitier / CAC] offrent des perspectives intéressantes notamment concernant le développement des liants à faible empreinte CO2. / Calcium sulphate materials are economical and ecological. But their use in the construction is quite limited because of their sensibility to water. The capacity of aluminate cement (CAC) to decrease the water sensibility of calcium sulphate and the mechanisms of insensibilisation were investigated. Waterproofing of gypsum base materials was carried out by addition of small amounts of aluminate cement (≤ 30%). Different nature of calcium sulphates : gypsum, hemihydrate α and β, synthetic anhydrite was studied. The study of mechanisms of insensibilisation to water of calcium sulphate by adding cement Fondu, with different analysis of microstructure : IR, DRX, ATD-TG, MEB, revealed two approaches : formation of ettringite insoluble and formation of gel AH3 that stick soluble grains of calcium sulphate. The nature of phases of aluminate cement has influences on the mechanical properties, sensibility to water and durability of mixtures [calcium sulphate / CAC]. The studies of mixtures [synthetic anhydrite / slag / CAC] offer interesting perspectives for the development of binders with low imprint CO2.

Les propriétés mécaniques des ciments hydratés nécessitent d'être optimisées suivant la nature des ciments produits. Parmi les facteurs d'optimisation, l'ajout de sulfate de calcium destiné à réguler la réactivité de l’aluminate tricalcique (C3A), en quantité et en qualité, dans le ciment est un paramètre primordial. Enjeu industriel majeur, cette notion d'Optimum de sulfatage mérite aujourd'hui du fait de l'avancement des connaissances sur les mécanismes d'hydratation de chacune des phases du ciment qu'une étude lui soit entièrement consacrée. La démarche adoptée pour répondre à cette problématique a été l’étude de système simple que l’on a compliqué petit à petit. L’évolution de l’hydratation du ciment, de la porosité et des propriétés mécaniques du ciment ont été déterminés à différentes échéances. Le premier système étudié était le mélange C3S/gypse, l'objectif était de déterminer s'il existait un effet optimal du sulfate de calcium sur l'hydratation et les résistances mécaniques du C3S tel que présenté dans la littérature [1]. Les résultats ont montré qu’il n’existait pas d’optimum de sulfatage dans le système C3S/gypse mais qu’il existait un effet spécifique du sulfate de calcium sur l’hydratation et les propriétés mécaniques du C3S. L’adsorption des sulfates à la surface des C-S-H serait à l’origine de la modification du processus de germination croissance des C-S-H qui aurait pour conséquence l’augmentation du degré d’hydratation du C3S et des résistances en compression. Le deuxième système étudié était le clinker biphasique C3S/C3A cobroyé avec du semi-hydrate et avec du gypse. Un optimum de sulfatage a bien été observé, cet optimum se décale avec le temps vers les fortes teneurs en sulfate comme dans les cimenteries. L’optimum de sulfatage a été constaté lorsque l’hydratation du C3S, pendant la période accélérée, a lieu simultanément ou légèrement avant le pic exothermique dû à la forte dissolution du C3A et à la précipitation d’Afm. Il a été montré que la présence d’AFm pendant la période accélérée de l’hydratation du C3S, serait à l’origine de la modification observée de la microstructure de la pâte de ciment : la porosité augmente avec l’ajout du sulfate de calcium mais l’assemblage des hydrates est plus dense / The mechanical properties of hydrated cements need to be optimized according to the nature of cement products. Among the factors of optimization, the addition of calcium sulphate intended to regulate the reactivity of tricalcium aluminate (C3A), in quantity and quality in cement is an essential parameter.The advancement of knowledge on the mechanisms of hydration of each cement phase allows a study devoted entirely to the concept of optimum of sulphate. We studied simple system that we complicated and we studied the evolution of hydration, porosity and mechanical properties of cement at different age. The first system studied was the mixture C3S/gypsum, the objective was to determine whether there was an optimal effect of calcium sulfate on hydration and mechanical strength of C3S as presented in the literature [1]. The results showed there was not optimum sulfate in the C3S/gypsum system but there was a specific effect of calcium sulfate on the hydration and the mechanical properties of C3S. The sulfate adsorption on the C-S-H surface is the cause of the change nucleation and growth process of C-S-H. This has resulted in increasing hydration degree of C3S and compressive strength. The second system studied was biphasic clinker C3S/C3A ground with hemi-hydrate and gypsum. An optimum sulfate has been observed, which move out with time to high rate of sulfate. The optimum sulfate was observed when the hydration of C3S, during the accelerated period, takes place simultaneously or slightly before the exothermic peak due to the high dissolution of C3A and precipitation of AFm. We showed the presence of AFm during the accelerated hydration of C3S, is the cause of the microstructure modification in the cement paste: the porosity increases with calcium sulfate addition but the hydrate assembly is more dense.

Le document de synthèse rédigé à l'occasion de la soutenance de mon Habilitation à Diriger des Recherches présente les travaux réalisés depuis la soutenance de ma thèse. Il est divisé en six parties. La première partie est un Curriculum Vitae qui détaille mon parcours professionnel, résume mes activités d'enseignement et d'encadrement, présente mes responsabilités administratives, explique les sources de financement de mes travaux et fait la liste de mes publications et présentations à des congrès. La deuxième partie présente de façon générale mon parcours scientifique et introduit chacune des thématiques abordées par la suite. La troisième partie présente le travail réalisé pendant mon post-doctorat à l'Université Bordeaux 1, cofinancé par le CNRS et Elf-exploration-production. Afin d'optimiser l'exploitation des champs pétrolifères, les entreprises du secteur réalisent des simulations numériques de la répartition des hydrocarbures dans les gisements. Celles-ci intègrent de nombreux phénomènes de diffusion, convection, absorption, changements de phases, ... mais connaissent encore des échecs. Elf souhaitait améliorer ses modèles en y intégrant un paramètre oublié jusqu'à maintenant, l'effet Soret (c'est-á-dire la démixtion partielle d'un mélange sous l'influence d'un gradient de température). Nous avons donc réalisé des simulations de dynamique moléculaire afin d'estimer le coefficient de Soret de mélanges d'alcanes, représentatifs des fluides de gisement, en milieu poreux, les liquides pétroliers se trouvant généralement stockés dans du sable ou des roches poreuses. Ces simulations nous ont permis de proposer une méthode permettant d'évaluer le coefficient de Soret d'un mélange binaire à partir de la connaissance de quelques caractéristiques du mélange et du milieu poreux. La quatrième partie présente le travail réalisé à mon arrivée à l'Université Claude Bernard Lyon 1. Il cherchait à vérifier la faisabilité sur terre d'études de transition de phase, précisément de la séparation de phase liquide-liquide par germination-croissance lors de la plongée dans une lacune de miscibilité. Le comportement des gouttelettes en cours de croissance, quand elles atteignent une taille critique, est influencé sur terre par la gravité. Aussi nous avons développé une méthode originale d'étude optique de la croissance utilisant, au lieu de la subir, la sédimentation des gouttelettes. Celle-ci nous a permis de connaître le moment d'apparition et l'exposant de croissance d'un régime intermédiaire entre la croissance par diffusion libre des germes et le mûrissement d'Ostwald. La cinquième partie concerne la dynamique des verres mous. Nous avons monté une expérience originale de recouvrement de fluorescence, qui nous a permis de répondre à deux questions relatives à ces milieux, précisément aux suspensions colloïdales. Nous avons d'abord étudié la diffusion de traceur dans ces milieux hétérogènes et montré quantitativement comment elle s'apparente à la diffusion confinée. Nous avons ensuite mesuré la température effective (qui est une mesure de l'état hors-équilibre du matériau) dans ces gels colloïdaux en cours de prise, et montré que l'observable vitesse ne permettait pas de mesurer la température caractéristique des relaxations lentes de ce matériau. La dernière partie, comme la troisième, répond à une problématique industrielle. Elle tâche de répondre à la question : pourquoi le plâtre flue plus en milieu humide qu'à sec ? Alors qu'elle concerne un des premiers matériaux de construction utilisés par l'homme, cette question simple est encore sans réponse. En collaboration avec la société Lafarge, nous avons réalisé des expériences de microscopie à force atomique, des expériences d'interférométrie holographique, et des essais mécaniques, afin de sonder toutes les échelles pertinentes du phénomène. La confrontation de ces mesures nous a permis, entre autre, de mettre pour le première fois en évidence la façon dont le fluage en milieu humide était lié à la dissolution locale du gypse, constituant principal du matériau.