Deux systèmes catalytiques hétérogènes, l‘un à base de trisphénate de néodyme (Nd(O(C6H3tBu2)3 associé au MAO supporté sur kaolin, et l‘autre constitué d‘un « metal-organic framework » (MOF) à base de néodyme activé par des aluminoxanes (MAO et MMAO), ont été évalués pour la polymérisation par coordination contrôlée de l‘isoprène, de type « polymérisation in situ », dans le but de préparer des élastomères composites. Le trisphénate de néodyme, étudié de façon préliminaire comme pré-catalyseur dans des conditions conventionnelles, conduit à des catalyseurs « single-site » en association avec des co-catalyseurs aluminoxanes, alors que la formation de polymères hautement 1,4-cis stéréoréguliers est obtenue par activation avec AlEt2Cl. En conditions de polymérisation hétérogène, chacun des systèmes catalytiques préparés se révèlent actifs, et produisent des polyisoprènes hautement 1,4-cis. La stéréosélectivité est clairement reliée à la porosité du pré-catalyseur dans le cas des MOF. Les matériaux polymériques montrent la présence de résidus cristallins de type MOF ou kaolin, ce qui a permis de les classer comme matériaux microcomposites. La présence de ces résidus inorganiques, dispersés dans les matrices polymériques, induisent notamment une modification des températures de transition vitreuse. Ces microcomposites sont les premiers exemples de polyisoprènes composites obtenus par des MOFs à base de néodyme, et par polymérisation in situ par des argiles supportées en association avec des post-métallocènes de néodyme. / Two types of heterogeneous catalytic systems, based on the neodymium trisphenoxide (Nd(O(C6H3tBu2)3, associated to a MAO supported kaolin, and on a neodymium metal-organic framework based (MOF), activated by aluminoxanes, were studied by controlled coordination polymerisation of isoprene, with the aim of preparing composite elastomers. The neodymium trisphenoxide, studied in a preliminary way as pre catalyst in conventional conditions, affords single site catalysts in association with aluminoxanes co catalysts. Polymers highly 1,4-cis regular are obtained with additional activation with AlEt2Cl. In heterogeneous polymerisation conditions, each of the catalytic systems were found active, and giving rise to highly 1,4-cis regular polyisoprenes. The stereoselectivity is clearly related to the pre catalyst porosity (in the MOF case). The polymeric materials showed the presence of crystalline residues of MOF type or kaolin, which allowed to classify them as microcomposites. The presence of inorganic residues, dispersed into the polymeric matrix, induces a modification of glass transition temperature. These microcomposites are the first example of polyisoprene based composites obtained with neodymium MOFs, and by in situ polymerisation by supported clays in association with neodymium post-metallocenes

Ce travail de recherche s’inscrit dans une volonté de développer des suspensions concentrées à application Génie Civil (chapes anhydrites, bétons cirés). Dans ce contexte industriel, l’étude est focalisée sur l’effet de l’introduction d’adjuvants de type polycarboxylate (PCP) sur les propriétés d’écoulement de suspensions formulées avec une anhydrite fortement réactive. Les travaux expérimentaux sont initiés par le développement de protocoles de caractérisation rhéologique étalonné sur un fluide modèle à seuil. Ceci permet d’évaluer l’effet de la taille de l’entrefer, de la rugosité des plateaux, du précisaillement ainsi que du type et de la durée de sollicitation. Nous avons alors défini un protocole unique, exploitable pour identifier la courbe d’écoulement des suspensions concentrées étudiées.. Les propriétés viscoélastiques des suspensions, évaluées aux faibles déformations, sont également caractérisées sous sollicitations oscillantes. Afin d’affiner la connaissance des structures moléculaires des différents adjuvants sélectionnés pour cette étude, des caractérisations physico-chimiques sont réalisées. Elles permettent de distinguer plusieurs paramètres caractéristiques des adjuvants : masse molaire, indice de polymolécularité et sensibilité à la température en fonction d’un milieu alcalin ou neutre. Des mesures d’adsorptions ont également été réalisées sur deux adjuvants. Nous montrons ainsi que le phénomène d’adsorption semble conditionné par les propriétés du milieu, notamment par la présence de chaux. L’étude rhéologique paramétrique montre que des modifications sensibles de la réponse peuvent apparaître en fonction de l’adjuvant utilisé et de la concentration de la suspension. Les évolutions des indicateurs de consistance et de contrainte seuil de mise en écoulement en fonction de la fraction volumique solide et du dosage en adjuvant sont identifiées. Les résultats sont interprétés en ajustant un modèle de type Krieger-Dougherty. L’évolution du paramètre puissance de ce modèle peut être interprétée comme une modification de la forme et de la rugosité du grain couvert par des molécules de PCP adsorbées. Les paramètres moléculaires conditionnant le plus la rhéologie des suspensions concentrées étudiées sont la masse molaire et l’indice de polymolécularité. L’interprétation des résultats est moins tranchée vis-à-vis du seuil de mise en écoulement que vis-à-vis de la consistance. Dès lors, nous avons mis en évidence la relation seuil-consistance. Sur le plan pratique, se restreindre à l’estimation du seuil de mise en écoulement des suspensions devient pertinent. À cette fin, un modèle analytique permettant d’estimer la contrainte seuil de mise en écoulement à partir d’un test d’écoulement libre sur une surface plane est proposé. L’objectif est d’apporter une amélioration aux modèles existants lorsque l’écoulement est à la frontière entre régime d’affaissement et régime d’étalement. L’analyse, qui peut être généralisée à l’étude de tous types de fluides complexes à seuil, conduit à une meilleure évaluation de la contrainte seuil. En croisant l’information de tests d’étalement et de vidange au cône de Marsh, nous montrons ainsi qu’une rhéométrie rustique est tout à fait pertinente pour un usage industriel. La notion d’enrobage de grain est proposée pour modéliser, à l’échelle microscopique, le rôle de l’adjuvant sur l’interaction entre particules. L’ordre de grandeur de la distance interparticulaire estalors estimé entre 1 et 5 nm en exploitant des données de rhéométrie oscillante. Cette approche phénoménologique permet de mettre en évidence l’effet de la fraction volumique solide sur la distance interparticulaire. Finalement, l’étude de la rhéologie des suspensions concentrées est étendue à la transition liquide solide liée aux réactions d’hydratation. Le suivi de l’effort normal exercé sur une géométrie en contact avec la suspension peut s’interpréter comme un indicateur alternatif de prise. / This work has been initiated to improve the development of mineral suspension used for building construction. In this industrial field, the rheological evolution needs to be controlled from the mixing to the setting up. The study is herein focused on the influence of polycarboxylates superplasticizers as additives on the rheological properties of suspensions made with a reactive anhydrite. Firstly, we develop some protocols of rheological characterization which have been calibrated using a model yield stress fluid. Then, we evaluated the effect of several experimental parameters: the sample gap, the roughness of the plates, pre-shearing as well as the testing time. We finally used a unique protocol to identify the flow curves of the mineral suspensions. In addition, dynamic rheometry was used to study the viscoelastic properties of the suspensions at low strain with two rheometers equipped with different geometries. We assessed the physico-chemical characterization of thevarious additives selected for this study In order to provide the knowledge on their molecular shape. We distinguished several parameters such as: molecular weight and the thermorheologicalbehavior in alkaline or neutral conditions. Moreover, we performed adsorption measurements on tow additives. We showed that the adsorption phenomenon is mainly governed by a weak amount of calcium hydroxide within the suspensions. We observed significant differences on the rheological responses according to the solid volume fraction and the superplasticizers used into the mineral suspension. We identified the evolution of the consistency and the yield stress, derivedwith the Herschel-Bulkley model, against the solid volume fraction and the quantity of the additive. Then, we adjust a Krieger-Dougherty type model on the results. It was shown that the power parameter of this model may be linked to the roughness of the particles covered by the adsorbed layer of superplasticizers. The parameters affecting the rheology were the molecular weight and the polymolecularity index of the polycarboxylates. Nevertheless, these results are more obvious with the evolution of the consistency than the yield stress. As the relation between consistency and yield stress was highlighted, it could be possible to only measure the yield stress of the suspensions. This is here performed from the release of finite volume of material onto a horizontal surface. We experimentally observed that following its yield stress, the material may show a typical shape at the flow stoppage, between slump and spread. Based on these observations, we propose a new analytical model to evaluate the yield stress of the suspensions. Results showed the relevance of the proposed model, in comparison to previous models. The model developed here may be used for different sample sizes and for a wide range of yield stress fluids. The relationship between viscosity and yield stress of the mineral suspensions is discussed by evaluating the viscosity from Marsh cone tests. We finally showed that a hand-made rheometry is relevant for an industrial application. In order to improve the understanding of the adsorbed layer around the particles, a phenomenological approach at a microscopic scale is proposed. From oscillatory measurements, the interparticle distance within the suspensions is evaluated and ranges from 1 to 5 nm. This henomenological approach allowed us to highlight the influence or the solid volume fraction on the interparticle distance. Finally, we investigated from rheological measurements the liquid-solid transition of the suspensions caused by the hydratation reactions. Static and dynamic measurements were also performed to follow the structural evolution at rest of the suspensions versus time. A characteristic evolution of the normal force during the setting time of the suspensions is shown.

Ce travail de recherche s'inscrit dans une volonté de développer des suspensions concentrées à application Génie Civil (chapes anhydrites, bétons cirés). Dans ce contexte industriel, l'étude est focalisée sur l'effet de l'introduction d'adjuvants de type polycarboxylate (PCP) sur les propriétés d'écoulement de suspensions formulées avec une anhydrite fortement réactive. Les travaux expérimentaux sont initiés par le développement de protocoles de caractérisation rhéologique étalonné sur un fluide modèle à seuil. Ceci permet d'évaluer l'effet de la taille de l'entrefer, de la rugosité des plateaux, du précisaillement ainsi que du type et de la durée de sollicitation. Nous avons alors défini un protocole unique, exploitable pour identifier la courbe d'écoulement des suspensions concentrées étudiées.. Les propriétés viscoélastiques des suspensions, évaluées aux faibles déformations, sont également caractérisées sous sollicitations oscillantes. Afin d'affiner la connaissance des structures moléculaires des différents adjuvants sélectionnés pour cette étude, des caractérisations physico-chimiques sont réalisées. Elles permettent de distinguer plusieurs paramètres caractéristiques des adjuvants : masse molaire, indice de polymolécularité et sensibilité à la température en fonction d'un milieu alcalin ou neutre. Des mesures d'adsorptions ont également été réalisées sur deux adjuvants. Nous montrons ainsi que le phénomène d'adsorption semble conditionné par les propriétés du milieu, notamment par la présence de chaux. L'étude rhéologique paramétrique montre que des modifications sensibles de la réponse peuvent apparaître en fonction de l'adjuvant utilisé et de la concentration de la suspension. Les évolutions des indicateurs de consistance et de contrainte seuil de mise en écoulement en fonction de la fraction volumique solide et du dosage en adjuvant sont identifiées. Les résultats sont interprétés en ajustant un modèle de type Krieger-Dougherty. L'évolution du paramètre puissance de ce modèle peut être interprétée comme une modification de la forme et de la rugosité du grain couvert par des molécules de PCP adsorbées. Les paramètres moléculaires conditionnant le plus la rhéologie des suspensions concentrées étudiées sont la masse molaire et l'indice de polymolécularité. L'interprétation des résultats est moins tranchée vis-à-vis du seuil de mise en écoulement que vis-à-vis de la consistance. Dès lors, nous avons mis en évidence la relation seuil-consistance. Sur le plan pratique, se restreindre à l'estimation du seuil de mise en écoulement des suspensions devient pertinent. À cette fin, un modèle analytique permettant d'estimer la contrainte seuil de mise en écoulement à partir d'un test d'écoulement libre sur une surface plane est proposé. L'objectif est d'apporter une amélioration aux modèles existants lorsque l'écoulement est à la frontière entre régime d'affaissement et régime d'étalement. L'analyse, qui peut être généralisée à l'étude de tous types de fluides complexes à seuil, conduit à une meilleure évaluation de la contrainte seuil. En croisant l'information de tests d'étalement et de vidange au cône de Marsh, nous montrons ainsi qu'une rhéométrie rustique est tout à fait pertinente pour un usage industriel. La notion d'enrobage de grain est proposée pour modéliser, à l'échelle microscopique, le rôle de l'adjuvant sur l'interaction entre particules. L'ordre de grandeur de la distance interparticulaire estalors estimé entre 1 et 5 nm en exploitant des données de rhéométrie oscillante. Cette approche phénoménologique permet de mettre en évidence l'effet de la fraction volumique solide sur la distance interparticulaire. Finalement, l'étude de la rhéologie des suspensions concentrées est étendue à la transition liquide solide liée aux réactions d'hydratation. Le suivi de l'effort normal exercé sur une géométrie en contact avec la suspension peut s'interpréter comme un indicateur alternatif de prise.

Le volume de pâte, comme le contenu en ciment, a été un paramètre peu étudié en termes de performance du béton. En réalité, la plupart des recherches se sont concentrées sur la qualité de la pâte et non sa quantité. il existe cependant un intérêt permanent dans la diminution du volume de pâte dans le béton, du fait de motivations environnementales et économiques. Certaines des normes actuellement en vigueur définissent des teneurs minimales en pâte ou en ciment, pour des rapports E/C donnés, mais les dernières avancées en matière d'adjuvants et de meilleures modélisations de l'empilement des granulats permettent aujourd'hui de réduire la teneur en ciment (volume de pâte) sous les dites limites. La collecte et l'interprétation de données bibliographiques a permis d'identifier les effets du volume de pâte sur certaines des principales caractéristiques du béton. La présente recherche a mis en évidence expérimentalement certaines des tendances identifiées lors de l'analyse préliminaire de données et a permis d'en comprendre certaines autres, jusqu'alors peu claires. C'est ainsi qu'on a montré qu'une diminution du volume de pâte, à qualité constante, augmente la résistance à la compression, à l'abrasion, le module élastique, et diminue la maniabilité, le ressuage, le retrait, la porosité, l'absorption capillaire et la pénétration des ions chlorures. Dans les domaines étudiés, le volume de pâte n'a pas montré d'effet sur la prise, la résistance à la flexion et l'avancement du front de carbonatation. L'utilisation d'adjuvants de dernière génération (polycarboxylate), ainsi qu'une optimisation granulométrique progressive, en utilisant le modèle MEC, a permis d'obtenir des bétons avec des volumes de pâte et des teneurs en ciment inférieurs aux limites imposées par les normes, avec de meilleurs maniabilité, comportement mécanique et durabilité que les bétons usuels.

In the past three decades, a new group of concrete admixtures, termed &ldquo / superplasticizers&rdquo / , were introduced to the concrete industry. They have gained wide acceptance because of their many advantages. The addition of superplasticizers to concrete improves the workability and strength of concrete. In this study, the effect of the chemical structure of poly (4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) sodium salt (SSAMA), which contains both sulfonic and carboxylic acid groups, which is a new superplasticizer, was analyzed. Two different molecular weights of PEG (polyethylene glycol monomethyl ether) were grafted to this water-soluble copolymer at different weight compositions. The structures of synthesized copolymers were verified by FTIR and NMR analyses. The molecular weight difference of the grafted copolymers with different side chain lengths was determined by dilute solution viscosimetry. The effects of chemical structure of grafted copolymers on the fluidity of cement paste and the mechanical properties of the mortars were investigated. The zeta potential measurements revealed the interactions between the cement particles and polycarboxylate type superplasticizers. The maximum fluidity was achieved for the PEG grafted copolymer with the weight ratio 3:3. The mechanical properties of this copolymer showed the highest flexural and compressive strength compared to other copolymers. The addition of various Li salts to SSAMA affected the ionic medium, therefore, the dispersion performance of cement paste and the mechanical properties of the mortars improved. The mixture of LiCl: SSAMA in 1:1 mol ratio exhibited the maximum fluidity compared to other Li salts and their compositions. This mixture gave the highest flexural strength but the mixture of Li2CO3 in 1:1 composition gave the highest compressive strength in each salt mixtures.

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No. of bitstreams: 1 charlaneciminicorrea.pdf: 11668631 bytes, checksum: a7ab701003fdf688b49377e542ceb430 (MD5) Previous issue date: 2011-03-04 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Este trabalho de tese de doutorado consistiu na síntese e caracterização de arranjos supramoleculares com os metais Mn2+, Co2+, Cu2+ e Zn2+ da primeira série de transição contendo ligantes nitrogenados 1,3-bis(4-piridil)propano (BPP), sulfeto de di(4-piridila) (DPS) e dissulfeto de di(4-piridila) (DPSS) e policarboxilatos 1,2,4,5-benzenotetracarboxilato (BT), p-sulfobenzoato (SF) e 1,3,5-benzenotricarboxilato (BTC). Foram obtidos vinte e seis compostos que foram caracterizados por técnicas analíticas e espectroscópicas, tais como, análise elementar (CHN), análise térmica (TG/DTA) e espectroscopia vibracional (infravermelho e Raman). Dentre esses, vinte e dois compostos foram obtidos na forma de monocristais e tiveram suas estruturas determinadas por difração de raios X de monocristal. A análise térmica mostrou que todos os compostos apresentam-se hidratados, com moléculas de água de coordenação e/ou de cristalização. A espectroscopia vibracional foi importante para inferir sobre os modos de coordenação dos grupos carboxilatos através do cálculo do ∆ν (νassimCOO-νsimCOO). Nos compostos contendo o ligante BT, o grupo carboxilato atuou sempre de modo monodentado. Para os compostos com o ligante SF foram observados os modos monodentado e quelato e para o ligante BTC os modos monodentado, quelato e em ponte syn-syn e syn-anti. Foram descritas a síntese e caracterização dos compostos envolvendo o carboxilato BT e os ligantes nitrogenados BPP, DPS e DPSS que originaram onze complexos inéditos nomeados como: MnBTBPP, CoBTBPP, CuBTBPP, ZnBTBPP, MnBTDPS, CoBTDPS, CuBTDPS, ZnBTDPS, MnBTDPSS, CoBTDPSS e ZnBTDPSS. O ligante BT está presente em todos estes compostos e, com exceção do CoBTDPSS, apresentaram o ligante nitrogenado coordenado em ponte. Todos os compostos exceto o ZnBTBPP tiveram suas estruturas determinadas por difração de raios X de monocristal. Em especial, MnBTDPS e CoBTDPS são isoestruturais e os compostos ZnBTDPS e ZnBTDPSS apresentam estruturas semelhantes inclusive com a mesma topologia de rede. Realizou-se o estudo da síntese e caracterização de nove compostos utilizando o carboxilato SF e os ligantes nitrogenados BPP, DPS e DPSS nomeados, MnSFBPP, CoSFBPP, CuSFBPP, ZnSFBPP, CoSFDPS, CuSFDPS, ZnSFDPS, CoSFDPSS e ZnSFDPSS. Todos os compostos com exceção do CoSFDPSS tiveram suas estruturas determinadas por difração de raios X de monocristal. Em todas as estruturas analisadas os ligantes nitrogenados se coordenaram aos centros metálicos em ponte. No composto MnSFBPP o ligante SF não estava presente. Nos compostos CoSFBPP e CoSFDPS este ligante permaneceu na rede agindo como ânion estabilizando estas estruturas. Os arranjos bidimensional e tridimensional dos compostos foram observados pela presença de ligações de hidrogênio clássicas e não-clássicas, mostrando a importância das interações não covalentes na formação do arranjo supramolecular, bem como da estabilização das estruturas. Por fim, através das sínteses envolvendo o carboxilato BTC com os ligantes nitrogenados BPP, DPS e DPSS, seis complexos foram descritos como MnBTCBPP, CoBTCBPP, ZnBTCBPP, MnBTCDPS, ZnBTCDPS e ZnBTCDPSS. Os complexos CoBTCBPP, MnBTCDPS e ZnBTCDPS não apresentaram o ligante nitrogenado na estrutura, sendo que em todos eles pôde-se observar a presença do ligante BTC. Os complexos MnBTCBPP, CoBTCBPP, ZnBTCBPP e ZnBTCDPSS foram obtidos na forma de monocristais e tiveram suas estruturas cristalinas determinadas por difração de raios X de monocristal. Confirmaram-se então diversos modos de coordenação do ligante BTC nestes complexos tais como monodentado, quelato e em ponte syn-syn e syn-anti. / This work presents the synthesis and characterization of supramolecular arrays with Mn2+, Co2+, Cu2+ and Zn2+ first row transition metal ions, polydentate nitrogen ligands 1,3-bis(4-pyridyl) propane (BPP); di(4-pyridyl)sulfide (DPS) and di(4-pyridyl)disulfide (DPSS) and polycarboxylates 1,2,4,5-benzenotetracarboxylate (BT), p-sulfobenzoate (SF) and 1,3,5-benzenotricarboxylate (BTC). Twenty six compounds were synthesized and characterized of elemental analysis (CHN), thermal analysis (TG/DTA) and vibrational spectroscopy (infrared and Raman). Among these, twenty two compounds were isolated as single crystals and had their structures determined by single crystal X-ray diffraction analysis. Thermal analysis showed that all compounds are hydrated with coordination and/or lattice water molecules. Vibrational spectroscopy was very important to inform about the carboxylate groups coordination mode through ∆ν (νasymCOO - νsymCOO) value. In compounds containing BT ligand, the carboxylate group always acted in monodentate mode. For compounds containing SF ligands, monodentate and bidentatechelate modes were observed and for BTC ligand, monodentate, bidentate-chelate and syn-syn and syn-anti bridging modes were noted. The synthesis and characterization of compounds involving the BT carboxylate ligand and BPP, DPS and DPSS nitrogen ligands gives rise to eleven complexes described as MnBTBPP, CoBTBPP, CuBTBPP, ZnBTBPP, MnBTDPS, CoBTDPS, CuBTDPS, ZnBTDPS, MnBTDPSS, CoBTDPSS and ZnBTDPSS. BT ligand is present in all compounds and, except CoBTDPSS, they showed the nitrogen ligand in bridging coordination mode. All compounds, except ZnBTBPP, had their structures determined by single crystal X-ray diffraction analysis. In particular, MnBTDPS and CoBTDPS are isostructural and ZnBTDPS and ZnBTDPSS present similar structures with the same network topology. Studies of the synthesis and characterization of nine compounds using SF carboxylate and BPP, DPS and DPSS nitrogen ligands were realized, appointed as MnSFBPP, CoSFBPP, CuSFBPP, ZnSFBPP, CoSFDPS, CuSFDPS, ZnSFDPS, CoSFDPSS and ZnSFDPSS. All compounds, except CoSFDPSS, had their structures determined by single crystal X-ray diffraction analysis. In all structures the nitrogenated ligands coordinate to the metal centers in the bridging mode. For MnSFBPP the absence of ligand SF was noted. In CoSFBPP and CoSFDPS, this ligand remained uncoordinated, acting as a counter anion stabilizing these structures. The two- and three-dimensional arrays of the compounds were observed by the presence of classic and non-classic hydrogen bondings showing the importance of non-covalent interactions in the supramolecular arrangement, as well as in the structure stabilization. Finally, through the syntheses involving the BTC carboxylate with nitrogenated ligands BPP, DPS and DPSS, six complexes are described as MnBTCBPP, CoBTCBPP, ZnBTCBPP, MnBTCDPS, ZnBTCDPS and ZnBTCDPSS. CoBTCBPP, MnBTCDPS and ZnBTCDPS do not present nitrogen ligands in their structures and in all of them the presence of BTC ligand is observed. MnBTCBPP, CoBTCBPP, ZnBTCBPP and ZnBTCDPSS were obtained as single crystals and had their crystal structures determined by X-ray diffraction analysis. Great diversity of BTC ligand coordination modes as monodentate, chelate and syn-syn, syn-anti bridging modes were confirmed.