Precipitation, gelation and mechanical properties of Calcium- Silicate-Hydrate gels - Archive ouverte HAL
Thèse Année : 2014

Precipitation, gelation and mechanical properties of Calcium- Silicate-Hydrate gels

Précipitation, gélification et propriétés mécaniques des gels Calcium-Silicate-Hydrate

Résumé

The way materials form in real conditions influences their function and performance. A material such as cement is an example of how the environmental and chemical conditions determine its structure and mechanics. Cement is not only a complex material, challenging to study, but also of huge importance for civil engineering. In this thesis, I have investigated the development of calcium-silicate-hydrate (C-S-H) gels under out-of-equilibrium conditions, which form during cement hydration and are the main responsible for cement mechanical strength. I have proposed a new model and numerical approach, based on soft matter, to follow the gel formation upon precipitation and aggregation of nano-scale hydration products. This enabled me to systematically connect the formation protocol to the material microstructure and mechanics at all stages. In particular, I use Grand Canonical Monte Carlo to mimic precipitation events during Molecular Dynamics simulations, with their rate corresponding to the hydrate production rate set by the chemical environment. The particle effective interactions are consistent with forces measured between the nano-scale hydrates in experiments at fixed lime concentrations. I have explored the influence of the out-of-equilibrium aggregation to the C-S-H densification and mechanics by analyzing the microstructure morphology and local packing. Moreover, I studied the equilibrium phases and metastable states of the effective interactions without precipitation in order to determine the effect of the underlying thermodynamics into the structure of C-S-H gels. Finally, I achieved a good qualitative agreement with chemical, structural and mechanical experimental data of cement.
La manière dont les matériaux se forment dans des conditions réelles influence leur fonction et leurs performances. Un matériau tel que le ciment est un exemple de la manière dont les conditions environnementales et chimiques déterminent sa structure et sa mécanique. Le ciment n'est pas seulement un matériau complexe, difficile à étudier, mais revêt également une importance capitale pour le génie civil. Dans cette thèse, j'ai étudié le développement de gels de calcium-silicate-hydrate (C-S-H) dans des conditions hors d'équilibre, qui se forment pendant l'hydratation du ciment et sont les principaux responsables de la résistance mécanique du ciment. J'ai proposé un nouveau modèle et une nouvelle approche numérique, basés sur la matière molle, pour suivre la formation de gel lors de la précipitation et de l'agrégation de produits d'hydratation à l'échelle nanométrique. Cela m'a permis de connecter systématiquement le protocole de formation à la microstructure matérielle et à la mécanique à toutes les étapes. En particulier, j'utilise le système Monte Carlo grand canonique pour imiter les événements de précipitation lors des simulations de dynamique moléculaire, leur vitesse correspondant au taux de production d'hydrates défini par l'environnement chimique. Les interactions effectives entre les particules sont cohérentes avec les forces mesurées entre les hydrates à l'échelle nanométrique lors d'expérimentations à des concentrations de chaux fixes. J'ai exploré l'influence de l'agrégation hors équilibre sur la densification et la mécanique C-S-H en analysant la morphologie de la microstructure et le compactage local. De plus, j'ai étudié les phases d'équilibre et les états métastables des interactions effectives sans précipitation afin de déterminer l'effet de la thermodynamique sous-jacente sur la structure des gels C-S-H. Enfin, j'ai obtenu un bon accord qualitatif avec les données expérimentales chimiques, structurelles et mécaniques du ciment.

Mots clés

Fichier principal
Vignette du fichier
eth-14471-02.pdf (13.75 Mo) Télécharger le fichier
Origine Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
Loading...

Dates et versions

tel-02068346 , version 1 (19-04-2019)

Identifiants

  • HAL Id : tel-02068346 , version 1

Citer

Aikaterini Ioannidou. Precipitation, gelation and mechanical properties of Calcium- Silicate-Hydrate gels. Civil Engineering. ETH Zurich, 2014. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-02068346⟩
104 Consultations
91 Téléchargements

Partager

More