Investigation of cementitious material carbonation with X-rays and Neutron tomography coupled with modelling

Investigation de la carbonatation des matériaux cimentaires par tomography à Rayons X et Neutrons couplée à la modélisation Le béton, le deuxième matériau le plus utilisé au monde après l'eau, présente des défis environnementaux notables en raison de son processus de production et de sa composition, impliquant l'extraction de ressources naturelles et des émissions élevées de carbone issues de la production de ciment. Ainsi, des alternatives durables sont cruciales. Le recyclage des déchets de construction en granulats de béton recyclé (GBR) offre une solution prometteuse en capturant le dioxyde de carbone (CO2) et en réduisant les émissions. Cependant, les relations complexes entre la carbonatation, les cinétiques de séchage et la propagation des fissures dans le béton recyclé sont mal comprises, en particulier à l'échelle industrielle.Cette recherche débute par une expérience à l'échelle de laboratoire où des granulats de béton recyclé industriels, de taille 0 à 4 mm, sont tamisés en trois catégories : 0-200 microns, 200-500 microns et 500-4000 microns, puis testés avec trois contenus en eau : 5 %, 10 % et 15 %, dans des conditions similaires à celles de l'industrie (70°C et 20 % de CO2). L'étude valide la méthode du taux de liaison instantanée (IBR) comme une technique précise et non destructive pour évaluer le CO2 lié au fil du temps, avec des résultats comparables aux méthodes C/H et TGA. Elle montre que le taux de carbonatation est inversement proportionnel à la taille des GBR en raison de la teneur en ciment, les plus petits granulats (0-200μm) présentant un potentiel de carbonatation plus élevé. Le contenu en eau affecte significativement les taux de carbonatation, avec des niveaux optimaux variant selon la taille des granulats. De plus, l'étude souligne la nécessité de recherches supplémentaires sur les cinétiques de séchage des GBR pour maximiser leur potentiel de séquestration du CO2.Sur la base de ces résultats en laboratoire, l'étude introduit une approche novatrice utilisant la tomographie simultanée aux neutrons et aux rayons X pour examiner le processus de carbonatation dans le ciment à des concentrations élevées de CO2 et des températures modérées. Une chambre de carbonatation sur mesure pour l'instrument de tomographie révèle de nouvelles perspectives sur les processus induits par la carbonatation avec une résolution spatiale et temporelle élevée. Cette approche permet d'observer les changements dynamiques du contenu en eau induits par les interactions complexes entre la carbonatation et les cinétiques de séchage. Les résultats indiquent un phénomène de scellement des fissures vers la fin du processus de carbonatation, suggérant le potentiel d'auto-réparation du matériau.Enfin, un nouveau modèle multiphysique a été développé pour optimiser la séquestration du CO2 dans les matériaux cimentaires dans des conditions de température modérée (80°C). Ce modèle aborde les limites des modèles traditionnels de carbonatation en intégrant les comportements des solides, des gaz et des liquides, avec un accent sur la dynamique du transport de l'eau et les cinétiques de carbonatation accélérées. La validation par Analyse Thermo-Gravimétrique (TGA) et tomographie neutronique in-situ a confirmé l'exactitude du modèle. Ce modèle complet améliore les prévisions des taux de carbonatation, de l'absorption de CO2 et des profils de distribution de l'eau, offrant un outil précieux pour optimiser les stratégies de séquestration de CO2 dans les matériaux à base de ciment et contribuant à la réduction des émissions mondiales de CO2.