Synthèse et stabilité de la bélite : étude du potentiel cimentier

La politique mondiale de réduction des émissions de gaz à effet serre repose en grande partie sur la recherche de nouvelles solutions pour l’industrie cimentaire qui contribue largement aux émissions de CO2. Parmi ces solutions, l’exploitation de ciments riches en silicate bicalcique, Ca2SiO4, ou bélite, qui est sa dénomination cimentaire, semble intéressante puisque le procédé industriel de fabrication requiert une moindre demande en calcaire et une température de cuisson plus basse que dans le cas des ciments Portland. A ce jour, les freins à une exploitation massive par les cimentiers de la bélite sont l’absence ou la lenteur de la réactivité avec l’eau, qui se traduit par une lente montée en résistance mécanique des ciments bélitiques, et le ‘dusting’ ou éclatement au refroidissement du fait de la transformation allotropique β. Les interprétations de ces phénomènes restent, à ce jour, contradictoires car elles reposent bien souvent sur l’analyse de la bélite dans un clinker, avec toute sa complexité. Aussi, nous avons choisi d’entreprendre une étude fondamentale des propriétés de β-Ca2SiO4. Afin de valoriser notre travail, nous avons essayé d’apporter des explications aux inconvénients majeurs qui bloquent l’exploitation des ciments bélitiques. Nous avons travaillé d’une part avec de la bélite synthétisée par voie chimique, pure ou dopée avec des éléments choisis (phosphore, soufre, bore) et, d’autre part, avec une bélite extraite d’un clinker sulfoalumineux bélitique. Nous nous sommes particulièrement intéressés à la stabilisation du polymorphe haute température β. Cette stabilisation a été étudiée d’un point de vue microstructural et chimique. La phase β est maclée. Les surfaces des grains présentent des défauts (dislocations, joints de macles et joints de grains avec des désorientations) qui sont autant de sites potentiels pour une réaction avec l’eau. Que ce soit la bélite de synthèse ou la bélite extraite d’un clinker, elle réagit rapidement avec l’eau. En revanche, la bélite dans une matrice cimentaire réagit lentement. Nous avons attribué cette caractéristique non pas à la lente hydraulicité de la bélite elle-même mais plutôt à la formation, au cours de l’hydratation du ciment, d’hydrates qui viennent recouvrir les grains de belite et empêcher sa dissolution. Ce travail propose également des solutions pour améliorer l’hydraulicité de la bélite contenue dans une matrice cimentaire.