Simulation numérique de l'hydratation et du développement des propriétés physiques et mécaniques d'une pâte de ciment afin de sélectionner de nouveaux ajouts minéraux

The desire to preserve the environment is becoming more and more important in our societies. The setting up of the search for the so-called sustainable development reflects this commitment. To follow this way of sustainable development, governments are putting the industries under an ever-increasing pressure to reduce the various pollutions they generate. In the case of the cement industry, CO2 emissions and consumption of raw materials are mainly referred to reduce its environmental impact. The development of cement with mineral additions, mostly spawned from industrial processes, is a way of reducing the amount of clinker in Portland cement and therefore decreasing emissions. Such cements already exist and use industrial by-products such as blast furnace slag, silica fume or fly ash. Moreover, these cements with additions are interesting because they have specific properties, very different from CEM I type Portland cements. This last point of the specific properties of cement with additions associated with the increasing pressure of sustainable development constitutes the basement on which is built the thesis. Our work aims at developing a methodology for development of cement with mineral additions. Such a methodology would allow cement manufacturers to develop new products while walking the line of sustainable development by promoting by-products of other industries. The originality of our methodology rely on maximum use of numerical tools and simulation as a replacement of experimental works that are the main part of studies that aim at developing such cements. The main interests of our approach are cost and time reductions for cement development. Development times can be very long when they include durability studies. The work done for the thesis has first consisted in giving the methodology a functional realty. This methodology is split in three successive steps for testing the relevance of an industrial by-product as a potential addition in cement. To do this, three softwares were selected : • CHESS, a geochemical computing code, used for the first step, • VCCTL, cement paste microstructure generating code, used for the second step, • HYTEC, reactive transport simulation code, used for the third step. We had to adapt those softwares to their use in the field of the methodology in order to establish a synergy of operation between them. This adaptation has led us to perform a significant modification of the VCCTL source code in order to expand its capacity to take into account unknown additions. The work has then focused on the practical validation of the methodology by its confrontation with the results of experimental studies. This practical validation was initially focused on an OPC and then on blends of OPC with either blast furnace slag or fly ash circulating fluidized bed (CVLFC). The results achieved confirm the interest of the approach but they are also letting foresee the current limitations mostly linked to the numerical tools.La volonté de préservation de l'environnement est de plus en plus présente dans nos sociétés. C'est la mise en place de la recherche de ce que l'on appelle le développement durable qui traduit cette volonté à tous les niveaux. Afin de s'inscrire dans cette démarche de développement durable, les autorités soumettent les industries à une pression sans cesse croissante afin de réduire les diverses pollutions qu'elles peuvent engendrer. Dans le cas de l'industrie cimentière, ce sont les émissions de CO2 et la consommation des matières premières qui sont essentiellement visées afin de réduire son impact sur l'environnement. Le développement des ciments avec ajouts minéraux, le plus souvent issus de procédés industriels, constitue une voie de réduction de la quantité de clinker contenue dans le ciment portland et donc de diminution des émissions. De tels ciments existent déjà et utilisent entre autre des laitiers de haut fourneau, fumées de silice ou cendres volantes. D'autre part, les ciments avec ajouts sont intéressants car ils possèdent aussi des propriétés spécifiques différentes du ciment Portland de type CEM I. C'est sur le dernier point des propriétés spécifiques des ciments avec ajouts associé à la pression croissante du développement durable que se fonde cette thèse. Notre travail vise à mettre au point une méthodologie de développement des ciments avec ajouts minéraux plus basée sur une approche numérique qu'expérimentale. Une telle méthodologie permettrait à l'industrie cimentière de développer de nouveaux produits tout en s'inscrivant dans le cadre du développement durable en valorisant des sous-produits d'autres industries. L'originalité de la présente méthodologie repose sur l'utilisation maximale d'outils informatiques et de la simulation en remplacement de l'expérimental qui constitue actuellement l'essentiel des études visant à développer de tels ciments. Ceci présente en effet comme intérêts majeurs une réduction des coûts et surtout des temps de développement des ciments qui peuvent durer des dizaines d'années notamment vis-à-vis des essais de durabilité. Le travail de thèse réalisé a tout d'abord consisté à donner une réalité fonctionnelle à la méthodologie qui se décompose en trois étapes successives de tests pour la sélection de la pertinence d'un sous-produit industriel en tant qu'ajout dans un ciment. Pour cela, trois logiciels ont été choisis : • CHESS, code de calcul géochimique, utilisé pour la première étape • VCCTL, code de génération de microstructure de pâte de ciment, utilisé pour la deuxième étape. • HYTEC, code de simulation de transport réactif, utilisé pour la troisième étape. Il a donc fallu adapter ces logiciels à leur utilisation dans le cadre de la méthodologie afin de pouvoir établir une synergie de fonctionnement entre eux. Cette adaptation nous a notamment conduit à une modification conséquente du code source du VCCTL afin de pouvoir étendre ses capacités à la prise en compte d'ajouts inconnus. Le travail s'est ensuite porté sur la validation pratique de la méthodologie en la confrontant à des résultats d'études expérimentales. Cette validation pratique s'est tout d'abord portée sur un CEM I puis sur des mélanges de ciment avec soit un laitier HF soit une cendre volante de lit fluidisé circulant (CVLFC). Les résultats obtenus confirment l'intérêt de l'approche en laissant toutefois entrevoir les limitations actuelles principalement dues aux outils informatiques