Vers une approche chimico-mécanique multi-échelle pour concevoir des systèmes cimentaires alternatifs éco-compatibles

 

Arezki Tagnit-Hamou

Université de Sherbrooke

 

Domaine : matériaux

Programme projet de recherche en équipe

Concours 2018-2019

Les changements climatiques en cours induisent une évolution indispensable de l'industrie du béton, puisque le statuquo n'est plus une option. D'une part, la production du ciment Portland (CP), principal liant du béton, génère des quantités d'émission de CO2 que nous ne pouvons plus nous permettre. D'autre part, les ajouts cimentaires (AC) actuellement utilisés pour remplacer partiellement le CP avec des gains environnementaux deviennent insuffisants (ex. la production de cendres volantes est en chute suite à la fermeture graduelle des centrales thermiques au charbon). Une meilleure compréhension fondamentale des impacts des ajouts cimentaires alternatifs (ACA) sur les propriétés d'ingénierie de systèmes cimentaires éco-compatibles est donc un défi contemporain pour la science du béton. Cette compréhension est nécessaire pour favoriser l'adoption rapide de ce type de technologie.

Afin de dévoiler la microstructure complexe de ces nouveaux systèmes avec ACA, la recherche proposée développera une approche novatrice basée sur trois méthodes complémentaires : premièrement, une modélisation thermodynamique rigoureuse permettra une compréhension approfondie de l'hydratation des ACA ainsi que de l'assemblage des phases attendues suite à l'hydratation complète; deuxièmement, une méthode robuste de couplage de la nanoindentation et de la spectroscopie quantitative à dispersion d'énergie  (NI-QEDS) permettra de caractériser les propriétés chimico-mécaniques des phases composant la microstructure de la pâte de ciment ainsi que leur assemblage microstructural; troisièmement, la modélisation hydromécanique avancée par réseaux discrets permettra le transfert des nouvelles connaissances vers l'échelle des propriétés macroscopiques (ex. résistances à la compression et à la pénétration des chlorures). La méthodologie proposée mènera à une optimisation de nouveaux ACA pour l'industrie québécoise et à la promotion de nouvelles technologies de construction avec d'importants bénéfices pour l'environnement.

Le programme de recherche présenté repousse les frontières en termes de collaborations, de systèmes étudiés, d'échelles analysées et d'impacts concrets pour la société. La recherche proposée permettra de mettre en place un groupe de recherche international avec des compétences uniques, qui inclura : le professeur Arezki Tagnit-Hamou, expert des ACA et de la physico-chimie et microstructure du béton; le professeur Luca Sorelli, expert en micromécanique des pâtes de ciment; et la professeure Claudiane Ouellet-Plamondon, experte des ACA riches en aluminium et de l'analyse de cycle de vie. De plus, William Wilson qui a mené le développement de la nouvelle méthode chimico-mécanique NI-QEDS sera au cœur du projet. Les collaborateurs internationaux Dr. Frank Winnefeld et Dr. Gianluca Cusatis participeront aussi à la modélisation thermodynamique et la simulation numérique multi-échelle avancée, respectivement. Éventuellement, cette recherche jettera les bases de la première plateforme technologique pour l'ingénierie multi-échelle de matériaux cimentaires alternatifs éco-compatibles (ME2ACM) à Québec.