Soutenance de thèse de HAKIM Karim
Titre de thèse
Des nano-composites carbone-ciment pour réduire l'empreinte écologique du béton : une étude numérique multi-échelle
Carbon-cement nano-composites to reduce the ecological footprint of concrete: a multi-scale numerical study
Résumé de la thèse
L'incorporation de carbone dans les matrices de ciment offre des possibilités prometteuses d'amélioration des propriétés mécaniques, thermiques et chimiques du ciment, ouvrant la voie à des matériaux de construction avancés et durables. Cette thèse étudie les interactions entre le silicate de calcium-hydrate (C-S-H), la principale phase de liaison dans le ciment, et divers matériaux de carbone, y compris le graphène, les molécules de C60 et le carbone amorphe. En utilisant la dynamique moléculaire et les simulations Grand Canonical Monte Carlo avec le logiciel LAMMPS et le potentiel ReaxFF, nous avons d'abord testé la partie carbone du potentiel ReaxFF dans le contexte de la transformation du C60 dans des conditions de haute pression et de haute température, en la comparant à d'autres potentiels connus tels que EDIP et REBO. Nous avons ensuite analysé comment la morphologie du carbone, les conditions d'hydratation et la chimie de surface influencent l'interface carbone-C-S-H et ses propriétés matérielles. Les plans basaux défectueux et la porosité capillaire de C-S-H ont été modélisés pour simuler des environnements réalistes. Le carbone ayant une meilleure conductivité thermique que le ciment, nous avons mesuré la conductivité thermique de notre interface carbone-ciment pour observer le changement produit. Pour ce faire, nous avons utilisé deux méthodes, la NEMD et la méthode Green-Kubo. Nous les avons ensuite comparées à celles du ciment pur. Les résultats pour le ciment pur sont cohérents avec la littérature. Enfin, nous avons cherché à comprendre pourquoi le carbone améliore la résistance du béton au cycle gel-dégel. On a émis l'hypothèse que les fractures étaient principalement causées par les ions NaCl et que le carbone pouvait les absorber. Son adsorption les éloignerait de l'interface avec le ciment et réduirait la pression induite par le gel de la glace sur cette interface. Nous avons ensuite testé l'adsorption de NaCl par le carbone à différentes températures et conditions chimiques. Nous avons pu montrer que le carbone avait effectivement cette capacité d'adsorption des ions et qu'un charbon actif à pH élevé donnerait de meilleurs résultats.
Thesis resume
The incorporation of carbon into cement matrices offers promising avenues for enhancing the mechanical, thermal, and chemical properties of cement, paving the way for advanced and sustainable construction materials. This thesis investigates the interactions between calcium-silicate-hydrate (C-S-H), the primary binding phase in cement, and various carbon materials, including graphene, C60 molecules and amorphous carbon. Using molecular dynamics and Grand Canonical Monte Carlo simulations with LAMMPS software and ReaxFF potential, we first tested the carbon part of the ReaxFF potential in the context of the transformation of C60 under high-pressure and high-temperature conditions, comparing it with other known potentials such as EDIP and REBO. We then analyzed how carbon morphology, hydration conditions, and surface chemistry influence the carbon-C-S-H interface and its material properties. The defective basal planes and capillary porosity of C-S-H were modeled to simulate realistic environments. As carbon has a better thermal conductivity than cement, we measured the thermal conductivity of our carbon-cement interface to observe the change produced. To do this, we used two methods, the NEMD and the Green-Kubo method. We then compared them with those for pure cement. The results for pure cement were consistent with the literature. Finally, we set out to understand why carbon improves concrete's resistance to the freeze-thaw cycle. It was hypothesized that fractures were mainly caused by NaCl ions and that carbon could absorb them. Its adsorption would remove them from the interface with the cement and reduce the pressure induced by freezing ice on this interface. We then tested the adsorption of NaCl for carbon at different temperatures and chemical conditions. We were able to show that carbon did indeed have this ability to adsorb ions, and that a carbon-activated pH would give better results.