Activation des bentonites pour le développement d’un ciment bas carbone
Résumé : Le développement de matériaux cimentaires supplémentaires (SCM) alternatifs est essentiel pour réduire l’impact environnemental du ciment, les argiles activées constituant une option prometteuse. Cette thèse étudie l’influence de la composition minéralogique initiale et des conditions d’activation sur les transformations physico-chimiques de bentonites naturelles. Six bentonites ont été étudiées selon différentes approches, comprenant la calcination à diverses températures et par différentes méthodes, ainsi que l’activation mécanochimique (MCA). Les résultats montrent que la teneur en minéraux argileux ne suffit pas à prédire la réactivité des bentonites, soulignant le rôle des minéraux accessoires, notamment des polymorphes de la silice.
La performance pouzzolanique était davantage liée à la fraction non diffractante qu’au degré de déshydroxylation. Toutefois, les différents procédés d’activation ont généré des matériaux non diffractants aux environnements locaux d’Al, de Si et hydroxylés distincts, soulignant l’importance de leur nature structurale pour la réactivité.
Par ailleurs, une méthode d’essai de résistance à la compression utilisant des cubes de mortier de 20 mm a été validée pour faciliter les essais avec de faibles quantités de matériau.
Enfin, cette thèse approfondit la compréhension de l’activation des argiles non kaolinitiques, montrant que différents procédés peuvent produire des bentonites réactives par des mécanismes structuraux distincts.
Mots clés : Minéraux accessoires ; Calcination ; Déshydroxylation ; Activation mécanochimique ; Matériaux cimentaires supplémentaires
Activation of bentonites for the development of low carbon cement
Abstract: The development of alternative supplementary cementitious materials (SCMs) is essential to reduce the environmental impact of cement production, with activated clays emerging as promising options. This thesis studies the activation of natural bentonites, focusing on how the initial mineralogical composition and activation conditions influence the physicochemical transformations of the activated materials. Six natural bentonites were investigated through different experimental approaches, including thermal activation at various temperatures and using different calcination methods, as well as mechanochemical activation (MCA) as an alternative route. It was demonstrated that clay mineral content alone cannot predict bentonite reactivity, highlighting the influence of accessory minerals, particularly silica polymorphs.
The degree of dehydroxylation was not the main indicator of pozzolanic performance, which was more closely associated with the non-diffracting fraction. Furthermore, it was observed that different activation processes produced non-diffracting materials with distinct local Al, Si and hydroxylated environments, demonstrating that their structural nature strongly affects the reactivity of activated clays.
Additionally, a reduced-scale compressive strength methodology using 20 mm mortar cubes was validated to facilitate testing with limited material quantities.
Overall, this thesis advances the understanding of non-kaolinitic clay activation, demonstrating that distinct activation methods can produce reactive bentonites through different structural modification mechanisms.
Keywords: Accessory Minerals; Calcination; Dehydroxylation; Mechanochemical activation; Supplementary Cementitious Materials
