Multi-technique and multi-scale approach to study the structural properties of heterogeneous materials : a natural siliceous aggregate case
Approche multi-technique et multi-échelle d'étude des propriétés structurales des matériaux hétérogènes : Application à un granulat siliceux naturel
Résumé
A multi-technique and multi-scale approach was developed in order to study the structural properties of heterogeneous materials. Different techniques were used among which we can quote: Environmental Scanning Electron Microscopy, X-Ray Diffraction, X-ray absorption spectroscopy (EXAFS and XANES) and Nuclear Magnetic Resonance. Correlations between the results obtained at different scales (long, medium and short range order) enabled us to advance in the comprehension of the mechanisms of the structural deterioration of an aggregate SiO2 submitted to the Alkali-Silica Reaction. At the long-range order the structural changes appear towards the reduction of the size of the grains and the formation of an amorphous phase followed by an increase of the crystallinity of the crystallized phase. Those phenomena show that the attack proceeds preferentially in the amorphous and/or badly crystallized zones. According to the NMR the amorphous phase formed during the reaction consists of a mixture of silanols and amorphous silica. This product that have a random composition along the reaction process could be likely to cause formation of expansive product in the aggregate. At the short-range order the first coordination shell around silicon atoms shows an increase in the order within tetrahedra. That phenomenon could be due to the relaxation of the Si-O bonds. This result is in agreement with the presence of amorphous silica and it could be accentuated by the presence of silanols. The second coordination shell around silicon atoms remains unchanged. Those results make it essential to start again the study of the initiation process of the reaction.
Une approche multi-technique et multi-échelle a été élaborée pour l'étude des propriétés structurales des matériaux hétérogènes. Différentes techniques ont été utilisées parmi lesquelles nous pouvons citer : La microscopie Electronique à Balayage Environnementale équipé en microanalyse X, la Diffraction des Rayons X, la spectroscopie d'absorption X (EXAFS et XANES) et la Résonance Magnétique Nucléaire. La corrélation entre les résultats obtenus à différentes échelles (grandes, moyennes et courtes distances) nous a permis d'avancer dans la compréhension des mécanismes de l'altération structurale d'un granulat SiO2 soumis à la réaction Alcali-Silice. A grandes distances, les changements structuraux apparaissent par la réduction de la taille des grains et par la formation d'une phase amorphe, accompagnée d'un accroissement de la cristallinité de la phase cristallisée. Cela a permis de montrer que l'attaque se déroule préférentiellement dans les zones amorphes et/ou mal cristallisées. D'après la RMN, la phase amorphe formée durant la réaction est constituée d'un mélange de silanols et de silice amorphe. Ce produit, à la composition variable en fonction du temps de réaction, apparaît favorable à la formation de gels de type CSH dans le granulat. A courtes distances, la première couche de coordination autour des atomes de silicium montre un accroissement de l'ordre dans les tétraèdres. Ce phénomène pourrait être dû à la relaxation des liaisons Si-O. Ce résultat est en accord avec la présence de silice amorphe, et le phénomène pourrait être accentué par la présence de silanols. La deuxième couche de coordination autour du silicium demeure presque inchangée. Ces résultats permettent de relancer la discussion sur la validité du déroulement de l'étape d'initiation de la réaction.
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