Note publique d'information : La prise et le durcissement des matériaux de Génie Civil (plâtre, C-S-H) reposent
sur des interactions entre cristaux et solutions ioniques. Ces interactions mettent
en jeu des équilibres entre phases, leurs frontières (dites périphases) et des phases
confinées entre périphases (dites interphases). La partie 1 "Concepts, méthodes et
outils" introduit tout d'abord le concept phéno-corpusculaire proposé pour l'étude
de ces équilibres, irréductibles à une approche macroscopique via la physique statistique,
et d'autre part encore inabordables par la seule voie corpusculaire. Parmi les méthodes
originales présentées, la méthode SASP ouvre la voie phéno-corpusculaire en physico-chimie;
puis est proposée la méthode OPTASYM pour définir les positions d'atomes H inconnus
dans certaines cristaux; enfin est exposée la méthode CAC exploitant simultanément
expérience et simulation AFM. Quant aux outils numériques originaux, ils sont essentiellement
dévolus au traitement conjoint cristal/solution, encore embryonnaire en modélisation
moléculaire. La partie 2 "Equilibre massique de phases, périphases et interphases"
s'attache tout d'abord à l'élaboration de structures atomiques complètes de cristaux
(gypse, ettringite, thaumasite), de structures de molécules et ions, et de structure
de solution grâce à la méthode SASP qui débouche numériquement sur la relation fondamentale
concentrations/potentiels chimiques. Ces structures étant définies, leurs interactions
sont d'abord traitées par docking entre faces cristallines et molécules ou ions. Puis
l'interaction cristal/solution/cristal est présentée via SASP dans le cas d'une solution
saturée de gypse. D'où, pour la première fois, l'obtention de la structure d'une interphase
d'épaisseur < 1 nm. La partie 3 " Equilibre mécanique de phases, périphases et interphases
" présente, tout d'abord, une étude critique de l'estimation par modélisation moléculaire
des contraintes totales de cristaux et solutions ioniques. L'introduction du calcul
des contraintes partielles, inabordable expérimentalement, est fort prometteuse pour
relier résistance à rupture macroscopique et structure atomique. L'équilibre mécanique
entre phases, périphases et interphases est tout d'abord examiné en déplacement normal
jusqu'à rupture d'adhésion, pour divers couples de faces (120), (010) ou (-101), la
solution interphase (CaSO4, CaCl2 ou Na2SO4) étant en situation ionique non équilibrée
(pour simuler des états transitoires ou isolés) avec éventuellement de l'acide citrique.
Puis cette étude est reprise en situation ionique équilibrée, via la méthode SASP,
pour les faces (120) du gypse en solution saturée. Enfin une première illustration
de cisaillement est donnée dans le cas d'interphase (120), en solution CaSO4 non équilibrée
avec acide citrique. La conclusion souligne les avancées de ce travail en modélisation
atomique de solution en présence de cristal, ainsi que ses perspectives placées dans
l'optique générale phéno-corpusculaire.
Note publique d'information : The setting and hardening of materials used in civil engineering (plaster, C-S-H)
are based on interactions between crystals and ionic solutions. These interactions
involve equilibriums between phases, their boundaries (referred to as periphases)
and phases confined between periphases (referred to as interphases). Part 1, "Concepts,
methods and tools", first introduces the pheno-corpuscular concept proposed for the
study of these equilibriums that cannot be addressed in a macroscopic approach via
the statistical physics or in a corpuscular approach alone. Among the original methods
presented, the SASP method opens up the pheno-corpuscular pathway in physicochemistry;
then is presented the OPTASYM method using molecular modelling to propose positions
of H atoms unknown in certain crystalline structures; finally is exposed the CAC method
based on a simultaneous use of AFM experiment and simulation. The original numerical
tools are mainly devoted to joint crystal/solution processing, an area that is still
at its beginnings in molecular modelling. Part 2, "Mass equilibrium of phases, periphases
and interphases" first addresses the build-up of complete crystal atomic structures
(gypsum, ettringite and thaumasite), of molecules and ions structures and of solution
structures, the SASP method leading numerically, in this last case, to the fundamental
relation between concentrations and chemical potentials. Once these structures have
been defined, their interactions are first handled by docking between the crystalline
faces and molecules or ions. The crystal/solution/crystal interaction is then presented
using SASP, in the case of a saturated solution of gypsum. Whence, for the first time,
the structure of an interphase of thickness < 1 nm. Part 3, "Mechanical equilibrium
of phases, periphases and interphases", consists, first of all, of a critical study
of estimation by molecular modelling of the total stresses of ionic crystals and solutions.
The introduction of calculation of partial stresses, which cannot be performed by
experiment, is particularly promising for linking macroscopic failure strength and
atomic structure. Mechanical equilibrium between phases, periphases and interphases
is first examined in normal displacement of various pairs of faces (120), (010) or
(-101) until adhesion failure, the solution interphase (CaSO4, CaCl2 or Na2SO4) being
in a non-equilibrium ionic situation (to simulate transitory or isolated states),
possibly with citric acid. The study is then repeated in an equilibrium ionic situation
using the SASP method for the gypsum faces (120) in a saturated solution. Finally,
a first illustration of an interphase shearing is given in the case of faces (120),
with a non-equilibrated solution of CaSO4 and citric acid.The conclusion underlines
the progress made in this work on crystal/solution atomic modelling and its prospects
within the overall pheno-corpuscular approach.
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