Développement de matériaux cimentaires bas carbone à partir de métakaolin activé à la chaux et aux alcalins

Le béton et les matériaux cimentaires sont utilisés pour l'immobilisation des déchets radioactifs ou comme barrière de protection secondaire entre les déchets et l'environnement environnant dans les dépôts en surface (Koťátková, Zatloukal et al. 2017). Cela s'explique par leur coût relativement faible, leurs bonnes propriétés mécaniques, leur durabilité, leur masse thermique et la possibilité de les fabriquer à partir de matériaux locaux disponibles partout dans le monde. Les ciments à forte teneur en laitier (CEM III/C) ou les ciments de laitier activés par des alcalis (AAS) sont utilisés pour des applications spécifiques, notamment lorsque la résistance aux sulfates, une faible chaleur d'hydratation, la fluidité ou de bonnes propriétés mécaniques sont requises, ou encore pour le conditionnement des déchets nucléaires (Andra 2023). Une phase de type hydrotalcite se forme, tandis qu'une phase AFm semble se former avec certains laits de scories, mais pas tous. Ces phases sont connues pour leurs capacités de sorption ou de substitution vis-à-vis des contaminants préoccupants (Levitskaia, Chatterjee et al. 2016). Cependant, compte tenu de l'objectif de réduire les émissions de carbone d'au moins 55 % d'ici 2030 et de faire de l'UE le premier continent climatiquement neutre d'ici 2050, la disponibilité et les caractéristiques des scories deviennent incertaines en raison de la transition des hauts fourneaux vers les fours à arc électrique (Kocaba 2009, Kriskova, Pontikes et al. 2013). Pour contourner cette transition, l'industrie nucléaire recherche d'autres sources de matières premières pouvant servir de substituts aux scories. Une voie possible pour cette substitution consiste à utiliser des argiles calcinées telles que le métakaolin, en combinaison avec du ciment (CEM II/B-M) ou activé par des alcalis (AAMK), pour l'immobilisation des déchets nucléaires, comme l'ont démontré des études antérieures. Le métakaolin activé par des alcalis et par la chaux développe des phases minérales hydratées et des propriétés redox similaires. Cela peut s'avérer intéressant pour les déchets difficiles à immobiliser par sorption, incorporation ou substitution d'éléments par des radionucléides (Niu, Elakneswaran et al. 2023). De plus, les similitudes avec les matrices de conditionnement AAS actuelles pourraient favoriser l'utilisation de l'AAMK en France, en simplifiant les démonstrations requises pour son acceptation en tant que matrice de conditionnement. Dans cette optique, l'objectif de cette étude est de mettre au point des matériaux à faible empreinte carbone en testant diverses métakaolines et sources de calcium associées à un activateur alcalin. Les formulations seront élaborées en tenant compte d'une fourchette de variation possible autour des propriétés ciblées, telles que le temps de prise, l'exothermie ou la résistance à la compression, par rapport à la matrice d'immobilisation AAS de référence. La cinétique d'hydratation et l'évolution minérale en fonction des matières premières et de leur activation seront suivies dans le temps. Pour ce faire, des caractérisations chimiques (ICP), minérales (DRX, ATG) et physiques (calorimétrie isotherme, temps de prise Vicat) seront réalisées. Grâce à ces travaux de recherche, l'immobilisation des déchets nucléaires sera améliorée en tenant compte de plusieurs aspects : faibles émissions de carbone, immobilisation à long terme, conditionnement de nouveaux types de déchets. Tous ces aspects peuvent être mis en œuvre à l'échelle nationale et internationale. De plus, en fonction des résultats, les formulations de matrices pourraient faire l'objet de brevets. École doctorale : SIE - Sciences, Ingénierie et Environnement Direction : Agathe BOURCHY Financement : CIFRE ANRT