Romain Dupuis


rdupuis@mit.edu
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Tracing Polymerization in Calcium Silicate Hydrates Using Si Isotopic Fractionation

Dupuis, Romain ; Jorge Dolado ; Jose Surga ; Andres Ayuela

10.1021/acs.jpcc.8b00307

Silicate-chains polymerization is a crucial process in calcium silicate hydrate minerals, with large relevance for improving the durability and reducing the environmental impact of cement-based materials. To better understand the evolutionary mechanisms underlying the polymerization of silicate-chains in layered calcium silicate hydrates, we herein propose to trace the evolution of the polymerization degree by using silicon isotopes. The method requires tabulating the isotopic fractionation of several basic chemico–physical mechanisms that we obtained by performing atomistic simulations. The calculations reveal that the highly polymerized structures have longer Si–O bonds and that the Ca2+ cations play a dual role in the stretching and bending mode properties of silicates, such as isotopic fractionation is able to discern not only between the polymerization order of calcium silicate hydrate minerals, but even between cement gels suffering calcium leaching. Silicon isotopic fractionation can, therefore, be used to quantify the different evolutions of calcium silicon hydrate phases in a sample of man-made gel cement in order to improve its sustainability along lifetime stages in the quest for green cement.

Oral contribution at Ipolymorphs

Title: Aluminium content in polymorphs of calcium-silicate-hydrate

Co-authors: Romain Dupuis, J. Moon, J. Dolado, H. Manzano, P. Monteiro, A. Ayuela

I Polymorphs is a conference organized by DIPC members: http://ipolymorphs.dipc.org/

List of the speakers: http://ipolymorphs.dipc.org/lecturers

Concours meilleur article 2015 de la SFIS

Notre article sera présenté pour le prix du meilleur article 2015 de la Société Française des IsotopeS (SFIS).

Dupuis R, Benoit M, Nardin E, Meheut M (2015) Fractionation of silicon isotopes in liquids: The importance of configurational disorder. Chem Geol 396:239-254, doi:10.1016/j.chemgeo.2014.12.027

Les géochimistes se demandaient depuis un certain temps pourquoi les eaux des rivières et des océans avaient un silicium isotopiquement plus lourd que les roches de la croûte continentale? Cette observation avait été prédite depuis longtemps, puis confirmée lorsque les développements de la spectrométrie de masse avaient permis d’analyser la composition isotopique du silicium dissous dans les eaux des océans et des rivières. Les mécanismes responsables de ces observations restaient cependant mal compris.
En trouvant le moyen de combiner leurs premiers calculs de dynamique moléculaire d’espèces aqueuses de silicium à des calculs ab initio de silicates, Dupuis et al. (2015) ont pu montrer que les facteurs de fractionnement à l’équilibre entre quartz ou kaolinite  et acide silicique étaient contraires aux valeurs mesurées sur des cas naturels. Ils démontrent ainsi que ces fractionnements isotopiques reflètent des phénomènes d’altération cinétiques des roches magmatiques qui produisent les argiles. Cet article me semble donc bien répondre à l’objectif du prix du meilleur article de l’année de la SFIS, c’est à dire qu’il ne concerne pas simplement la présentation d’une nouvelle idée, mais il présente plutôt le résultat d’un travail de fond, par ailleurs confirmé par des travaux expérimentaux récents, qui restera pour longtemps une référence dans le domaine.

Siminar at NUS (Singapore)

Title: Simulation of the cement strength retrogration

organised by Dr. Moon Ju Hyuk

 

Abstract

Cementitious materials are widely used by the mankind. Research is made to reduce its production costs, its environmental impact and to increase its durability. For this, several approaches are used including experiments and theoretical works. At the DIPC/CFM we are simulating the different phases of the cement paste at the atomic scale using advanced methods. In a collaborative project with Tecnalia Research and Innovation and INTEVEP‐PDVSA, we study the C‐S‐H gel which is the most common phase of cements. This phase is important because it gives the strength to the cement and glue its structure. At high temperature, the C‐S‐H gel goes through an irreversible phase transition that reduces the lifetime of the cement. The product of the phase transition is a crystal (see figure) that is more compact than the C‐S‐H gel; cracks appears in the cement due to the contraction of this phase. We investigate if this transition can be avoided looking at the mechanism of transition and at the energetical properties of the system. In this presentation, we will briefly present methods that we use to study the C‐S‐H gel. Using those, we understood the mechanism of transition which consist in multiple dissociations of Si‐O‐Si bonds. Moreover, we can suggest a way to push back the dissociation and consequently the phase transition.

Séminairé à l’INSP « Autour des effets nucléaires quantiques » (about quantum nuclear effects)

19/01/2016 – Ce séminaire à été donné à l’INSP (Institut des NanoSciences de Paris) afin de présenter l’importance de prendre en compte les effets nucléaires quantiques lorsque l’on s’intéresse à des systèmes composés d’atomes légers (H, Li) ou sous contraintes. La méthode des intégrales des chemins a été présentée puis ses points forts ont été mis en évidence au travers de deux exemples : le fractionnement isotopique du Li entre un minéral et une solution ; le déplacement des atomes d’hydrogène dans la Portlandite (hydroxyde) sous très haute pression.