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Projet CEDAL Développement d’une matrice à base de ciment phospho-magnésien pour le conditionnement de l’aluminium métallique | David LAMBERTIN, Céline CAU DIT COUMES, Hugo LAHALLE, Pascal ANTONUCCI : CEA MARCOULE/DEN/DTCD/SPDE Laboratoire de Physico-chimie des Matériaux Cimentaires | Sylvie DELPECH, Céline CANNES, Quang Thuan TRAN : IPN Orsay 28 OCTOBRE 2014 | PAGE 1

Projet CEDAL Développement d’une matrice à base …...KTS 100 (Belitex) 0.55 CSAC Magnesium silicate binder (40% MgO, 10% MgCO 3, 50% SiO 2) MgO, MgCO 3 (VWR) SF S95DM (Condensil)

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Projet CEDAL

Développement d’une matrice à

base de ciment phospho-magnésien

pour le conditionnement de

l’aluminium métallique

| David LAMBERTIN, Céline CAU DIT COUMES, Hugo LAHAL LE, Pascal ANTONUCCI : CEA MARCOULE/DEN/DTCD/SPDE

Laboratoire de Physico-chimie des Matériaux Cimenta ires

| Sylvie DELPECH, Céline CANNES, Quang Thuan TRAN : IPN Orsay

28 OCTOBRE 2014 | PAGE 1

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1. Introduction: hardened paste of Portland cement

28 OCTOBRE 2014 | PAGE 2

Portland cement paste = porous, hydrates and alkaline medium

Alkaline pore water

SiO2 SO3 Na2O K2O pH

22 844 4430 26100 13.6

Concentrations in mg/kg of extracted solution

OPC paste (clinker 95.5% - gypsum 4.5%) - W/C 0.5 -curing at 20°C in air-tight bag for 13 months (Longuet, 1973)

C-S-H (≈ 70%)

Portlandite ( ≈ 20%)

+ Hydrated aluminates (≈10%)

Capillarypore

Journées Needs | 21 octobre 2014

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1. Introduction: redox properties of aluminium

Al3+

AlO2-

Al

E(V)

pH

PASSIVATION CORROSIONCORROSION

IMMUNITY

2 Al + 2 OH - + 2 H2O →→→→ 2 AlO2- + 3 H22 Al + 6 H+ →→→→ 2 Al 3+ + 3 H2

28 OCTOBRE 2014 | PAGE 3Journées Needs | 21 octobre 2014

Portand cement

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1. Introduction: ANDRA specifications

28 OCTOBRE 2014 | PAGE 4

Specifications for low- and intermediate-level and s hort lived radioactive waste (CSFMA waste disposal facility)

Maximum surface area of Al per 330L-canister

Al directly embedded in cement 0.1 m2

Al isolated from cement by a material like vinyl

0.5 m2Al in a canister to be compacted

1 m2

Journées Needs | 21 octobre 2014

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1. Introduction: which strategy for Al encapsulation?

28 OCTOBRE 2014 | PAGE 5

2 complementary approaches

Aluminium (1E-4 mol/L)

0 4 82 6 10 12 14pH

-3

-2

-1

0

1

Eh (V)

Al

Al3+ DiasporeAlO2

-

H2 (g)

O2 (g)

Passivation

� Use of alternative cements, yielding pore solutions with a pH close to neutrality

� Addition of corrosion inhibitors

Journées Needs | 21 octobre 2014

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1. Outline

���� Literature survey : search for alternative binders to calcium silicate cements

���� Experimental screening of binders

���� Factors controlling the cement reactivity

| PAGE 6

���� Processes responsible for setting and hardening

���� Electrochemical behavior of metallic aluminum in a magnesium phosphate binder

Journées Needs | 21 octobre 2014

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2. Literature survey : search for alternative binders to calcium silicate cements

28 OCTOBRE 2014 | PAGE 7

Comparison of pore solution pH generated by differe nt cement systems

pH3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

OPC

Ettringite cement

MagnesiumPhosphate cement

PlasterMagnesium

chloride cement

pH3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

MagnesiumSilicatecement

210

Brushite cement

pH3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 pH3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Al passivation

Apatitic cement

210

Calcium aluminate

phosphate cement

Journées Needs | 21 octobre 2014

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2. Literature survey : conclusion

28 OCTOBRE 2014 | PAGE 8

Selection of binders for an experimental study

pH3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

OPC

Ettringitecement

MagnesiumPhosphate cement

pH3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

MagnesiumSilicatecement

210

Brushite cement

pH3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 pH3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Al passivation

210

Experimental study to measure under identical condi tions the hydrogen release due to corrosion of an aluminum rod embedde d in the selected cement pastes

Journées Needs | 21 octobre 2014

PlasterMagnesium

chloridecement

Apatiticcement

Calcium aluminate

phosphate cement

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Binder Reference and producer W/C ratio (g/g) Reference

Portland cement CEM I 52.5 PM ES CP2 (Lafarge Le Teil)

0.4 OPC

Calcium aluminate cement + gypsum (67 :33 g/g) Fondu (Kerneos) 0.48

CAC + gypsum

Calcium aluminate cement + gypsum + silica fume(60 :30:10 g/g)

Fondu (Kerneos) SF S95DM (Condensil)

0.60 CAC + gypsum + SF

Calcium sulfoaluminate cement (75% clinker, 25% gypsum) KTS 100 (Belitex) 0.55 CSAC

Magnesium silicate binder (40% MgO, 10% MgCO3, 50% SiO2)

MgO, MgCO3 (VWR) SF S95DM (Condensil)

0.35 MSH

Magnesium phosphate cement (MgO: KH2PO4 1:1 mol/mol)

MgO MagChem 10 CR (MAF Magnesite BV)

KH2PO4 (VWR) 0.51 MKP

Brushite cement (wollastonite + phosphoric acid solution) FOTIMINE (Sulitec) 0.80 BRU

3. Experimental screening of binders

28 OCTOBRE 2014 | PAGE 9

Simulated waste

Aluminum rod (99.99% Al) (φ = 1 cm, h = 3 cm)Depassivated by immersion in H2SO4 (20%) and rinsed with demineralized water just before the experiment

Investigated binders

Journées Needs | 21 octobre 2014

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3. Experimental screening of binders

28 OCTOBRE 2014 | PAGE 10

Experimental device for H 2 measurement

Aluminium

H2

Gaschromatography

P

Cement paste

Air-tight reactor

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3. Experimental screening of binders

28 OCTOBRE 2014 | PAGE 11

H2 production

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 20 40 60 80 100 120 140

Time (days)

OPC

CAC + gypsum

CAC + gypsum + SF

CSAC

MSH

MKP

BRU

Rel

ease

d H

2(L

/m2

of A

l)

0.26 L/m2/y

Most promising binder: magnesium phosphate binder MgO + KH2PO4 + 5 H2O→ MgKPO4.6H2O

7 L/m2/y

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3. Experimental screening of binders

28 OCTOBRE 2014 | PAGE 12

H2 production

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0 20 40 60 80 100 120 140

Time (days)

MKP + H3BO3

MKP + H3BO3 + LiNO3

Rel

ease

d H

2(L

/m2

of A

l)

With LiNO3: released H2 < detection limit of the analytical methodExtrapolation over 1 year : H2 < 2.28x10-4 L/(m2.year)

Journées Needs | 21 octobre 2014

Formation of a protective insoluble layer of LiH(AlO2)2.5H2O at the surface of the metal (Matsuo et al., 1995)

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3. Experimental screening of binders

28 OCTOBRE 2014 | PAGE 13

Conclusion

Selection of the magnesium -phosphate cementfor the next step of the project

Journées Needs | 21 octobre 2014

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28 OCTOBRE 2014 | PAGE 14

Critical parameters for a formulation

4. Control of the cement reactivity

MgO / KH2PO4 ratio

Type and content of filler

Type and content of sand

MgO characteristics (particle size, specific surface area)

Use of admixtures

Hardburnt (S < 1 m2/g)

1

Low CaO fly ash

Siliceous sand

H3BO3, LiNO3

Journées Needs | 21 octobre 2014

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| PAGE 15

4. Processes responsible for the setting and hardening

Mechanisms of setting and hardening System {MgO + KH 2PO4 + Fly ash}

-40

-20

0

20

40

60

80

0.E+00

1.E+06

2.E+06

3.E+06

4.E+06

5.E+06

6.E+06

7.E+06

8.E+06

9.E+06

1.E+07

0 1 2 3 4 5 6 7

Co

nd

ucti

vit

y (

mS

/cm

)

He

at

flo

w (

µw

/g

)

G' (

Pa

)

Time (h)

Shear storage modulus

Conductivity

Heat flow

15 min 26 jK-struvite

0 min 5 h 30 minKH2PO4

3 h 45 min 26 jOther secondary phases

(MgHPO4.7H2O, AlPO4.xH2O, ?)

Poorly crystallized phase (Mg2KH(PO4)2(H2O)15 ?)15 min 3 h 45 min

Beginningof setting

End of setting

Thèse de Hugo Lahalle en cours

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5. Electrochemical behaviour of aluminium in a magnesium phosphate binder

L’électrochimie pour l’étude de la corrosion in situ

| PAGE 16Journées Needs | 21 octobre 2014

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5. Electrochmical behaviour of aluminium in a magnesium phosphate binder

La spectroscopie d’impédance pour l’étude de la corros ion chimique in situ

| PAGE 17Journées Needs | 21 octobre 2014

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5. Electrochemical behaviour of aluminium in a magnesium phosphate binder

Déroulement de l’étude

| PAGE 18Journées Needs | 21 octobre 2014

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5. Electrochemical behaviour of aluminium in a magnesium phosphate binder

Pâtes de ciment phospho-magnésien et Portland : diagra mmes d’impédance

| PAGE 19Journées Needs | 21 octobre 2014

Evolution au cours du temps (Phospho-

magnésien)

Portland avec LiNO 3: impédance caractéristique d’un phénomène de corrosion

Phospho-magnésien avec LiNO 3: diminution de l’impedance pendant les 4 premiers jours puis

augmentation => Il est probable que la couche d’oxyde qui protège initialement Al soit progressivement

remplacée par l’aluminate de lithium, plus stable et protecteur

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5. Conclusion

Magnesium phosphate cements appear to be the most promising binders (amongthose tested) for the encapsulation of metallic aluminium

Corrosion of aluminium can be reduced still further by adding a corrosion inhibitor(lithium nitrate): Brevet Français , C.Cau dit Coumes, D.Lambertin, P.Antonucci, M.Charlot,« Liant et son utilisation pour le conditionnement de déchets contenant de l’aluminium métallique», N°FR3003252A1Critical parameters controlling the cement reactivity :

- type of MgO (calcination temperature, specific surface area)- type of filler used- MgO / KH2PO4 ratio- L/S ratio- type and amount of admixtures

Journées Needs | 21 octobre 2014

The electrochemical measurements (determination of the open circuit potential and electrochemical impedance spectroscopy) confirm that aluminum is corroded when it is encapsulated in a Portland cement paste, whereas it tends to a passive state in the magnesium phosphate binder

C. Cau Dit Coumes, D. Lambertin, H. Lahalle, P. Antonucci, C. Cannes, S. Delpech, Selection of a mineral binder with potentialities for the stabilization / solidification of aluminum metal, Journal of Nuclear Materials 453 [1-3] (2014) 31-40

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5. Prospects

Use of the electrochemical method developed in this project to study the encapsulation of other reactive metals

Analysis of the EIS data by using judicious equivalent electrical circuits to get more information on the aluminum corrosion (mechanism, rate)

Understanding of the influence of admixtures (H3BO3, LiNO3) on cementhydration

Design and characterization of an injection grout in view of blocking massive aluminum pieces

Journées Needs | 21 octobre 2014

3.3 m2 d’aluminium métal

CEA/DEN/DTCD/LP2CCEA/DEN/DTCD/LP2C

30L MKP+3.3 m 2 d’Al