Author: Thai Quang Nguyen
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Languages : fr
Pages : 250

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Cette thèse répond au besoin de mieux maîtriser la durabilité des structures en béton armé exposées aux embruns d.eau de mer ou aux projections de sels de déverglaçage, en proposant une modélisation de la pénétration des ions chlorure dans les matériaux cimentaires lors des cycles de séchage- imbibition. Ce modèle tient compte de la cristallisation des sels, de la fixation des ions chlorure par les constituants solides de la pâte de ciment et plus généralement des interactions physico- chimiques entre les ions et la matrice cimentaire. Ces dernières sont basées sur l’équilibre chimique de la solution interstitielle avec les aluminates tricalciques (C3A), la portlandite (Ca(OH)2), et les sels de Friedel (3CaO.Al2O3.CaCl2.10H2O) et l’adsorption des ions chlorure sur les feuillets de C-S- H par substitution des l’ion hydroxyle. Cette description physico-chimique des interactions a permis de mettre en évidence que les isothermes de fixation des ions chlorure, mesurés expérimentalement, sont l’addition d’une partie dépendant seulement des teneurs initiales en composants solides issues de l’hydratation du ciment et d’une partie dépendant seulement de la nature intrinsèque des C-S-H produits. La pertinence de cette description est démontrée en comparant les résultats du modèle avec ceux de nombreux d’essais effectués sur plusieurs matériaux en conditions saturées issus de la littérature. L’extension de ce modèle d’interaction aux conditions non saturées n’introduit aucune donnée supplémentaire. Le reste du travail l’a démontré à travers la modélisation et la simulation de nombreux essais de séchage, d’imbibition ou de cycles d’imbibition-séchage sur des matériaux de construction ou cimentaires de caractéristiques différentes. Cette dernière partie a permis de mettre en évidence plusieurs phénomènes importants à prendre en compte tels que l’effet de la force ionique de la solution sur les courbes capillaires du matériau ou le colmatage des pores dû à la cristallisation du chlorure de sodium. Enfin le modèle a servi à expliquer les mécanismes physiques à l’origine de certains phénomènes observés lors du séchage et de l’imbibition de matériaux poreux en présence de sels.

Author: Tarek Hocine
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Languages : fr
Pages : 231

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La corrosion induite par la pénétration des ions chlorure dans le matériau cimentaire demeure l’une des causes majeures de dégradation des ouvrages, leurs durabilités s’explique par la difficulté qu’ont les agents agressifs à pénétrer dans le réseau poreux. Cette thèse traite de l’étude de l’influence des phénomènes électrocapillaires à travers la double couche électrique (DCE) sur le transfert ionique en général et sur le transfert des ions chlorure en particulier dans les matériaux cimentaires. De nombreuses études de quantification de la DCE des constituants du ciment (clinker, C3S,...) ainsi que les hydrates, les C-S-H principalement, ont été réalisées, en revanche, les travaux concernant les matériaux cimentaires et de leurs composés sont peu nombreux. Dans un premier temps et afin d’identifier l’intensité de la charge de surface des parois des pores, des mesures du potentiel zêta ont été réalisées puis analysées sur les différents matériaux cimentaires (pâtes de ciment, mortiers et bétons) pour différentes classes de ciment : CEM I, II et V ainsi que les granulats. Ensuite, une étude d’identification de la microstructure des matériaux cimentaires a été réalisée par la technique de porosimétrie au mercure, par la suite, des essais de migration ont été effectués sur les pâtes de ciment, mortiers et bétons. Les évolutions du courant électrique sont présentées et exploitées afin de caractériser le transfert des ions chlorure au sein du réseau poreux. Enfin, un modèle numérique unidimensionnel et multi-espèces basé sur l’équation de Nernst-Planck intégrant les phénomènes de la DCE a été développé, la réactivité chimique du matériau cimentaire est prise en compte à travers les isothermes d’interaction. Ce modèle permet de simuler les processus de migration et de diffusion des ions chlorure à travers les matériaux cimentaires saturés suivant les deux cas ; avec et sans prise en compte de la DCE. Le traitement théorique de la DCE a été effectué à partir de la théorie de Poisson-Boltzmann. L’approche adoptée pour mettre en évidence l’influence de la double couche électrique a été de confronter les chronoampérométries expérimentales issues des essais de migration avec celles issues des simulations.

Author: Mickaël Saillio
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Languages : fr
Pages : 0

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La carbonatation atmosphérique et la pénétration des ions chlorures sont les principales causes du déclenchement de la corrosion des armatures dans les bétons armés. Chacun de ses mécanismes a fait l'objet de nombreuses études dans la bibliographie. Pourtant les études prenant en compte en même temps les deux types d'agression sont rares. Le couplage des deux phénomènes existe cependant. La carbonatation intervient en effet dans tout ouvrage dès le décoffrage et il suffit que cet ouvrage soit aussi par exemple situé à proximité d'eau de mer pour que les embruns apportent des ions chlorures dans le matériau. L'objectif de cette thèse a été de quantifier les différentes phases de la matrice cimentaire et ses capacités de fixation des ions chlorures par le biais d'isothermes d'interactions pour des matériaux sains et carbonatés. Ces isothermes d'interactions obtenues notamment par la méthode des équilibres ont permis de voir que les matrices partiellement ou totalement carbonatées fixaient moins d'ions chlorures que les matrices saines. L'utilisation de moyens complémentaires d'analyses tels que l'analyse thermogravimétrique (ATG), la diffraction des rayons X (DRX) et la résonance magnétique nucléaire (RMN) a permis de mieux comprendre cette perte de fixation. Une diminution des sels de Friedel et des chlorures fixés par les C-S-H a été ainsi mise en évidence dans les matériaux carbonatés. Ces diminutions qui on été quantifiées sont attribuées à une modification sous carbonatation des phases capables de fixer les ions chlorures (phases aluminates, sulfo-aluminates et C-S-H). Des différences au niveau du réseau poreux ont été également mises en évidence par la porosimétrie par intrusion de mercure (diminution de la macroporosité et de la connectivité en général pour les matrices carbonatées par formation de CaCO3). L'objectif a été aussi de corréler toutes ces modifications observées avec les propriétés de transport des ions qui ont été obtenues par des tests de diffusion et migration des ions chlorures (et/ou sulfates) ainsi que des mesures de résistivité électrique. Les résultats expérimentaux ont montré que le coefficient de diffusion apparent est plus grand dans les matériaux carbonatés. Certaines expériences de diffusion faites en présence à la fois d'ions chlorures et sulfates ont aussi montré la concurrence de ces deux ions pour se fixer à la matrice cimentaire. Les matériaux cimentaires testés (bétons et pâtes) ont été formulés sans ou avec additions minérales (métakaolin, cendres volantes, laitier) et les propriétés de ces matériaux ont été observées à différents âges.

Author: Marc Mainguy
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Languages : fr
Pages : 245

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LA DURABILITE DES STRUCTURES EN BETON DU GENIE CIVIL EST CONDITIONNEE PAR LA DIFFUSION D'ESPECES CHIMIQUES DANS LE RESEAU POREUX DU MATERIAU CIMENTAIRE. C'EST EN PARTICULIER LE CAS AVEC LE TRANSPORT DES IONS CHLORE DANS LES BETONS ET AVEC LA LIXIVIATION ET LE SECHAGE DES MATERIAUX A BASE DE CIMENT. DES MODELISATIONS DE CES PHENOMENES, BASEES SUR LA METHODE DES VOLUMES FINIS, SONT PRESENTEES DANS CE TRAVAIL DANS LE BUT DE FOURNIR DES OUTILS DE PREDICTION DE LA DEGRADATION DES MATERIAUX CIMENTAIRES. LA DEGRADATION CHIMIQUE D'UN MATERIAU POREUX EST D'ABORD ETUDIEE A PARTIR D'UN MODELE SIMPLIFIE DE DIFFUSION ET DE DISSOLUTION NON INSTANTANEE. DES SOLUTIONS ANALYTIQUES CORRESPONDANT A DES CAS LIMITES SONT COMPAREES A CELLES OBTENUES PAR UN SCHEMA NUMERIQUE DE VOLUMES FINIS. LA CONCORDANCE DES RESULTATS MONTRE QUE CETTE METHODE NUMERIQUE SIMULE PARFAITEMENT LA PROGRESSION DE FRONTS DE DISSOLUTION RAIDES. LE MODELE SIMPLIFIE EST ENSUITE ETENDU AU CAS DE LA LIXIVIATION D'UNE PATE DE CIMENT, PERMETTANT AINSI LA RESTITUTION DE RESULTATS EXPERIMENTAUX. LE TRANSPORT DES IONS CHLORE EST MODELISE PAR UNE EQUATION DE DIFFUSION-SORPTION. LE CAS D'UNE ISOTHERME DE FIXATION DE FREUNDLICH CONDUIT A UN FRONT DE PENETRATION DES CHLORURES, OBSERVE SUR DES RESULTATS EXPERIMENTAUX ET UNE SIMULATION NUMERIQUE. UNE MODELISATION DES TRANSFERTS HYDRIQUES EN MILIEU POREUX NON SATURE EST DECRITE DANS LA SECONDE PARTIE ET EST APPLIQUEE AU SECHAGE ISOTHERME DE MATERIAUX CIMENTAIRES FAIBLEMENT PERMEABLES. LA COMPARAISON ENTRE LES RESULTATS DE CETTE MODELISATION ET D'EXPERIENCES DE SECHAGE SUR BETONS ET PATES DE CIMENT PERMET L'IDENTIFICATION DU MODE DE TRANSFERT DE L'HUMIDITE DANS CES MATERIAUX. CE TRAVAIL DEBOUCHE SUR UNE METHODE DE CARACTERISATION DE LA PERMEABILITE A L'EAU DES BETONS FAIBLEMENT PERMEABLES, PARAMETRE DIFFICILEMENT ACCESSIBLE PAR LES MOYENS D'INVESTIGATION CLASSIQUES.

Author: OLIVIER.. FRANCY
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Languages : fr
Pages : 171

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L'OBJET DE CE TRAVAIL EST L'INFLUENCE DE LA TENEUR EN EAU ET DES TRANSFERTS D'HUMIDITE SUR LA PENETRATION DES IONS CHLORE DANS LES MORTIERS. UNE ETUDE THEORIQUE A CONDUIT A UN MODELE DE TRANSFERTS COUPLES IONS - HUMIDITE, BASE SUR LA THERMODYNAMIQUE DES MILIEUX POREUX, ET A SON INTEGRATION DANS UN CODE DE CALCUL EN LANGAGE C. D'AUTRE PART, UNE ETUDE EXPERIMENTALE A PERMIS D'ALIMENTER ET DE VALIDER LE MODELE. DANS CETTE DERNIERE, NOUS AVONS DETERMINE LES PARAMETRES DE TRANSFERT DES CONSTITUANTS (CHLORURES LIBRES ET FIXES, EAU LIQUIDE ET VAPEUR) ET NOUS AVONS QUANTIFIE LES DIFFERENTS CHANGEMENTS DE PHASES OU INTERACTIONS. LES PREMIERS RESULTATS CONCERNENT LA DIFFUSION DES IONS CHLORE EN MILIEU SATURE. ILS MONTRENT QUE LE COEFFICIENT DE DIFFUSION EST FONCTION DECROISSANTE DE LA CONCENTRATION DE LA SOLUTION ET QUE LA FIXATION DES CHLORURES PAR LA MATRICE EST NON LINEAIRE ET REVERSIBLE. EN OUTRE, L'ETUDE DE LA PRECIPITATION DE CHLORO-ALUMINATES SYNTHETIQUES A PROUVE LA PART PREPONDERANTE DE CE MODE DE FIXATION. LA SECONDE PARTIE EXPERIMENTALE A VISE A L'OBTENTION DES COEFFICIENTS DE TRANSFERT DE L'HUMIDITE, ET SURTOUT A CELLE DE LA PERMEABILITE A L'EAU LIQUIDE DES MATERIAUX. LA DIFFUSIVITE ET LES ISOTHERMES DE DESORPTION DE LA VAPEUR, EN RAISON DE LEUR OBTENTION AUSSI LONGUE QU'INCERTAINE, ONT ETE CHOISIES EN FONCTION DE MODELES EMPIRIQUES. NOUS NOUS SOMMES ENSUITE ATTACHES A EVALUER DE FACON SYSTEMATIQUE LES DIVERS COUPLAGES. L'INFLUENCE A COURT TERME DU CHLORE SUR LES TRANSFERTS D'HUMIDITE SE RESUME A UN ABAISSEMENT DU POTENTIEL CHIMIQUE DE L'EAU INTERSTITIELLE, LES EFFETS SUR LA VISCOSITE DU FLUIDE ET LA MICROSTRUCTURE DEMEURANT NEGLIGEABLES. PAR CONTRE, TENEUR EN EAU ET TRANSPORT D'HUMIDITE ONT UN EFFET NOTABLE SUR LES MOUVEMENTS DE CHLORE. L'EVOLUTION DE LEUR DIFFUSIVITE AVEC LA SATURATION, OBTENUE PAR SPECTROMETRIE D'IMPEDANCE, A MONTRE QUE LA DIFFUSION CESSE EN DESSOUS DE 50% DE TAUX DE SATURATION. DE PLUS, DES FLUX DE LIQUIDE IMPORTANTS S'AVERENT CAPABLES DE TRANSPORTER LES CHLORURES EN SOLUTION DE FACON RAPIDE, MAIS AUSSI DE GENER LEUR FIXATION PAR LE CIMENT. LE CODE DE CALCUL FOURNIT DES PREDICTIONS SATISFAISANTES A TOUS LES NIVEAUX, ET CE MALGRE UN NOMBRE TOUT A FAIT REDUIT DE PARAMETRES. CELA EN FAIT DONC UN OUTIL PREDICTIF RELATIVEMENT PERFORMANT, MOYENNANT QUELQUES ESSAIS SIMPLES ET RAPIDES DE CARACTERISATION.

Author: Xiaomeng Wang
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Languages : fr
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Dans le cadre du projet de recherche de l'IFSTTAR « Approche performantielle et probabiliste de la durée de vie des ouvrages en béton armé », la thèse porte sur la modélisation du transport couplé ions-humidité au travers de bétons éventuellement carbonatés. Une plate-forme de modélisation multi-espèces, qui est basée sur les indicateurs de durabilité et avec différents niveaux de sophistication, a été utilisée. En condition saturée, le transport des ions a été décrit par l'équation de Nernst-Plank et complété par des isothermes des interactions ions/matrice. En condition non saturée, l'advection des phases liquides et gazeuses a été décrite par la loi de Darcy généralisée. L'influence de l'activité chimique sur l'équilibre entre l'eau liquide et vapeur d'eau, ainsi que la cinétique de fixation des ions chlorure ont été prise en compte dans les modèles. La fixation des ions alcalins a été également prise en compte, son influence sur le transport des ions chlorure a été étudiée. Les indicateurs de durabilité (porosité, perméabilité intrinsèque à l'eau et aux gaz) servant comme données d'entrée des modèles ont été déterminés par des mesures directes sur des bétons à base de ciment ordinaire et avec des fortes teneurs en additions minérales (cendres volantes et laitiers). Une méthode d'analyse inverse a été mise en œuvre à partir d'une routine qui intègre un algorithme d'optimisation qui nous a permis de déterminer les propriétés des matériaux plus complexes (coefficient effectif de diffusion, paramètres d'isotherme de fixation et perméabilité intrinsèque à l'eau) à partir des résultats d'essais. Le modèle pour des conditions saturées a été validé par des comparaisons entre des profils de chlorure issus des essais de diffusion et des profils de simulation. Des essais de séchage-imbibition avec une solution saline ou de l'eau pure sur les bétons sains et éventuellement carbonatés ont été réalisés pour valider le modèle en condition non saturée, ainsi que pour mettre en évidence l'influence de la carbonatation sur le transport des ions et sur les transferts hydriques. Outre la compréhension des mécanismes physico-chimiques liés à la durabilité des bétons et détermination des indicateurs de durabilité par analyse inverse, la plate-forme nous permet de prédire le transport des ions et d'humidité suivant la complexité des phénomènes et le niveau de sophistication exigé. Les études menées ont mise en évidence la pertinence et la fiabilité de la plate-forme de modélisation physico-chimique.

Author: Mahfoud Tahlaiti
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Languages : fr
Pages : 163

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La corrosion des armatures est une des causes principales de la dégradation des structures en béton armé en Europe. Plus particulièrement en zones côtières, où les ions chlore, présents dans l’eau de mer, ont clairement été identifiés comme étant l'élément déclencheur du processus chimique menant à la corrosion. Dans ce contexte, la détermination de cette valeur critique d’amorçage de la corrosion et le temps correspondant sont des éléments clés de la prédiction de la duré de vie des matériaux. Dans ce travail, quatre types de bétons armés ordinaires (C15, C22, C4 et C30) ont été placés dans trois environnements différents : une zone de marnage au port de La Rochelle, un simulateur de marnage avec une solution saline (0,5M NaCl) conçu au laboratoire où les conditions d’exposition sont contrôlées et une cellule de migration où un champ électrique a été appliqué afin d’accélérer la pénétration des chlorures. Des mesures électrochimiques (spectroscopie d’impédance électrochimique SIE, potentiel de corrosion et résistance de polarisation) ont été réalisées afin de suivre le processus de transport aboutissant à la corrosion. Une étude de caractérisation des matériaux a été réalisée dans le but de relever les propriétés de transfert de chaque béton. La description morphologique (MEB Microscopie Electronique et EDXA Energy Dispersive X-ray Analysis) de l’interface acier-béton a apporté des compléments sur la microstructure et les mécanismes physico-chimiques mis en jeu. Enfin, un modèle numérique unidimensionnel et multi-espèces de transport des chlorures, basé sur l’équation de Nernst-Planck, a été développé. La réactivité chimique du matériau cimentaire est prise en compte à travers les isothermes d’interaction.

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Languages : en
Pages : 212

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Here the problem of ionic species transport through concrete porous media has been documented. Chloride ions penetration in cementitious materials is one of the processes widely responsible for the degradation of concrete structures. Here, a one-dimensional model based on a multi-species approach of the ionic transport is presented. It is the new version of a previous model MsDiff developed a few years ago in our group [TRU 00] that describes the diffusion of ionic species with the Nernst-Planck equation instead of Fick's laws. With a multi-species approach, it is possible to take into account the interactions existing among different ionic species in pore solution of concrete. The numerical scheme of the model is based on finite difference method with Crank-Nickolson and Law-Wendroff techniques. In order to run MsDiff, we need an input data. Several experiments were performed accordingly to provide experimental feedback to MsDiff. Standard immersion tests were conducted to validate the outcomes of MsDiff. Special attention is given to the diffusion coefficients of the ions and the interactions between the ionic species and the solid phase. In addition to MsDiff, some other existing models were also tried for the sake of comparison with the experimental chloride profiles. Certain experimentation was conducted to watch the effect of exposure period, concrete age at exposure and concentration in the environmental solution. In the end, the simulations were performed with MsDiff in order to calculate the chloride-induced corrosion initiation time using the experimental data already achieved while making use of different criteria adopted by different research groups.

Author: Rim Ragoug
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Languages : fr
Pages : 0

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Les structures en bétons sont souvent exposées dès le jeune âge du matériau à des milieux pouvant être agressifs pour leur durabilité. En effet, dans certains cas, ces structures sont directement au contact d'une eau de mer riche en ions chlorure et sulfate. L'attaque sulfatique affecte surtout la pâte de ciment par des mécanismes physico-chimiques complexes et couplées entrainant la ruine mécanique, souvent liée à l'expansion par la formation de produits expansifs tels que le l'ettringite et le gypse. Les ions chlorure peuvent engendrer une corrosion des armatures Ces deux pathologies sont largement étudiées dans la littérature. Cependant, l'ASE est encore sujette à controverses, ce qui peut expliquer l'absence d'un essai normé européen. La prédiction de la durée de vie des ouvrages dans des conditions couplant le jeune âge, la prise en compte des ions sulfate et chlorure ainsi que le pH du milieu peut être très complexe. Dans ce contexte, nous avons tout d'abord comme finalité avec cette étude de proposer un essai le plus représentatif possible des conditions d'exposition réelles, particulièrement dans le cas de l'ASE. L'attention est portée sur les effets de la cure dans les aspects physico-chimiques de l'ASE, du transfert et l'interaction de la matrice cimentaire avec les ions chlorure en conditions saturées et de de semi-immersion et l'effet d'un environnement couplant ces ions délétères sur les évolutions de la microstructure des pâtes de ciment jeune et mature à base de ciment Portland, de type CEM I et un ciment mélangé au laitier, de type CEM III/A. Le couplage de plusieurs techniques d'analyses expérimentales a permis la prise en compte de l'aspect physique du transport ionique, et l'aspect chimique par quantification de la microstructure avant et après la contamination par les éventuels ions. Cette quantification est réalisée en couplant plusieurs méthodes expérimentales comme les analyses thermiques ATG/ATD et la Résonance Magnétique Nucléaire (RMN de l'27Al et RMN du 29Si). Dans le cas de l'ASE, ces analyses ont montré à la fois l'effet neutre de la cure sur la propagation des ions sulfate dans la matrice et l'effet important sur les mécanismes de fixation chimique entre les ions sulfates apportées par la solution et les hydrates de la pâte de ciment. Ces essais ont aussi mis en évidence l'effet néfaste de l'exposition dès le jeune âge à la solution de sulfate de sodium dans le cas des pâtes de ciment au laitier. A l'inverse la cure saine longue dans l'eau a un effet négatif vis-à-vis de la résistance l'ASE des pâtes de ciment Portland. La compétition ionique dans le cas du couplage est mise en évidence. Cette compétition a un effet mitigé quant au transport et la fixation des ions chlorure. La capacité de fixation des ions est plus grande dans le cas du ciment CEM III/A, en présence ou non d'ions sulfate.Mots Clés: pâte de ciment, attaque sulfatique externe (ASE), jeune âge, chlorure, couplage ionique, RMN 29 Si et RMN 27Al, ATG/ATD, ICP.

Author: Hassan Sleiman
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Languages : fr
Pages : 257

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Book Description
La dégradation des structures en béton armé par la corrosion des aciers est l'une des principales causes de la réduction de la durée de vie des ouvrages. La corrosion est due à la pénétration des chlorures qui peuvent atteindre les armatures par les fissures ou par la porosité. Le transport ionique dans la solution interstitielle des matériaux cimentaires dépend de l'état de saturation de ces matériaux. Le cas non saturé reflète plus la réalité des ouvrages marins, même s'il est moins abordé dans la littérature. L'objectif principal de ce travail est de proposer un modèle de transfert qui tient compte du couplage du transfert d'humidité et des ions de la solution interstitielle des matériaux cimentaires. Le travail est divisé en trois parties principales: la première est consacrée à l'approche théorique du problème pour établir les équations permettant de décrire le transfert ionique dans les matériaux insatures. La deuxième partie est numérique, elle consiste à résoudre les équations traduisant le transport ionique au sein du matériau soumis à une ambiance marine en cycles d'humidification et de séchage. La dernière partie est expérimentale, elle est consacrée d'une part à la mesure des paramètres d'entrée du modèle et d'autre part à sa validation. Cette dernière est réalisée pour le cas d'un matériau en situation de marnage. Le modèle est également confronté à des résultats expérimentaux de la littérature concernant des mesures d'imbibition - séchage obtenu sur des mortiers.