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THÈSE - Transferts dans les milieux poreux réactifs non saturés : application à la cicatrisation de fissure dans les matériaux cimentaires par carbonatation

 milieux poreux réactifs non saturés
Harifidy Ranaivomanana
Université Toulouse III - Paul Sabatier
Discipline ou spécialité : Génie Civil
Ecole doctorale : Mécanique Energétique Génie civil Procédés
Unité de recherche : Laboratoire Matériaux et Durabilité des Constructions
Directeurs de thèse : Jérôme Verdier et Alain Sellier

Table des matières

Résumé  
Abstract  
Introduction générale  
I- SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE  

I.A Hydratation et structuration des matériaux cimentaires 

I.A.1 Nomenclature dans le chimie des ciments  
I.A.2 Composition chimique et minéralogique de la pâte de ciment 
I.A.2.1 Composition du ciment anhydre  
I.A.2.2 Hydratation des phases anhydres du ciment Portland  
I.A.2.2.1 Hydratation des silicates  
I.A.2.2.2 Hydratation des aluminates (C3A et C4AF)
I.A.2.3 Caractéristiques physiques des hydrates
I.A.2.4 Réactivité des autres constituants du béton
I.A.2.4.1 Ajouts pouzzolaniques
I.A.2.4.2 Ajouts potentiellement hydrauliques 
I.A.3 Le degré d’hydratation  
I.A.4 Microstructure de la pâte de ciment  
I.A.4.1 Paramètres caractéristiques
I.A.4.1.1 La porosité 
I.A.4.1.2 La surface spécifique  
I.A.4.1.3 La distribution de taille des pores  
I.A.4.1.4 Autres paramètres 

I.B Le phénomène d’autocicatrisation des fissures dans les matériaux cimentaires  

I.B.1 Identification des phénomènes mis en jeu dans le processus de cicatrisation par carbonatation  
I.B.2 Les différents phénomènes gouvernant le processus de cicatrisation  
I.B.2.1 Les transferts hydriques dans les matériaux cimentaires  
I.B.2.1.1 L’eau dans la pâte de ciment  
I.B.2.1.2 Mécanismes de l’adsorption  
I.B.2.1.3 Mécanismes de la désorption
I.B.2.1.4 Description des modes de transfert de l’humidité
I.B.2.1.4.1 La perméation  
I.B.2.1.4.2 La diffusion  
I.B.2.1.5 Les isothermes de sorption/désorption d’eau  
I.B.2.1.5.1 Origines de l’hystérésis  
I.B.2.1.5.2 Modélisation des isothermes de sorption/désorption d’eau à partir de modèles physiques de réseau poreux  
I.B.2.1.6 Modélisation des transferts hydriques  
I.B.2.1.6.1 Hypothèses de base  
I.B.2.1.6.2 Equations constitutives du modèle 
I.B.2.1.6.3 Equation de transport de l’eau liquide 
I.B.2.1.6.4 Equation de transport des constituants gazeux 
I.B.2.1.6.5 Identification des paramètres de séchage 
I.B.2.1.6.6 Influence de la pression de gaz sur le séchage  
I.B.2.1.6.7 Conditions aux limites  
I.B.2.1.7 Conclusions . 
I.B.2.2 La décalcification des matériaux cimentaires  
I.B.2.2.1 Description du processus de lixiviation des matériaux cimentaires  
I.B.2.2.2 Facteurs influents  
I.B.2.2.2.1 Composition de la solution agressive  
I.B.2.2.3 Composition du matériau 
I.B.2.2.3.1 Nature du liant  
I.B.2.2.3.2 Présence des granulats  
I.B.2.2.4 Evolution de la microstructure 
I.B.2.2.5 Evolution des propriétés de transfert  
I.B.2.2.5.1 Evolution de la perméabilité au gaz  
I.B.2.2.5.2 Evolution de la perméabilité au liquide  
I.B.2.2.5.3 Evolution de la diffusivité  
I.B.2.2.6 Modélisation de la lixiviation des matériaux cimentaires 
I.B.2.3 La carbonatation des matériaux cimentaires
I.B.2.3.1 Mécanisme général
I.B.2.3.2 Facteurs influents
I.B.2.3.2.1 Influence des paramètres relatifs au matériau  
I.B.2.3.2.2 Influence des conditions d’exposition  
I.B.2.3.2.2.1 Influence de l’humidité relative  
I.B.2.3.2.2.2 Effet de la température .
I.B.2.3.2.2.3 Effet du taux de CO2
I.B.2.3.3 Effets de la carbonatation sur l’évolution de la microstructure  
I.B.2.3.4 Effets de la carbonatation sur les propriétés de transfert 
I.B.2.3.4.1 Effet sur la perméabilité au gaz   
I.B.2.3.4.2 Effet sur la perméabilité au liquide 
I.B.2.3.4.3 Effet sur les propriétés de diffusion 
I.B.2.3.4.4 Effet sur les isothermes de sorption d’eau 
I.B.2.3.5 Modélisation du processus de carbonatation 
I.B.2.3.5.1 Modèles analytiques de carbonatation  
I.B.2.3.5.2 Modèles numériques de carbonatation  
I.B.2.3.6 Conclusions  
I.B.3 Mise en évidence expérimentale du phénomène de cicatrisation par des essais de perméabilité sur matériaux fissurés  
I.B.3.1 Prédiction du débit de fuite dans le cas d’un essai de perméabilité au liquide  
I.B.3.2 Prédiction du débit de fuite dans le cas d’un essai de perméabilité au gaz  
I.B.3.3 Conclusions de la synthèse bibliographique  
II- PROTOCOLES EXPERIMENTAUX  
II.A Présentation des matériaux utilisés 
II.A.1 Nature des matériaux d’étude  
II.A.2 Compositions 
II.A.3 Procédures de coulage et mode de conservation  
II.A.3.1 Cas de la pâte  
II.A.3.2 Cas du béton 
II.A.4 Caractérisation des matériaux  
II.A.4.1 Matériaux à l’état frais 
II.A.4.1.1 Affaissement au cône d’Abrams
II.A.4.1.2 Mesure de la masse volumique apparente  
II.A.4.1.3 Mesure de la teneur en air occlus 
II.A.4.2 Matériaux à l’état durci
II.A.4.2.1 Caractéristiques mécaniques
II.A.4.2.1.1 Résistance en compression uniaxiale  
II.A.4.2.2 Caractéristiques physiques  
II.A.4.2.2.1 Porosité accessible à l’eau  
II.A.4.2.2.2 Perméabilité au liquide 
II.A.4.2.2.3 Perméabilité au gaz 
II.A.4.2.2.4 Porosimétrie au mercure 
II.A.4.2.2.5 Analyse thermogravimétrique 
II.A.4.2.2.6 Diffraction de rayons X  

II.B Essais relatifs aux différents phénomènes mis en jeu dans le processus de cicatrisation  

II.B.1 Cas des transferts hydriques : les isothermes de sorption/désorption d’eau 
II.B.2 Cas de la décalcification  
II.B.3 Cas de la carbonatation : essais de carbonatation accélérée 
II.B.4 Processus de cicatrisation des fissures dans les matériaux cimentaires : essais de percolation sur éprouvettes fissurées 
II.B.4.1 Création de la fissure et mesure de son ouverture 
II.B.4.2 Description du banc expérimental pour les essais de percolation à travers les éprouvettes fissurées 137
III- RESULTATS EXPERIMENTAUX  

III.A Essais de caractérisation des matériaux d’étude  

III.A.1 Matériaux à l’état frais  
III.A.2 Matériaux à l’état durci
III.A.3 Caractéristiques mécaniques  
III.A.3.1.1 Résistance en compression uniaxiale 
III.A.3.2 Caractéristiques physiques . 
III.A.3.2.1 Porosité accessible à l’eau et masse volumique apparente sèche 
III.A.3.2.2 Perméabilité au liquide  
III.A.3.2.3 Perméabilité au gaz  
III.A.3.2.4 Porosimétrie au mercure  

III.B Essais relatifs aux différents phénomènes mis en jeu dans la matrice cimentaire  

III.B.1 Cas des transferts hydriques : les isothermes de sorption et de désorption d’eau  III.B.1.1 Isothermes à 20°C  
III.B.1.1.1 Résultats sur bétons
III.B.1.1.1.1 Interprétation des courbes de suivi de masse  
III.B.1.1.1.2 Interprétation des résultats obtenus 
III.B.1.1.2 Résultats sur pâte 
III.B.1.2 Isothermes à 50°C
III.B.1.3 Isothermes à 80°C .
III.B.2 Cas de la décalcification : essais de lixiviation en eau déminéralisée à pH constant  
III.B.2.1 Evolution de la profondeur lixiviée et des quantités d’espèces lixiviées  
III.B.2.2 Evolutions de la microstructure et des propriétés de transfert sur la pâte de ciment lixiviée  
III.B.2.2.1 Porosité accessible à l’eau et masse volumique sèche  
III.B.2.2.2 Porosimétrie au mercure
III.B.2.2.3 Isotherme de sorption d’eau
III.B.3 Cas de la carbonatation  
III.B.3.1 Evolutions du processus de carbonatation  
III.B.3.1.1 Résultats sur bétons (AFPC-AFREM)  
III.B.3.1.2 Résultats sur pâtes 
III.B.3.2 Evolutions de la microstructure et des propriétés de transfert  
III.B.3.2.1 Porosité accessible et masse volumique apparente
III.B.3.2.2 Porosimétrie au mercure
III.B.3.2.3 Perméabilité à l’éthanol  
III.B.3.2.4 Perméabilité au gaz . 
III.B.3.2.5 Isothermes de sorption d’eau
III.B.4 Processus de cicatrisation d’une fissure dans les matériaux cimentaires : essais de percolation sur éprouvettes fissurées  
III.B.4.1 Percolation au liquide (solution chargée en carbonates) 
III.B.4.1.1 Evaluation du potentiel de cicatrisation en fonction des paramètres expérimentaux  
III.B.4.2 Caractérisation du processus de cicatrisation 
III.B.4.2.1 Mise en évidence de la précipitation de la calcite sur les surfaces de fissure  
III.B.4.2.1.1 Mise en évidence de la décalcification lors du processus de cicatrisation 
III.B.4.2.1.2 Analyse des dosages du percolat 
III.B.4.3 Percolation au gaz  
III.B.4.4 Conclusions
IV- MODELISATION  

IV.A Présentation du modèle physique de réseau poreux pour la prédiction des cycles hystérétiques dans un matériau cimentaire 

IV.A.1 Construction du modèle 
IV.A.1.1 Distribution idéalisée de la taille des pores
IV.A.1.2 Gestion de l’hystérésis  
IV.A.1.2.1 Connectivité des pores  
IV.A.1.2.2 Adsorption capillaire et condensation 
IV.A.1.2.3 Hystérésis 
IV.A.1.2.4 Mise en oeuvre numérique
IV.A.1.3 Calage du modèle  
IV.A.1.3.1 Calage des modes poreux associés aux pores des C-S-H et aux petits capillaires 245
IV.A.1.3.1.1 Cas d’un matériau à base de CEMI 
IV.A.1.3.1.2 Cas d’un matériau à base de ciment composé  
IV.A.1.3.2 Calage du mode associé aux gros capillaires  
IV.A.1.3.3 Calage du rayon critique  
IV.A.2 Validations du modèle  
IV.A.2.1 Commentaires  
IV.A.2.2 Etude de sensibilité des paramètres  
IV.A.2.2.1 Valeurs centrales des modes rC-S-H, rmoyen et rlarge 
IV.A.2.2.2 Valeur de l’amplitude δ  
IV.A.2.2.3 Valeur du rayon critique rcr  
IV.A.2.2.4 Effet du nombre de discrétisations de la distribution de taille des pores 
IV.A.3 Extensions du modèle  
IV.A.3.1 Modélisation des isothermes en température  
IV.A.3.1.1 Limites des équations précédentes  
IV.A.3.2 Modifications proposées au niveau du modèle pour la prédiction des isothermes en température  
IV.A.3.2.1 Réévaluation du troisième mode poreux 
IV.A.3.2.2 Amélioration de la connectivité au niveau des pores capillaires  
IV.A.3.2.3 Diminution plus significative du nombre de couches d’eau adsorbée 
IV.A.4 Modélisation des isothermes sur matériaux lixiviés  
IV.A.4.1 Rappel des résultats expérimentaux 
IV.A.4.2 Modifications proposées au niveau du modèle  
IV.A.5 Modélisation des isothermes sur matériaux carbonatés 
IV.A.5.1 Rappel des résultats expérimentaux 
IV.A.5.2 Modifications proposées au niveau du modèle  
IV.A.6 Prédiction des perméabilités relatives au liquide et au gaz 
IV.A.7 Estimation des surfaces spécifiques 

IV.B Validations des modèles élémentaires se rapportant aux interactions physico-chimiques mis en jeu dans le processus de cicatrisation  

IV.B.1 Modèle de séchage  
IV.B.1.1 Equations du séchage
IV.B.1.2 Conditions initiales et aux limites
IV.B.1.3 Résolution . 
IV.B.1.4 Commentaires  
IV.B.2 Modèle de décalcification en milieu saturé 
IV.B.2.1 Equation de la décalcification  
IV.B.2.2 Conditions initiales et aux limites 
IV.B.2.3 Résolution 
IV.B.2.4 Commentaires 
IV.C Conclusions de la partie modélisation .
Conclusions et perspectives
Références bibliographiques
Table des illustrations  
Annexes 

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Ditulis oleh: younes younes - jeudi 18 octobre 2012

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