Les effets couplés de la précipitation d'espèces secondaires sur le comportement mécanique et la dégradation chimique des bétons

par David Planel

Thèse de doctorat en Génie civil. Physicochimie des matériaux

Sous la direction de Jean-Michel Torrenti.

Soutenue en 2002

à l'Université de Marne-la-Vallée .


  • Résumé

    La problématique de l'attaque par les sulfates des matériaux à base de ciment demeure d'actualité dans le domaine du stockage des déchets radioactifs, puisque les eaux souterraines susceptibles de venir au contact du colis contiennent des teneurs en sulfates non négligeables (7-31 mmol/L). Ce mémoire contribue à l'étude des mécanismes de dégradation par les sulfates, à leur compréhension et à leur modélisation. Les phases expérimentales entreprises dans cette étude ont eu pour objectifs de mettre en évidence les différents phénomènes physico-chimiques présents lors d’une attaque sulfatique externe, de suivre leur évolution et leur impact sur les paramètres de transport et de prévoir le comportement mécanique du matériau. Des expériences de dégradation en eau pure et en milieu sulfaté (teneur en sulfates 15 mmol/l), sur pâte de ciment CPA (E/C 0,4), ont été menées en parallèle, afin de pouvoir comparer les résultats obtenus. L'analyse chimique régulière du lixiviat a mis en évidence une consommation de sulfates par la matrice proportionnelle à la racine carrée du temps. L'utilisation de la DRX sur les poudres, issues des "grattages" de la partie dégradée du matériau, a permis d'obtenir la zonation minéralogie associée à une exposition en milieu sulfaté de la pâte de ciment. L'emploi conjointement de la MEB et de la micro-sonde EDS est venu confirmer les profils obtenus par DRX et apporter une information capitale concernant l’état de fissuration et sa localisation. De plus, un suivi visuel de l'apparition de la fissuration et de son évolution est venu compléter les observations précédentes. A partir de ces résultats expérimentaux, une modélisation simplifiée de la dégradation chimique de la pâte de ciment, mise au contact d'un milieu sulfaté, a été proposée. Un code de géochimie, couplant la chimie en solution au transport réactif dans un milieu poreux a été utilisé. La modélisation mise en oeuvre prend en compte l’évolution des propriétés de transfert du matériau (diffusivité) avec la décalcification et la précipitation d’espèces secondaires (gypse, ettringite). Les résultats issus des calculs couplés chimie - transport ont alors été utilisés comme données d’entrée pour la modélisation du comportement mécanique des échantillons soumis à une attaque sulfatique. La loi de comportement utilisée pour notre étude est basée sur des concepts physiques comme la génération d’autocontraintes internes au béton engendrées par la précipitation de phases secondaires. Il prend en compte l’endommagement de façon anisotrope et prévoit l’apparition de la fissuration suivant des critères de rupture en traction, compression et associée à la précipitation de phases secondaires.

  • Titre traduit

    ˜The œcoupled effects of precipitation of secondary species on the mechanical behaviour and chemical degradation of concretes


  • Résumé

    Sulfate attack of cement-based materials remains an important problem for the durability assessment of containers and disposal engineering barriers dedicated to the long-term storage of radioactive wastes since underground water which may reach these elements contains small quantities of sulfates (7-31 mmol/l). This work contributes to the study of sulfate-induced damage mechanisms, to their understanding and modelling. The experimental phases of this study aimed at the understanding of the different physico-chemical phenomena involved during an external sulfate attack at following their evolution and their impact on the transport and mechanical properties of the material. Leaching experiments in pure water and in a solution of sodium sulfate (with a sulfate content of 15 mmol/l) , have been performed simultaneously on OPC paste (w/c 0,4)in order to allow a comparison of test results. The frequent analysis of the leachant has shown a consumption of sulfate ions by the matrix, proportional to the square rate of time. The use of X-Ray Diffraction on powders, obtained by « scraping » the calcium-depleted part of the samples, led a precise view of the cement paste mineralogy, during sulfate attack. The use of Scanning Electron Microscopy (SEM) and Energy Dispersive Spectrometer (EDS) confirmed the correctness of XRD profiles and brought important informations concerning cracking distribution and localisation. In addition, a visual monitoring of crack appearance and evolution completed the previous observations. Based on these experimental results, a simplified model accounting for the chemical degradation of cement paste in sulfated water has been proposed. A geochemical code, coupling the chemistry in solution with the reactive transport in porous media has been used for this purpose. The model accounts for the evolution of transport properties (diffusivity) associated with the calcium-depleting of the cement matrix and the precipitation of secondary phases (gypsum, ettringite) in the porous space. The results of the reactive transport calculations have then been used to model the mechanical behaviour of the samples subjected to a sulfate attack. The constitutive mechanical model used in this study, is based on physical concepts like the generation of internal auto-stresses in concrete, induced by the precipitation of secondary phases in the porous space. It accounts for anisotropic damage and assumes that cracking can appear depending on several thresholds associated with the behaviour of the material in tension, compression and related to internal stresses originating from secondary phases precipitation.

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Informations

  • Détails : 1 volume(iii-358 pages)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliographie dispersée

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  • Bibliothèque : Université Paris-Est Marne-la-Vallée. Bibliothèque.
  • Consultable sur place dans l'établissement demandeur
  • Cote : 2002 PLA 0131
  • Bibliothèque : Ecole nationale supérieure des mines. Centre de documentation et d'information.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 620.13 PLA (SPIN)
  • Bibliothèque : Ecole des Ponts ParisTech (Marne-la-Vallée, Seine-et-Marne). Bibliothèques de recherche.
  • Non disponible pour le PEB
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