Contribution à l'étude de la perméabilité des matériaux cimentaires : effects mécaniques, physique et chimiques

par Thai Hoa Nguyen

Thèse de doctorat en Génie civil

Sous la direction de William Prince Agbodjan.

Soutenue en 2012

à Rennes, INSA , dans le cadre de École doctorale Sciences de la matière (Rennes) , en partenariat avec Université européenne de Bretagne (autre partenaire) .


  • Résumé

    La perméabilité d’un matériau est définie comme son aptitude à se laisser traverser par un fluide sous un gradient de pression. Par son rôle de gouvernement du processus de pénétration des agents agressifs, la perméabilité joue un rôle important sur la durée de vie d’une structure d’un matériau cimentaire. Les objectifs de cette thèse sont d’étudier les propriétés de transfert des matériaux cimentaires travaillant dans les conditions défavorables (fluage, attaque physico-chimique, interface matériau vieux – matériau de réparation), de donner une meilleure connaissance du comportement à long terme de ces structures, d’améliorer la sécurité pour les usagers et diminuer le risque d’accidents pouvant avoir lieu au cours de la vie de l’ouvrage. Les propriétés mécaniques de l’interface matériau âgé – matériau de réparation a déjà été étudiée par plusieurs auteurs. Dans ce mémoire de thèse, nous nous sommes concentrés sur les propriétés de transfert et leur influence sur la durabilité du matériau. Nous avons mis en évidence que cette interface est plus poreuse, plus perméable et est une voie préférentielle de pénétration des agents agressifs. De plus, une concentration importante de portlandite dans cette zone la rend très sensible à une attaque chimique ou une carbonatation naturelle. Sous l’effet d’une charge mécanique instantanée, la propriété de transfert d’un matériau cimentaire évolue : si la charge est faible, la perméabilité peut diminuer grâce à la fermeture des fissures et des pores préexistants ; si la charge est assez grande, des nouvelles fissures apparaissent et provoquent une augmentation de la perméabilité. Dans cette étude, nous avons étudié, sous une charge maintenue, le processus de propagation des fissures sous-critiques. Notre étude montre que durant cette phase de fluage, la perméabilité augmente. La lixiviation par nitrate d’ammonium dégrade le matériau en fonction du temps, la profondeur de lixiviation est linéaire avec la racine de temps. En cas de couplage mécanique - chimique (avec une charge initiale faible de 25% de la charge maximale), le chargement mécanique peut, à court terme diminuer la pénétration des agents agressifs en refermant les fissures préexistantes. Toutefois, les réactions chimiques ont lieu de façon plus intense dans la zone atteinte. A long terme, en raison de l’augmentation du niveau de chargement dans la zone saine, des phénomènes identiques à ceux observés précédemment (fissures sous-critiques) peuvent apparaître. Le chargement mécanique va cette fois augmenter la pénétration des agents agressifs. En contrepartie, la réaction chimique est moins intense dans la zone dégradée. Le chargement mécanique a donc un effet significatif sur la dégradation chimique. Une étude théorique et numérique basée sur des modèles micro-mécaniques permet d’étudier les processus d’endommagement. Un matériau est pré-endommagé (endommagement thermique par exemple), présente une perte de résistance et de module mais un gain de ductilité. Lorsqu’il subit un chargement mécanique, le processus d’endommagement est différent : cela se traduit par un ralentissement de l’évolution de l’endommagement et conduit à une évolution de la perméabilité légèrement différente par rapport au matériau sain. L’étude théorique du fluage d’un matériau totalement sec montre que l’évolution de la perméabilité et de la déformation du fluage est expliquée par l’apparition des fissures sous-critiques. Il existe un seuil pour que ce phénomène ait lieu et ce seuil peut être trouvé par des essais expérimentaux.

  • Titre traduit

    Contribution to the study of the permeability of cimentaires materials


  • Résumé

    The permeability of a material is defined as its ability to let through a fluid under a pressure gradient. The permeability plays an important role on the penetration process of aggressive agents and thus the lifetime of a structure made of cementitious materials. The aims of this thesis are to study the transfer properties of cementitious materials working in adverse conditions (creep, attack physicochemical, transition zone of old material - repair material), to provide a better knowledge of the long-term behavior, to improve user safety and to reduce the risk of accidents that may occur during the structure lifetime. Mechanical properties of the interface of old material - repair material have been studied by several authors. In this thesis, we focused on the transfer properties and its influence on the durability of material. We pointed out that this interface is more porous, more permeable and is a preferred route for the penetration of aggressive agents. In addition, a significant concentration of portlandite in this area makes it very sensitive to chemical attack or natural carbonation. Under the effect of an instant mechanical load, the transfer properties of a cementitious material changes: if the load is high enough, new cracks will develop and cause an increase in permeability. Otherwise, the permeability may decrease due to the closure of preexisting cracks and pores. In this study, we have studied, under a constant load (creep), the process of propagation of subcritical crack. Our study shows that during this phase of creep, the permeability increases. Cementitious materials are damaged by calcium leaching by ammonium nitrate deteriorates with time. The depth of leaching is linear with square root of time. In case of a mechanical-chemical coupling (with a low initial load of 25% of maximum load), mechanical load reduces short-term penetration of aggressive agents by closing the pre-existing cracks. However, chemical reactions occur more intensely in the affected area. In long-term, due to the increased level of loading in the sound zone, a similar phenomenon to the subcritical cracks (in previous observations) can occur. This time, the mechanical load will increase the penetration of aggressive agents. By contrast, the chemical reaction is less intense in the degraded area. Thus, mechanical load has a significant effect on chemical degradation. A theoretical and numerical study based on micro-mechanical models allows to study the damage process. A pre-damaged material (thermal damage for example), presents a loss of strength and modulus but a gain of ductility. When subjected to a new mechanical load, its damage process is different: it results in the slowdown of damage’s evolution and leads to a change in the permeability which is slightly different from sound material. Theoretical study of creep of a totally dry material shows that the evolution of permeability and creep deformation is explained by the appearance of subcritical cracks. There is a threshold for this phenomenon to take place and that can be found by experimental tests.

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Informations

  • Détails : 1 vol. 166 p.
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr.p.153-158 (68 réf.). Index

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Institut National des Sciences Appliquées. Bibliothèque.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : THE NGU
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