Modélisation du transport multi-espèces dans les matériaux cimentaires saturés ou non saturés et éventuellement carbonatés

Modelling of multi-species transport within possibly carbonated concrete in saturated or non saturated condition

• Auteur / Autrice : Xiaomeng Wang
• Direction : Véronique Baroghel-Bouny
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Structures et Matériaux
• Date : Soutenance le 27/04/2012
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Département Matériaux - MAT (Paris)
• Jury : Président / Présidente : Karen Scrivener
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Véronique Baroghel-Bouny, Lars-Olof Nilsson, Mickäel Thiery
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Abdelhafid Khelidj, Alain Sellier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sel

Coefficient de partage (chimie)

Durée de vie (ingénierie)

Béton -- Détérioration

Mots clés libres

Béton

Pénétration des ions chlorure

Modélisation

Transfert hydriques

Indicateur de durabilité

Analyse inverse

Concrete

Chloride penetration

Modelling

Moisure transport

Durability indicators

Inverse analysis

Résumé

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

As a part of the IFSTTAR's research project « Performance-based and probabilistic approach to the life cycle of reinforced concrete structures », this thesis focuses on the modelling of coupled ion-moisture transport through concrete which is possibly carbonated. A multi-species modelling platform, based on durability indicators and with different levels of sophistication, was used. In saturated conditions, ion transport was described by the Nernst-Plank equation and complemented by ion-matrix interaction isotherms. In unsaturated conditions, the advection of liquid and gas was described by the extended Darcy law. The influence of the chemical activity on the equilibrium between liquid water and water vapor, as well as the kinetics of the chloride binding, were included. The binding of alkali was also taken into account and its influence on the chloride penetration was investigated. As input data of the models, conventional durability indicators (porosity, intrinsic permeability for liquid water and for gas) were determined by direct measurement on different concretes made of ordinary Portland cement and containing high contents of supplementary cementing materials (fly ash and slag). An inverse method was implemented thanks to a routine which incorporates an optimization algorithm, allowing us to determine some complex properties (such as effective diffusion coefficient, binding isotherm parameters and intrinsic permeability to liquid water) from experimental results. The model for saturated conditions was validated by comparing the simulation results to experimental profiles obtained from chloride diffusion tests. Wetting tests, with saline solution or pure water followed by drying experiments, on sound concrete and possibly carbonated ones were led to verify the model for unsaturated conditions, as well as to highlight the influence of carbonation on the ion and moisture transport.In addition to a further understanding on the physico-chemical mechanisms related to the durability of concrete and the identification of durability indicators by inverse analysis, the platform allowed us to predict the transport of ions and moisture according to the complexity of the involved phenomena and the required level of sophistication. The relevance and the reliability of the modeling platform for transport were proved by the studies carried out