Etude expérimentale de la diffusion du CO2 et des cinétiques de carbonatation de matériaux cimentaires à faible dosage en clinker

Experimental study of CO2 diffusion and carbonation kinetics of cementitious materials with low clinker content

• Auteur / Autrice : Diatto Kevin Namoulniara
• Direction : Abdelkarim Ait-Mokhtar
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 11/09/2015
• Etablissement(s) : La Rochelle
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Sciences de l’Ingénieur pour l’Environnement (La Rochelle)
• Jury : Président / Présidente : Abdelhafid Khelidj
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Abdelkarim Ait-Mokhtar, Abdelhafid Khelidj, Jena Jeong, Jean-Michel Torrenti, Jamal M. Khatib, Othman Omikrine Metalssi, Philippe Turcry
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jena Jeong, Jean-Michel Torrenti

Mots clés

Mots clés contrôlés

Laitiers (métallurgie)

Clinkers (ciments)

Béton armé -- Carbonatation

Mots clés libres

Matériaux cimentaires

Carbonatation

Diffusion gazeuse

Laitier de haut fourneau

Cementitious materials

Carbonation

Gas diffusion

Blast furnace slag

Résumé

Une solution pour réduire l’impact environnemental du béton est de substituer une partie du ciment par des additions minérales, comme le laitier de hauts fourneaux. Néanmoins, cette substitution ne doit pas réduire les performances du matériau vis-à-vis de la carbonatation, l’un des principaux phénomènes de vieillissement des structures en béton armé. La carbonatation est une réaction chimique entre la matrice cimentaire et le dioxyde de carbone présent dans l’air. Cette réaction, en plus de former du carbonate de calcium, diminue le pH de la solution interstitielle rendant ainsi les armatures vulnérables à la corrosion. Les essais accélérés de carbonatation montrent, en laboratoire, une grande disparité de comportements entre matériaux cimentaires très faiblement poreux à hautes performances mécaniques et matériaux plus poreux en usage dans les ouvrages courants. L’objectif de cette thèse est de mieux comprendre le phénomène de carbonatation des matériaux cimentaires, notamment ceux contenant du laitier de hauts-fourneaux. Nous avons procédé en découplant les phénomènes impliqués dans la carbonatation que sont la diffusion gazeuse, les réactions chimiques et les transferts hydriques (séchage). La première partie de ces travaux de thèse a nécessité le développement et la validation d’un dispositif de mesure expérimental du coefficient de diffusion du CO2. Ce dernier a permis une étude paramétrique sur pâtes mettant en évidence l’influence de la composition et de la carbonatation sur la diffusion. La seconde partie a porté sur l’étude des cinétiques de carbonatation de pâtes en fonction du degré de saturation, après une mise à l’équilibre hydrique sur une longue période. Ces cinétiques ont été étudiées, sur échantillons de faibles dimensions, au moyen d’un suivi des évolutions pondérales et d’analyses thermogravimétriques, pour l’identification des hydrates résiduels et des carbonates formés. Nous avons ainsi mis en évidence des différences de comportement des hydrates et des liants vis-à-vis de la carbonatation impliquant la microstructure du matériau.

One solution for reducing the environmental impact of concrete is to substitute a part of cement by mineral additions, such as granulated blast furnace slag. However, this substitution should not reduce the performances of concrete with respect to carbonation, one of the main ageing phenomena of reinforced concrete structures. Carbonation is a chemical reaction between the cement matrix and the carbon dioxide from the atmosphere. In addition to the formation of calcium carbonate, this reaction results in a pH reduction of the pore solution and a risk of corrosion. Laboratory accelerated tests show a wide disparity between the carbonation resistance of high mechanical performances concretes with low porosity and the resistance of more porous and more usual ones. The objective of this thesis is to better understand the phenomenon of carbonation of cementitious materials, including those containing blast furnace slags. This work was carried out by decoupling the phenomena involved in carbonation that are gaseous diffusion, chemical reactions and water transfers. First, an experimental device for measuring the CO2 diffusion coefficient was developed. After validation, the latter was used in a parametric study carried out on cement pastes showing the influence of composition and carbonation on the diffusion coefficient. The second part of the thesis work focused on studying the kinetics of carbonation of pastes with respect to the degree of water saturation. Prior to carbonation, the studied pastes were conserved during a long period at various RH to achieve hydric equilibrium. The carbonation kinetics of small size samples of pastes was studied by means of monitoring of weight changes and thermogravimetric analyzes for identification of residual hydrates and formed carbonates. We have thus shown differences in behavior of hydrates and binders during carbonation involving the material microstructure.