Etude de l'hydratation et du couplage carbonatation-échanges hydriques dans les mortiers et les bétons

The study of hydratation and the coupling of carbonation and moisture exchanges in the mortars and concretes

• Auteur / Autrice : Mohamed Mounir Yazid Delmi
• Direction : Paul Dumargue
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance en 2004
• Etablissement(s) : La Rochelle

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydratation

Béton

Béton -- Détérioration

Résumé

La carbonatation est une pathologie qui affecte les matériaux à base de ciment tels que les mortiers et les bétons. Les zones carbonatées du matériau deviennent fragiles et le pH de la solution interstitielle chute d'une valeur de 13 (pH du béton sain) à une valeur avoisinant 9 (pH du béton carbonaté). Ces zones perdent ainsi leur pouvoir de protection des aciers contre la corrosion. Les produits de corrosion engendrent alors un gonflement, donc une dégradation du béton aboutissant à la ruine de la structure. L'objectif de ce travail de thèse est l'étude du couplage de la carbonatation et des échanges hydriques entre les matériaux cimentaires et leurs ambiances d'exposition. Au préalable, nous avons proposé une modélisation de l'interaction entre l'hydratation et l'évolution de la porosité des matériaux cimentaires. Les cinétiques d'hydratation prédites par le modèle ont été validées sur des mortiers par l'analyse d'images acquises par microscope électronique à balayage (MEB). Les porosités calculées ont été confrontées à celles mesurées par porosimétrie à mercure. Les résultats obtenus par ce modèle, principalement les quantités des produits carbonatables et la porosité du matériau, ont été exploités pour l'étude du couplage de la carbonatation avec les échanges hydriques dans un matériau hydraté. En fonction du préconditionnement des matériaux avant leur carbonatation, trois configurations ont été simulées : carbonatation accélérée et humidification du matériau, carbonatation accélérée sans échanges hydriques, carbonatation accélérée et séchage du matériau. Les résultats des simulations numériques concernent les évolutions de la porosité, du carbonate de calcium (produit de carbonatation) et de la teneur en eau volumique durant le couplage carbonatation et échanges hydriques. D'autres sorties du modèle ont été exploitées pour le calcul du pH théorique dans la solution interstitielle du matériau cimentaire. Les profondeurs de carbonatation prédites sont déduites à partir des valeurs de pH calculées. Ces profondeurs ont été comparées à celles mesurées par un indicateur coloré (phénolphtaleine) après une carbonatation artificielle. Les résultats expérimentaux et les simulations montrent que les matériaux préconditionnés à de faibles humidités relatives (HR=25%) sont ceux qui se carbonatent plus rapidement. Ces résultats traduisent l'importance du rôle du transport hydrique dans les cinétiques de carbonatation.

Carbonation is a pathology, which affects cementitious materials. The carbonated material becomes fragile and the pH of the interstitial solution falls from a value of 13 (pH of the non-carbonated material) to a value around 9 (pH of the carbonated material). Then, the material loses its capacity to protect the reinforced steel against corrosion. The products of corrosion generate a swelling that induces the materials degradation leading to the ruin of the structure. The aim of this work is the modelling of the coupling between carbonation process and moisture exchanges between cement-based materials and their ambience of exposure. Firstly, a model for the interaction between hydration and the evolution of the porosity was proposed. Simulations of hydration rates were compared to the experimental ones obtained by scanning electron microscope (SEM) images analyses. The theoretical evolution in time of the porosity was checked against mercury intrusion porosimetry (MIP) results. These results were then used in the modelling of the coupling carbonation – moisture exchanges. According to the conservation of these materials before their carbonation, three cases were simulated : accelerated carbonation and humidification of the material, accelerated carbonation without moisture exchanges, accelerated carbonation and drying of the material. Numerical simulations give the evolutions of porosity, calcium carbonate (product of carbonation) and relative water content in the material during the coupling carbonation – moisture exchanges. Other model outputs were used for the theoretical pH calculation in the interstitial solution of the cementitious material. The predicted depths of carbonation were deduced from the calculated values of pH. They were compared with those measured by a phenolphthalein spraying after submitting materials to an accelerated carbonation. The experimental results and simulations show that the carbonation depths are the highest for the materials equilibrated at low relative humidities (HR=25%) before carbonation. These results highlight the importance of including moisture transport effect when predicting carbonation kinetics in cement-based materials.