Détermination expérimentale de la double couche électrique et étude de son influence sur le transfert des ions chlorure dans les matériaux cimentaires

Experimental determination of the Electrical Double Layer and study of its influence on the transfer of chloride ions in cement based materials

• Auteur / Autrice : Tarek Hocine
• Direction : Abdelkarim Ait-Mokhtar
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : La Rochelle

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diffusion (physique)

Simulation par ordinateur

Chlorures

Potentiel zêta

Couche double électrique

Mots clés libres

Matériaux cimentaires

Multi-espèces

Résumé

La corrosion induite par la pénétration des ions chlorure dans le matériau cimentaire demeure l’une des causes majeures de dégradation des ouvrages, leurs durabilités s’explique par la difficulté qu’ont les agents agressifs à pénétrer dans le réseau poreux. Cette thèse traite de l’étude de l’influence des phénomènes électrocapillaires à travers la double couche électrique (DCE) sur le transfert ionique en général et sur le transfert des ions chlorure en particulier dans les matériaux cimentaires. De nombreuses études de quantification de la DCE des constituants du ciment (clinker, C3S,. . . ) ainsi que les hydrates, les C-S-H principalement, ont été réalisées, en revanche, les travaux concernant les matériaux cimentaires et de leurs composés sont peu nombreux. Dans un premier temps et afin d’identifier l’intensité de la charge de surface des parois des pores, des mesures du potentiel zêta ont été réalisées puis analysées sur les différents matériaux cimentaires (pâtes de ciment, mortiers et bétons) pour différentes classes de ciment : CEM I, II et V ainsi que les granulats. Ensuite, une étude d’identification de la microstructure des matériaux cimentaires a été réalisée par la technique de porosimétrie au mercure, par la suite, des essais de migration ont été effectués sur les pâtes de ciment, mortiers et bétons. Les évolutions du courant électrique sont présentées et exploitées afin de caractériser le transfert des ions chlorure au sein du réseau poreux. Enfin, un modèle numérique unidimensionnel et multi-espèces basé sur l’équation de Nernst-Planck intégrant les phénomènes de la DCE a été développé, la réactivité chimique du matériau cimentaire est prise en compte à travers les isothermes d’interaction. Ce modèle permet de simuler les processus de migration et de diffusion des ions chlorure à travers les matériaux cimentaires saturés suivant les deux cas ; avec et sans prise en compte de la DCE. Le traitement théorique de la DCE a été effectué à partir de la théorie de Poisson-Boltzmann. L’approche adoptée pour mettre en évidence l’influence de la double couche électrique a été de confronter les chronoampérométries expérimentales issues des essais de migration avec celles issues des simulations.

The corrosion induced by the penetration of the chloride ions in cement based materials remains one of the major causes of degradation of the structures, their durability is explained by the difficulty which have the aggressive agents to penetrate in the porous medium. This thesis treats the study of the influence of the electrocapillary phenomena through the electric double layer (EDL) on the ionic transfer in general and the transfer of the chloride ions in particular in cement based materials. Several studies on quantification of the EDL of the components of cement (clinker, C3S…) as well as the hydrates, the C-S-H mainly, were carried out, on the other hand, studies concerning cement based materials and their compounds are very few. At first to identify the surface charge of the walls of pores, measurements of zeta potential were performed then analysed on the different cement based materials (cement pastes, mortars and concretes) for various cement classes ; CEM I, II and V as well as aggregates. Then, a study of identification of the microstructure of cement based materials was carried out by the mercury intrusion porosimetry technique. Thereafter, the migration tests were performed on the cement pastes, mortars and concretes. The evolutions of the electrical current are presented and used in order to characterize the transfer of chloride ions within the porous medium. Finally, a one-dimensional numerical model and multi-species based on the Nernst-Plank equation integrating EDL phenomena was developed, the chemical reactivity of the cement based materials is taken into account through the adsorptions isotherms. This model allows simulating the diffusion and migration processes of chloride ions across saturated cement based materials according to the both cases; with and without taking into account of the EDL effect. The theoretical treatment of the EDL was performed from Poisson-Boltzmann theory. The adopted approach to highlight the influence of the electric double layer was to compare experimental chronoamperometry resulting from the migration tests with those simulated.