Impact de la température sur la carbonatation des matériaux cimentaires : prise en compte des transferts hydriques

Effect of temperature on the drying and on the atmospheric carbonation of cementitious materials

• Auteur / Autrice : Emeline Drouet
• Direction : Jean-Michel Torrenti
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique, génie mécanique, génie civil
• Date : Soutenance le 18/11/2010
• Etablissement(s) : Cachan, Ecole normale supérieure
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pratiques (1998-2015 ; Cachan, Val-de-Marne)
• Jury : Président / Présidente : Myriam Carcassès
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rémi Barbarulo, Xavier Bourbon, Stéphane Poyet, Patrick Rougeau
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Véronique Baroghel-Bouny, Nicolas Burlion

Mots clés

Mots clés contrôlés

Séchage

Effets de la température

Béton

Ciment

Béton armé -- Carbonatation

Mots clés libres

Ciment

Carbonatation

Température

Transferts hydriques

Séchage

Couplage

Cement-based materials

Carbonation

Temperature

Moisture transfers

Drying

Coupling

Résumé

La carbonatation est une pathologie du béton armé qui peut engendrer la corrosion des armatures et à terme de la fissuration. Dans le cadre de la gestion des déchets radioactifs, les structures et les conteneurs seraient soumis simultanément à un échauffement (exothermie des déchets), au CO2 atmosphérique, ainsi qu'à un séchage important. Afin de rendre compte de leur évolution à l'échelle séculaire, les données actuelles relatives à la carbonatation à température ambiante doivent être complétées, d'une part par une description de la phénoménologie en température, et d'autre part, par la prise en compte de l'impact des transferts hydriques en température (séchage) sur la carbonatation en insaturé. Le travail présenté se focalise sur l’étude de la durabilité de quatre pâtes de ciment différentes dont deux sont directement dérivées des formulations de référence sélectionnées par l’Andra (CEM I et CEM V) et un mélange baspH. Le premier volet est dédié à l'étude des transferts hydriques reposant sur la conduite d'essais de désorption. Il a notamment permis la caractérisation des isothermes de désorption en température (20, 50et 80°C). L'impact thermique modifie les isothermes : la teneur en eau à l’équilibre chute avec la température et le point d'amorçage de la condensation capillaire est déplacé. Une phase de modélisation a conjointement été conduite en support aux expérimentations. L'utilisation de l'équation de Clausius-Clapeyron a permis de décrire l'effet de la température sur les isothermes (par la détermination de la chaleur isostérique d’adsorption de chacun des matériaux). Bien que l'impact de la température sur la microstructure des pâtes de ciment soit avéré, la prise en compte du déplacement des équilibres thermodynamiques suffit à restituer cet effet thermique sur les isothermes. La détermination des perméabilités intrinsèques par exploitation des cinétiques de désorption (par analyse inverse) a montré la thermoactivation du transport d'eau. La contribution de l'évolution de la microstructure en température ne peut-être négligée sur la perméabilité des matériaux.Le deuxième volet exploratoire, est consacré à l'étude de la carbonatation en température. Il repose sur la mise en place d'un dispositif de carbonatation spécifique (fonctionnement en température) et la conduite d'essais de carbonatation à HR et température contrôlées. La campagne de caractérisation (DRX et ATG)a conduit à l'obtention de profils de carbonatation caractéristiques de chaque couple (HR, Température).Les évolutions minéralogiques (décomposition des hydrates, distribution polymorphique du carbonate de calcium précipité) mises en évidence en température se rapprochent de celles identifiées à température ambiante. En revanche, il ressort que les conditions environnementales influencent significativement les proportions polymorphiques : plus l'HR est faible, plus les teneurs en phases métastables (vatérite,aragonite) sont élevées. Les réactions de dissolution-précipitation mises en jeu dans la transformation polymorphique (des états métastables vers la calcite) sont inhibées à faible HR, par manque de milieu réactionnel. La cinétique de carbonatation, également impactée par les conditions environnementales, est régie par la concurrence de l'effet thermique sur les transferts hydriques et sur la solubilité rétrograde des réactifs. Les profondeurs carbonatées sont maximales aux points d'amorçage de la condensation capillaire propres aux différents matériaux et à chaque température. Les profondeurs carbonatées augmentent avec la température jusqu'à une température limite, caractéristique de la formulation, au-delà de laquelle la solubilité rétrograde des réactifs deviendrait le facteur limitant.Cette phase de compréhension des mécanismes mis en jeu dans la carbonatation en température et de leur niveau de couplage effectuée, les modèles prédictifs de carbonatation en insaturé pourront être étendus à l'application en température. Les résultats de ce travail fournissent les données d'entrées et de validation nécessaires à la validation des simulations numériques.

Carbonation is the major cause of degradation of reinforced concrete structures. It leads to rebar corrosion and cracking of the concrete cover. In the framework of radioactive waste management, cement-based materials used as building material for structures or containers would be simultaneously submitted to heating (due to the waste thermal output), subsequent drying and atmospheric carbon dioxide. Such environmental conditions are expected to modify the carbonation mechanisms (with respect to temperature). In order to describe their long-term evolution of material, a double approach was developed, combining the description of carbonation and drying for temperatures up to 80°C to complement available data at ambient temperature. The present work focuses on the durability study off our hardened cement pastes; two of them are derived from the reference formulations selected by Andra(CEM I and CEM V) and a low-pH mix. The first experimental campaign focuses on moisture transfer. The effect of temperature on drying is investigated through water vapour desorption experiments. The first desorption isotherms of four hardened cement pastes was characterized at 20, 50 and 80°C. The results show a significant influence of the temperature. For a given relative humidity (RH) the water content equilibrium is always reduced temperature is increased and the starting point of capillary condensation is shifted towards higher RHs. The experimental campaign is complemented through modelling activities. The impact of temperature on the first desorption isotherms is effectively described using the Clausius-Clapeyron equation(characterization of the isosteric heat of adsorption). The intrinsic permeability to water is evaluated through inverse analysis by reprocessing the experimental weight loss of initially saturated samples submitted to constant environmental conditions. The intrinsic permeability appears to increase with temperature in relation to the observed microstructure evolution (porosity coarsening).The environmental conditions impact is studied using preconditioned samples (12 different RHs and 20,50 and 80°C) and accelerated carbonation tests. The latter are performed in a new device allowing accurate control of the environmental conditions as well as the carbon dioxide concentration. The carbonated depths and the mineralogical modifications induced by carbonation are assessed using XRDand TGA for each temperature and RH. Most of the mineralogical modifications notified in temperature(hydrates consumption and nature of crystallographic phase of calcium carbonate) are similar with these identified at ambient temperature. Yet the results show a significant influence of the environmental conditions on calcium carbonate polymorphic abundance: the lower the RH, the more abundant the metastable phases (vaterite and aragonite).The rate of the polymorphic transformation (from the metastable states into calcite by dissolution precipitation)is believed to decrease with RH because of lack of liquid water. A significant influence of the environmental conditions on the carbonation rate is also observed. It depends of the competition between the temperature effect on moisture transfer and retrograde solubility of reactants. Carbonation depths appear to be maximal at the RH-starting point of capillary condensation of each material and temperature. Carbonation depths increase with temperature until a limit of temperature characteristic of the material. Above this temperature, reactants solubility might control the main process.