Carbonatation des matériaux cimentaires : étude de la diffusion du CO2

Carbonation of cementitious materials : study of CO2 diffusion

• Auteur / Autrice : Fabien Gendron
• Direction : Abdelkarim Ait-Mokhtar, Philippe Turcry
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 18/07/2019
• Etablissement(s) : La Rochelle
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Euclide (La Rochelle ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Sciences de l’Ingénieur pour l’Environnement (La Rochelle)
• Jury : Président / Présidente : Myriam Carcassès
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Abdelkarim Ait-Mokhtar, Philippe Turcry, Myriam Carcassès, Abdelhafid Khelidj, Jean-Michel Torrenti, Bruno Huet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Abdelhafid Khelidj, Jean-Michel Torrenti

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ciment de laitier

Dioxyde de carbone

Béton armé -- Carbonatation

Mots clés libres

Matériaux cimentaires

Carbonatation

Diffusion gazeuse

CO2

Durabilité

Laitier de haut-fourneau

Séchage

Modèle

Cementitious materials

Carbonation

Gaseous diffusion

CO2

Durability

Blast furnace slag

Drying

Model

Résumé

La carbonatation est une réaction chimique entre la matrice cimentaire et le dioxyde de carbone présent dans l’air qui va produire des carbonates de calcium et diminuer le pH de la solution interstitielle. Dans ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés à ce phénomène par le biais de la diffusion du CO2 qui a été relativement peu investiguée jusqu’à présent. Cependant, la maîtrise de la diffusion du CO2 dans les matériaux cimentaires est à n’en pas douter une des clés dans la conception des modèles de carbonatation utilisés pour garantir la durabilité des ouvrages, mais aussi pour contrôler le « piégeage » du CO2 dans le but de réduire le bilan carbone du cycle de vie des constructions en béton. Pour investiguer la diffusion et la carbonatation, nous nous sommes focalisés sur des pâtes de ciment et des mortiers, à différents rapports « eau sur liant », formulés avec un ciment Portland et avec un liant composé de laitier de haut fourneau complété par le ciment Portland. Pour mener à bien ces travaux, nous avons développé un dispositif expérimental pour mesurer le coefficient de diffusion du CO2. Des essais de diffusion ont d’abord été menés sur des échantillons secs puis sur des échantillons partiellement saturés en eau. Pour interpréter ces derniers, nous avons conçu un modèle de carbonatation qui se voulait relativement simple, ce qui nous a permis d’observer la réponse du matériau vis-à-vis des paramètres du modèle. Nous avons ainsi pu mettre en évidence la compétition entre la diffusion du CO2 et les réactions chimiques au cours des essais.

Carbonation is a chemical reaction between the cement matrix and the carbon dioxide in the air that will produce calcium carbonates and lower the pH of the interstitial solution. In this thesis, we are interested in this phenomenon through the diffusion of CO2 that has been relatively little investigated so far. However, mastering the diffusion of CO2 in cementitious materials is undoubtedly one of the keys in the design of carbonation models used to ensure the durability of structures, but also to control the "trapping" of CO2 in the aim to reduce the life cycle carbon footprint of concrete constructions. To investigate diffusion and carbonation, we focused on cement pastes and mortars, with different "water-to-binder" ratios, formulated with Portland cement and with a binder composed of blast furnace slag plus Portland cement. To carry out this work, we have developed an experimental device to measure the diffusion coefficient of CO2. Diffusion tests were first carried out on dry samples and then on partially saturated samples of water. To interpret these, we designed a model of carbonation that was meant to be relatively simple, which allowed us to observe the response of the material against the parameters of the model. We were able to highlight the competition between the diffusion of CO2 and the chemical reactions during the tests.