Modification des propriétés mécaniques et de transfert aux interfaces de b&tons bas-pH, induites par l'attaque sulfatiques et la carbonatation.

Mechanical and transfert properties modifications on low-pH concrete's interfaces induced by sulfate attack and carbonation.

• Auteur / Autrice : Delphine Lesquerbault
• Direction : Céline Perlot, Christian La Borderie
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 18/05/2021
• Etablissement(s) : Pau
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences exactes et leurs applications (Pau, Pyrénées Atlantiques ; 1995-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : aboratoire des Sciences de l'Ingénieur Appliquées à la Mécanique et au génie Electrique
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Agence nationale pour la gestion des déchets radioactifs (France)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Xavier Bourbon, Luc Courard, Emmanuel Rozière
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Catherine A. Davy, Laurie Lacarrière

Mots clés

Mots clés contrôlés

Béton armé -- Carbonatation

Stockage

Déchets radioactifs

Mots clés libres

Béton bas-pH

Carbonatation sous eau

Attaque couplée externe

Microstructure

Propriétés de transfert

Propriétés mécaniques

Propriétés d'interface

Modélisation

Low-pH concrete

Underwater carbonation

External sulfate attack

Microstructure

Transfert properties

Mecanic properties

Interface properties

Modelling

Résumé

C travail de thèse s’inscrit dans le cadre du projet Cigéo de l’Andra, projet français de centre de stockage profond de déchets radioactifs. Il traite plus particulièrement de la durabilité du béton spécifiquement formulé pour la fermeture des structures : un béton à faible chaleur d’hydratation et bas-pH (FCH/bas pH). Au contact des argilites de la formation souterraine, de pH inférieur à celui du béton et riches en carbonates et sulfates, des interactions chimiques entre les deux matériaux peuvent conduire à des dégradations de ces deux matériaux en interface. Le programme expérimental est construit de manière à étudier le comportement de cette interface et plus particulièrement de vérifier l’évolution mécanique de ce béton FCH/bas-pH soumis à une carbonatation sous eau et une attaque sulfatique couplées, en analysant les modifications des propriétés induites par ces attaques.Des échantillons de bétons FCH/bas-pH sont immergés dans trois solutions agressives riches en carbonates (carbonatation sous eau), sulfates (attaque sulfatique externe) et carbonates et sulfates (attaque couplée), pendant des durées allant jusqu’à 12 mois. Le fait d’étudier de manière découplée la carbonatation sous eau et l’attaque sulfatique permet de comprendre le mécanisme réactionnel et les effets de chaque attaque prises séparément avant d’analyser les conséquences des phénomènes couplés. Les effets des attaques sont identifiés d’après la comparaison des caractéristiques chimiques et physiques obtenues pour les éprouvettes immergées avec celles du béton de référence. Les caractéristiques obtenues à différentes échéances permettent d’évaluer l’influence des attaques dans le temps.Pour préciser la modification de la matrice cimentaire, des analyses minéralogiques (DRX) sont effectuées ainsi que la caractérisation de la microstructure à différentes échelles de porosité (adsorption de gaz, porosité accessible à l’eau). L’influence des attaques sur les propriétés de transfert est étudiée au travers de mesures d’imbibition et d’absorption capillaire, de perméabilité au gaz et de diffusion des ions chlorure. En terme de propriétés mécaniques, sont évaluées la résistance en compression et flexion et l’énergie de fissuration. Pour finir, les modifications des rugosités surfaciques et le comportement en cisaillement direct sont mesurées et sont quantifiées. Les résultats obtenus expérimentalement serviront de données d’entrée au modèle de diffusion réalisés sous Cast3M.Les résultats ont montré que de la calcite précipite lorsqu’il y a des carbonates en solution, mais aucun sulfoaluminate de calcium n’est visible par DRX même après 6 mois d’attaque sulfatique externe. Les bétons FCH/bas pH semblent donc résistants à l’attaque sulfatique. Ces bétons montrent une porosité accessible à l’eau et des surfaces spécifiques BET qui tend à s’ouvrir pour la carbonatation, mais qui diminuent en présence de sulfates (attaque sulfatique externe et attaque couplée). Les propriétés de transfert ne présentent pas d’évolution significative. La résistance en compression a tendance à augmenter avec la carbonatation mais à diminuer pour les attaques sulfatique et couplée. La résistance à la flexion diminue avec la carbonatation mais augmente avec les attaques sulfatique et couplées. L’énergie de fissuration augmente après 6 mois d’attaque (attaques par carbonatation, sulfatique et couplée). La rugosité des échantillons ne semble pas être influencée par les attaques chimiques. Cependant, la résistance au cisaillement augmente à la suite des attaques simples, mais ne semble pas évoluer à la suite de l’attaque couplée. Le modèle de diffusion permet de modéliser la profondeur de carbonatation dans le temps.

This thesis work is part of the Cigéo project lead by Andra, the French project for a deep radioactive wastes disposal centre. It deals more particularly with the durability of concrete specifically formulated for the closure of structures: a concrete with low hydration heat and low pH (LHH/low-pH). In contact with the argillites of the underground formation, which present a lower pH than the concrete’s one, and are rich in carbonates and sulphates, chemical interactions between the two materials can lead to degradation of these two materials at their interface. The experimental program is designed to study the behaviour of this interface and more particularly to verify the mechanical evolution of the LHH/low-pH concrete subjected to coupled underwater carbonation and sulphate attack, by analysing the changes in properties induced by these attacks.Samples of LHH/low-pH concrete are immersed in three aggressive solutions: 1/ rich in carbonates (underwater carbonation), 2/ sulphates (external sulphate attack) and 3/ carbonates and sulphates (coupled attack), for several periods up to 12 months. The decoupled study of underwater carbonation and sulphate attack allows us to understand the reaction mechanism and the effects of each attack taken separately before studying the consequences of the coupled phenomena. The effects of the attacks are identified by comparing the chemical and physical characteristics obtained for the immersed specimens with those of the reference concrete kept in water. The characteristics obtained for different period of immersion make it possible to evaluate the influence of the attacks over time.To specify the modifications of the cement matrix, mineralogical analyses (XRD) are carried out as well as the characterisation of the microstructure at different porosity scales (nitrogen adsorption, porosity accessible to water). The influence of the attacks on the transfer properties is studied through measurements of imbibition and capillary absorption, gas permeability and chloride ion diffusion. In terms of mechanical properties, compressive and flexural strengths and cracking energy are evaluated. Finally, changes in surface roughness and direct shear behaviour are measured and quantified. The results obtained experimentally will be used as input data for the diffusion carried out under Cast3M software.The results showed that calcite precipitates in presence of carbonates in solution, but no calcium sulfoaluminate could be identified by XRD even for an attack period of 6 months. LHH/low pH concretes therefore appear to be resistant to sulphate attack. These concretes show porosity accessible to water and BET surfaces that tend to open with carbonation, but which decrease in the presence of sulphates (external sulphate attack and coupled attack). The transfer properties do not show any significant evolution. Compressive strength tends to increase with carbonation but decreases for sulphate and coupled attacks. Flexural strength decreases with carbonation but increases with sulphate and coupled attacks. Cracking energy increases after 6 months of attack (carbonation, sulphate and coupled attacks). The roughness of the samples does not seem to be influenced by chemical attacks. However, the shear strength increases following single attack but does not seem to change following coupled attack. The diffusion model allows to model the depth of degradation over time.