Attaque sulfatique externe des matériaux cimentaires sous actions environnementales complexes : expérimentations et modélisation

External sulfate attack of cement-based materials under complex environmental actions : experiments and modelling

• Auteur / Autrice : Bo Ran
• Direction : Teddy Fen Chong
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Civil
• Date : Soutenance le 07/12/2022
• Etablissement(s) : Université Gustave Eiffel en cotutelle avec Qing hua da xue (Pékin)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre d'études et d'expertise sur les risques, l'environnement, la mobilité et l'aménagement (France). Direction technique Territoires et ville - Centre d'études et d'expertise sur les risques, l'environnement, la mobilité et l'aménagement (France)
• Jury : Président / Présidente : Xiaohui Cheng
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Qiang Zeng, Antonin Fabbri, Othman Omikrine Metalssi, Kefei Li
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Qiang Zeng, Antonin Fabbri

Mots clés

Mots clés contrôlés

Béton -- Détérioration

Cristallisation

Matériaux poreux

Effets de l'environnement

Ciment

Sulfates

Mots clés libres

Attaque sulfate

Actions combinées

Cinétique

Cristallisation des pores

Écaillage

Sulfate attack

Combined actions

Kinetics

Pore crystallization

Spalling

Résumé

L'attaque sulfatique externe (ASE) est l'une des principales préoccupations concernant la durabilité des matériaux cimentaires soumis à des sulfates environnementaux. L'ASE est généralement accompagnée d'autres actions agressives, telles que les chlorures et la lixiviation, dans l'environnement naturel, ce qui entraine des endommagements plus complexes que ceux d'une seule ASE. Ce travail a pour but d'étudier les mécanismes d'endommagement des matériaux cimentaires sous l'effet de l'ESA avec et sans les actions combinées, et de proposer des modèles scientifiques pour les applications d'ingénierie. Dans cette étude, les échantillons de poudre préparés à partir de pâte de ciment ont été immergés dans différentes solutions de sulphate, et la teneur en ettringite (AFt) a ensuite été quantifiée à un temps d'exposition donné pour étudier la cinétique de formation de l'ettringite. Ensuite, des échantillons de tranches de 2mm d'épaisseur ont été exposés à différentes solutions de sulphate, et les évolutions de la teneur en AFt, de la structure des pores, de la diffusivité de la vapeur et de l'expansion du matériau ont été mesurées pour étudier le processus de cristallisation de l'AFt dans les pores et son effet sur les propriétés de transport et l'expansion du matériau. Enfin, des échantillons de disque ont été immergés into différentes solutions de sulphate, et les profils de sulphate, le transfert de masse et la caractéristique de fissuration ont été examinés à différents temps d'exposition pour étudier l'endommagement de matériaux cimentaires sous ESA. A l'aide des résultats expérimentaux, un modèle chimio-poromécanique a été proposé pour prédire les endommagements causés par l'action combinée de l'ESA et des chlorures, et un modèle de taux d'écaillage pour prédire l'écaillage du matériaux cimentaires sous l'action combinée de l'ESA et de la lixiviation.Les résultats clés de cette étude sont les suivants. (1) Pour la production de l'AFt, une concentration élevée de sulphate et le DEF l'accélèrent mais les chlorures la ralentissent. Une relation exponentielle entre le taux de formation d'AFt et sa sursaturation a été adoptée et l'ordre exponentiel a été ajusté à 1,90. (2) Les cristaux d'AFt formés dans les micropores (5-40nm) ferment puis rouvrent le col des pores de type ''bouteille d'encre'', ce qui entraine une réduction puis une augmentation de la diffusivité de la vapeur, respectivement. Les chlorures atténuent la cristallisation des pores mais le DEF l'accélère. (3) L'endommagement des matériaux cimentaires sous les actions combinées de l'ESA et de la lixiviation se présente sous forme de l'écaillage et le gypse s'est avéré être un product spécial dans ces actions combinées. Les chlorures et le DEF atténuent et accélèrent respectivement la pénétration des sulphates, l'expansion du matériau et la fissuration. (4) Les dilatations simulées de l'ESA par le modèle chimio-poromécanique montrent un bon concord avec les mesures expérimentales. Ce modèle interprète les effets des concentrations en chlorures et sulphates sur le taux d'expansion de l'ESA comme la variation de la sursaturation en AFt et de la pression de cristallisation. (5) A travers le modèle de taux d'écaillage, une relation proportionnelle entre la profondeur d'écaillage et la racine carrée du temps d'exposition est prédite et validée par les mesures de la profondeur de fissuration. Une analyse paramétrique montre l'impact primordial de la teneur en aluminate et de la diffusivité du sulphate sur le taux d'endommagement. Le modèle donne des prédictions conservatrices, mais ses résultats sont néanmoins utiles pour le dimensionnement de durabilité en ingénierie

External sulfate attack (ESA) is one of the major concerns for the durability of cement-based material (CBM) subjected to the sulfate-bearing conditions. The ESA is usually accompanied by other aggressive actions, such as chlorides and leaching, in natural environment, resulting in a complicated damage mechanisms than those of a single ESA. This work aims to study the mechanisms of the damage of CBM under ESA with and without the combined actions, and to propose scientific models for engineering applications.In this study, powder samples prepared from cement paste were immersed into different sulfate solutions, and the ettringite (AFt) content was then quantified at given exposure time to investigate the kinetics of ettringite formation. Then, 2mm thickness slice specimens were exposed to different sulfate solutions, and the evolutions of AFt content, pore structure, vapour diffusivity and material expansion were measured to investigate the pore AFt crystallization process and its effect on transport property and material expansion. Finally, disk specimens were immersed into different sulfate solutions, and the sulfates profiles, the mass transfer and cracking pattern were examined at different exposure time to investigate the damage pattern of CBM under ESA. Based on the results of these experimental research, a chemo-poromechanical model to predict the expansion damage of CBM under the combined ESA and chlorides actions, and a spalling rate model to predict the spalling damage of CBM under the combined ESA and leaching actions were proposed.The key findings based on the above studies include: (1) For the AFt formation, high sulfate concentration and DEF accelerate it but the chlorides decelerate it. An exponential relation between the AFt formation rate and the AFt supersaturation was adopted and the exponential order was fitted as 1.90. (2) The AFt crystals formed in micropores (5-40nm) close and then reopen the neck-part of ''ink-bottle'' pores, resulting in a reduction and subsequent increase in the vapour diffusivity, respectively. The chlorides mitigate the pore crystallization process but DEF accelerate it. (3) The damage pattern of CBM under the combined ESA and leaching actions was found to be a spalling pattern and gypsum is found to be a special product in this combined actions. The chlorides and DEF respectively mitigate and accelerate the sulfate ingress, material expansion and cracking. (4) The simulated ESA expansions through the chemo-poromechanical model show good agreement with the experimental measurements in this study and literature. This model interprets the effects of chlorides and sulfate concentration on ESA expansion rate as the variation of the AFt supersaturation and the crystallization pressure. (5) In the spalling rate model, a proportional relation between the spalling depth and the square root of the exposure time is predicted and validated through the measurements of cracking depth in this study and literature. A parametric analysis shows the foremost impact of aluminate content and sulfate diffusivity on damage rate. The main assumptions in models lead to conservative predictions, but yet the model results are meaningful for engineering use