Étude des interactions des ions sulfate et chlorure dans les matériaux cimentaires à faible teneur en carbone : une analyse multi-méthodes

Comprehensive Study on Sulfate and Chloride Ion Interactions in Low-Carbon Cementitious Materials: A Multi-Method Analysis

• Auteur / Autrice : Francois El inaty
• Direction : Othman Omikrine-metalssi, Mario Marchetti
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Génie Civil
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2022
• Etablissement(s) : Université Gustave Eiffel
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : UMR MCD - Unité Mixte de Recherche « Matériaux pour une Construction Durable »

Mots clés

Mots clés libres

Attaque Sulfatique Externe

Chlorures

Durabilité

Matériaux Cimentaires

Raman

Couplage

External Sulfate Attack

Chloride

Durability

Cementitious Materials

Raman

Coupling

Résumé

Les structures en béton armé (BA) jouent un rôle essentiel dans l'infrastructure moderne en raison de leur durabilité et de leur résistance. Cependant, elles sont sujettes à la détérioration causée par des facteurs environnementaux tels que la carbonatation, l'acide sulfurique et l'exposition aux ions sulfate et chlorure. Ces ions pénètrent la matrice cimentaire et peuvent provoquer des réactions chimiques compromettant l'intégrité structurelle du béton au fil du temps. Comprendre les mécanismes des attaques sulfate et chlorure, individuellement et en combinaison, est crucial pour atténuer leurs effets néfastes et améliorer la durabilité des structures en BA. Deux types distincts d'attaques sulfate sont couramment reconnus dans la littérature. L'attaque sulfate interne (ISA) provient des matériaux bruts eux-mêmes, tandis que l'attaque sulfate externe (ESA) implique le sulfate provenant de l'environnement externe, y compris les eaux souterraines et marines. L'ESA conduit à la formation d'ettringite et/ou de gypse, pouvant entraîner une expansion et des fissurations dans la matrice de béton. En ce qui concerne l'attaque par les ions chlorure, ces derniers jouent un rôle significatif dans la détérioration des structures en BA. Lorsque les ions chlorure pénètrent la matrice cimentaire, ils forment le sel de Friedel. Ce composé est responsable de l'initiation et de l'accélération de la corrosion des barres d'armature en acier (armatures) à l'intérieur du béton. Les produits de corrosion occupent un volume plus important que l'acier d'origine, entraînant une expansion progressive et des fissures du béton environnant au fil du temps. Les recherches actuelles mettent en lumière l'interaction complexe entre les ions sulfate et chlorure dans les matériaux cimentaires. Les études montrent que la présence de sulfate accélère la diffusion des ions chlorure, tandis que la présence de chlorure atténue l'attaque sulfate. Cependant, les résultats contradictoires concernant les effets de chaque attaque sur l'autre soulignent la nécessité de recherches supplémentaires. De plus, en réponse aux préoccupations environnementales, l'industrie de la construction se tourne de plus en plus vers des matériaux cimentaires à faible teneur en carbone et des matériaux cimentaires supplémentaires (MCS) tels que le laitier, le métakaolin, la fumée de silice et les cendres volantes. Ces matériaux offrent la promesse de réduire l'impact environnemental de la production de béton tout en améliorant potentiellement sa durabilité. Selon des études antérieures, les matériaux cimentaires à faible teneur en carbone, de plus en plus utilisés en réponse aux préoccupations environnementales, nécessitent des temps de cure plus longs - généralement 90 jours contre 28 jours pour le béton conventionnel. Cependant, les structures en BA offshore sont typiquement exposées à des environnements agressifs dès leur jeune âge sans bénéficier d'une cure appropriée, et il existe un manque d'études sur ce sujet. Cette thèse vise à approfondir la compréhension des interactions chimiques entre les ions sulfate et chlorure et leurs attaques couplées sur les matériaux cimentaires. Les objectifs incluent l'évaluation de la durabilité des matériaux cimentaires à faible teneur en carbone dans diverses conditions d'exposition et l'investigation du rôle du durcissement dans l'atténuation des effets combinés des ions sulfate et chlorure. De plus, elle explore l'utilisation de la spectroscopie Raman comme méthode rapide et facile pour évaluer les structures en BA dans de tels cas et développe également une méthode innovante pour obtenir le profil des ions sulfate dans les matériaux cimentaires.

Reinforced concrete (RC) structures play an essential role in modern infrastructure due to their durability and strength. However, they are subject to deterioration caused by environmental factors such as carbonation, sulfuric acid, and exposure to sulfate and chloride ions. These ions penetrate the cement matrix and can trigger chemical reactions that compromise the structural integrity of the concrete over time. Understanding the mechanisms of sulfate and chloride attacks, both individually and in combination, is crucial for mitigating their harmful effects and enhancing the durability of RC structures. Two distinct types of sulfate attacks are commonly recognized in the literature. Internal sulfate attack (ISA) originates from the raw materials themselves, while external sulfate attack (ESA) involves sulfate from the external environment, including groundwater and marine waters. ESA leads to the formation of ettringite and/or gypsum, which can cause expansion and cracking in the concrete matrix. Regarding chloride ion attack, these ions play a significant role in the deterioration of RC structures. When chloride ions penetrate the cement matrix, they form Friedel's salt. This compound is responsible for initiating and accelerating the corrosion of steel reinforcement bars (rebar) within the concrete. The corrosion products occupy a larger volume than the original steel, leading to progressive expansion and cracking of the surrounding concrete over time. Current research highlights the complex interaction between sulfate and chloride ions in cementitious materials. Studies show that the presence of sulfate accelerates the diffusion of chloride ions, while the presence of chloride mitigates the sulfate attack. However, contradictory results regarding the effects of each attack on the other underscore the need for further research. Additionally, in response to environmental concerns, the construction industry is increasingly turning to low-carbon cementitious materials and supplementary cementitious materials (SCMs) such as slag, metakaolin, silica fume, and fly ash. These materials promise to reduce the environmental impact of concrete production while potentially improving its durability. According to previous studies, low-carbon cementitious materials, increasingly used in response to environmental concerns, require longer curing times - typically 90 days compared to 28 days for conventional concrete. However, offshore RC structures are typically exposed to aggressive environments at an early age without proper curing, and there is a lack of studies on this topic. This thesis aims to deepen the understanding of the chemical interactions between sulfate and chloride ions and their combined attacks on cementitious materials. The objectives include evaluating the durability of low-carbon cementitious materials under various exposure conditions and investigating the role of curing in mitigating the combined effects of sulfate and chloride ions. Additionally, it explores the use of Raman spectroscopy as a quick and easy method to assess RC structures in such cases and develops an innovative method to obtain the sulfate ion profile in cementitious materials.