Modélisation du couplage des transferts ioniques multi-espèces et initiation de la corrosion dans les matériaux cimentaires non saturés. Intégration de la lixiviation/précipitation des minéraux.

Coupling of Multi-Ion Transport and Corrosion Initiation in Unsaturated Cementitious Materials. Integration of Dissolution and Precipitation of Minerals

• Auteur / Autrice : Zine-Eddine Kribes
• Direction : Abdelkarim Ait-mokhtar
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2021
• Etablissement(s) : La Rochelle
• Ecole(s) doctorale(s) : EUCLIDE
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Sciences de l'Ingénieur pour l'environnement

Mots clés

Mots clés libres

Durabilité

Modélisation multi-espèces

Initiation de la corrosion

Partiellement saturés

Granulats béton recyclés

Transferts hydriques et de chaleur

Durability

Multi-species modeling

Initiation of corrosion

Partially saturated conditions

Recycled concrete aggregates

Moisture and heat transfer

Résumé

L'impact de la pénétration des ions chlorure sur le béton armé se manifeste par la dégradation de la couche qui protège les armatures en acier contre la corrosion ainsi que la diminution de la section d'armatures durant la corrosion. Ces ions chlorure peuvent provenir de l'intérieur du béton (granulats contaminés, adjuvants contenant des chlorures), ou principalement de l'environnement extérieur agressif (eau de mer, embruns marins, sels de déverglaçage, etc.). La prédiction de la durée de vie des structures dans ces environnements dépend de la maîtrise des mécanismes de transfert réactif des ions chlorure, aussi bien dans des conditions saturées (immersion complète) que dans des conditions insaturées (zone de marnage ou d'éclaboussures). Ce travail de thèse présente une étude numérique et expérimentale sur le transfert réactif multi-espèces et l'initiation de la corrosion dans les bétons armés saturés et partiellement saturés, contenant des granulats recyclés. Dans un premier temps, une modélisation multi-espèces de la migration des ions chlorure dans le béton saturé en cellule de migration est proposée, en évaluant l'effet (i) des réactions des électrodes qui sont responsables de l'électroneutralité du système lors de la migration, (ii) du choix du modèle d'isothermes de fixation des chlorures approprié au béton étudié, (iii) des interactions ion-ion et liquide-solide. Le modèle proposé pourrait être utilisé aussi pour simuler l'extraction électrochimique des chlorures dans les structures en béton armé, et permet d'optimiser la conception des dispositifs lorsque cette technique est utilisée dans la réparation des structures. Dans un second temps, un modèle du transfert ionique multi-espèces dans les matériaux cimentaires partiellement saturés est développé. En plus du transfert convectif, un couplage du transfert d'humidité et de chaleur est proposé en prenant comme moteur du transfert hydrique la pression de vapeur pour la phase vapeur et la pression capillaire pour la phase liquide. Ce modèle est appliqué à des bétons à base de granulats recyclés soumis à une ambiance marine en cycles d'humidification - séchage en laboratoire. Le modèle numérique est ensuite étendu à la prédiction de l'initiation de corrosion des bétons armés sous ces mêmes conditions. Enfin, une étude expérimentale a été menée sur la durabilité des bétons à faible teneur en clinker, contenant des additions minérales :filler calcaire, fumée de silice et cendres volantes, et à base de granulats recyclés. Plusieurs taux de remplacement des granulats naturels par des granulats recyclés ont été testés (0 %, 30 %, 60 %, 100 %) pour étudier la microstructure et le comportement des bétons les contenant dans les classes d'exposition XS1 à XS3. Cette étude a permis également d'enrichir le modèle en termes de données d'entrées et de conditions initiales, à savoir la porosité, la perméabilité aux gaz, le coefficient de diffusion effectif des chlorures, la distribution porale, les isothermes d'interaction chimique et les isothermes de sorption/désorption d'humidité.

The penetration of chloride ions through reinforced cementitious materials significantly impacts the degradation of the protective layer shielding steel reinforcements from corrosion, as well as the reduction in reinforcement cross-section during corrosion process. These chloride ions may originate from within the concrete (e.g., contaminated aggregates, chloride-containing admixtures) or predominantly from an aggressive external environment (e.g., seawater, tidal zones, marine aerosols, deicing salts). Predicting the service life of structures in such environments requires an in-depth understanding of reactive chloride ion transfer mechanisms, both under saturated (fully immersed) and unsaturated (tidal zone) conditions. This doctoral research presents a combined numerical and experimental investigation of reactive multi-species transport and corrosion initiation in saturated and partially saturated reinforced concretes containing recycled aggregates. Initially, a multi-species modeling approach for chloride ion migration in saturated concrete is proposed (migration test), assessing the influence of (i) electrode reactions responsible for system electroneutrality during a migration test, (ii) the choice of an appropriate model of chloride adsorption isotherm for the studied concrete, and (iii) ion-ion and liquid-solid interactions. The proposed model can also be employed to simulate the electrochemical extraction of chlorides from reinforced concrete structures, facilitating the optimization of equipment design for structural repair applications using this technique. Subsequently, a multi-species ionic transport model for partially saturated cementitious materials is developed. In addition to convective transport, the model integrates coupled moisture and heat transfer, where water vapor pressure drives the vapor phase and capillary pressure drives the liquid phase. This model is applied to recycled aggregate concrete subjected to marine environments under laboratory-controlled wetting-drying cycles. The numerical model is further extended to predict corrosion initiation in reinforced concrete under these conditions. Finally, an experimental study investigates the durability of low-clinker concretes containing mineral additives such as limestone filler, silica fume, and fly ash, along with recycled aggregates. Various replacement rates of natural aggregates with recycled aggregates (0%, 30%, 60%, and 100%) were studied to evaluate the microstructure and performance of these concretes under XS1 to XS3 exposure classes. This experimental work also enriched the model by providing input data and initial conditions, including porosity, gas permeability, effective chloride diffusion coefficient, pore-size distribution, chemical interaction isotherms, and moisture sorption/desorption isotherms.