Coefficient de diffusion du CO2 de pâtes de ciment - étude expérimentale de l'influence de la nature du liant et d'une carbonatation accélérée

Le principal constituant des ouvrages en béton armé est le ciment Portland qui se compose lui-même en grande partie de clinker. Ce dernier est produit lors d'un processus industriel énergivore et très émetteur de gaz à effet de serre. L'utilisation de sous-produits industriels, comme les laitiers de haut fourneau, en substitution partielle du ciment Portland, permet de réduire significativement l'impact environnemental des bétons. Cependant, il convient de vérifier que la substitution du ciment Portland par des additions minérales ne réduit pas la durabilité des ouvrages en béton armé en deçà de l'exigence normative. Parmi les phénomènes de vieillissement des structures, la carbonatation est sans doute le plus courant, car il résulte de la fixation du dioxyde de carbone atmosphérique engendrant une baisse du pH de la matrice cimentaire et un risque de corrosion des armatures en acier. Une manière d'évaluer la durabilité du béton armé consiste donc à modéliser le processus de carbonatation pour prédire son comportement à long terme. Le coefficient de diffusion effectif du CO2 gazeux est l'un des paramètres clés pour modéliser la carbonatation. En effet, le phénomène est contrôlé par la diffusion du gaz dans la porosité du matériau. Dans les modèles de la littérature, ce coefficient provient de relations empiriques déduites de données expérimentales, qui ont été obtenues principalement par des essais de diffusion gazeuse sur des échantillons à base de ciment Portland. Dans le cas de matériaux contenant des additions minérales, la relation entre coefficient de diffusion et différents paramètres microstructuraux (porosité, degré de saturation en eau) est a priori différente de celle calibrée pour des matériaux à base de ciment Portland. La finalité de nos travaux est de modéliser le coefficient de diffusion du CO2 dans les bétons à fort taux de substitution en laitier de haut fourneau. Pour cela, un montage expérimental a été développé par le LaSIE pour déterminer le coefficient de diffusion effectif du CO2 sur des matériaux cimentaires (pâtes, mortiers). Cette cellule de diffusion se compose de deux chambres assemblées par vissage et séparées par l'échantillon étudié. En maintenant une concentration constante dans la chambre amont, on mesure en continu à l'aide d'une sonde l'évolution de la concentration en CO2 dans la chambre aval. Le coefficient de diffusion du CO2 est déduit d'une analyse inverse en résolvant la seconde loi de Fick, pour un régime non stationnaire, dans le cas où le matériau aura été préalablement séché. Dans le cadre de la présente étude, différentes compositions de pâtes ont été testées, pour 3 rapports E/C, avec ou sans substitution du ciment par un laitier de haut fourneau. Après une conservation sous eau de 2 mois, une partie des échantillons a subi une carbonatation accélérée. Notre objectif est de mettre en évidence l'influence, en plus de la nature du liant, d'une carbonatation sur la diffusion. Au préalable des essais de diffusion, tous les échantillons ont été séchés en étuve à 80 °C. Nos premiers résultats montrent que des additions telles que les laitiers de haut fourneau entrainent des résultats bien différents de ceux obtenus dans le cas du ciment Portland. Il semble donc qu'un modèle universel, exprimant par exemple le coefficient de diffusion en fonction de la porosité, ne suffit pas à prédire la propriété de transfert de ces différents matériaux. Par ailleurs, au-delà de l'influence du liant, la carbonatation a elle-même un effet non négligeable sur la structure poreuse et donc sur la diffusivité

Investigation expérimentale de l'influence de l'état hydrique sur la cinétique de carbonatation accélérée de pâtes de ciment

La carbonatation par fixation du CO2 atmosphérique est l'un des vieillissements les plus courants des structures en béton armé. La prédiction de la durée de vie d'un ouvrage soumis à la carbonatation passe par la modélisation des deux phénomènes : la diffusion du CO2 gazeux et les réactions chimiques entre CO2 et matrice cimentaire. Nous nous intéressons ici à l'influence de l'état hydrique du matériau sur la cinétique apparente de ces dernières. Si l'influence de l'humidité sur la carbonatation est connue, beaucoup d'études ont été réalisées sur des ciments Portland et peu pour des liants à faible teneur en clinker. En outre, les contradictions entre certains résultats de la littérature résident dans les différences de traitements appliqués aux matériaux au préalable de la carbonatation. De fait, atteindre un équilibre hydrique entre matériau et ambiance avant carbonatation est une condition sine qua non pour pouvoir étudier correctement l'influence des conditions hydriques. Dans le souci de satisfaire cette condition, nous avons mené des expérimentations sur des échantillons de pâtes de ciment de faibles dimensions, placées à différentes humidités relatives sur une longue période. Une fois l'équilibre atteint, ces échantillons ont été soumis à une carbonatation accélérée à la même hygrométrie. Deux pâtes ont été étudiées : l'une contenant un ciment CEMI, l'autre un mélange de laitier de haut fourneau et de CEMI. Cette campagne expérimentale, associant suivis de masse et analyses thermogravimétriques (ATG), nous a fourni des informations sur la cinétique de carbonatation, supposée contrôlée par les réactions chimiques et non par la diffusion gazeuse. A cette échelle, la diffusion du CO2 a un temps caractéristique très faible au regard de la cinétique de carbonatation observée. - Une bonne corrélation entre prise de masse et variation de concentration en CO2 a été observée pour la pâte au CEMI. Au contraire, l'évolution massique de la pâte au laitier n'est pas uniquement due à la fixation du CO2 mais également à un séchage, à cause de modifications des propriétés microstructurales et de cinétiques chimiques plus lentes. - Une bonne corrélation a été observée entre les variations de concentration de portlandite et celles des carbonates, sans influence notable de l'état hydrique ni du temps. Pour la pâte au CEMI, les carbonates de calcium formés proviennent en majorité de la portlandite, qui se carbonate environ 10 fois plus vite que les CSH. Pour la pâte au laitier, les carbonates sont formés en majorité à partir des CSH. Dans ce matériau, Ca(OH)2 et CSH se carbonatent avec des cinétiques apparentes proches. Les carbonates des deux pâtes présentent des morphologies bien différentes. - Le degré de carbonatation est beaucoup plus élevé pour la pâte au laitier que pour la pâte au CEMI. L'influence de l'état hydrique est plus faible pour la pâte au laitier. - A partir de l'évolution des concentrations en CO2, nous avons montré l'influence du degré de saturation initiale sur la vitesse de production de carbonates. Ces vitesses sont inférieures à celles issues d'un modèle calé sur des données de carbonatation accélérée. Si les données acquises lors de cette campagne expérimentale sont intéressantes et la méthode d'investigation prometteuse, cette dernière devra encore être améliorée. L'état de carbonatation des échantillons, notamment sa répartition spatiale, pourra être étudié au moyen d'autres techniques, comme la diffraction de rayons X, qui permettrait de mettre en évidence la manière dont progresse la carbonatation

Experimental investigation of the variability of concrete durability properties

One of the main objectives of the APPLET project was to quantify the variability of concrete properties to allow for a probabilistic performance-based approach regarding the service lifetime prediction of concrete structures. The characterization of concrete variability was the subject of an experimental program which included a significant number of tests allowing the characterization of durability indicators or performance tests. Two construction sites were selected from which concrete specimens were periodically taken and tested by the different project partners. The obtained results (mechanical behavior, chloride migration, accelerated carbonation, gas permeability, desorption isotherms, porosity) are discussed and a statistical analysis was performed to characterize these results through appropriate probability density functions

Reinforced Concretes of Tomorrow: Corrosion Behaviour according to Exposure Classes

Reinforced concrete is the most widely used building material but its durability in terms of concrete cover performance and corrosion of steel rebar is still a key point to be studied. To address this topic, within the frame of the national project PERFDUB, two series of eleven reinforced concrete specimens (with metric dimensions) were cast with innovative concrete mixes representative of the French experience, two shapes of rebar and two concrete covers. Then, these specimens were exposed in two natural exposure sites, one in Epernon for carbonation (XC4) and a second one in La Rochelle in the Atlantic Ocean in a tidal zone for chloride ions (XS3m). Their corrosion was carried out using non-destructive testing. In addition, in order to follow the corrosion evolution more accurately in a continuous way, two series of three specimens were casted with embedded sensors and were exposed in two other outdoor sites in Marne-la-Vallée (XC4) and in Eqiom facility (XS3e). The first results of this 20-year project in terms of corrosion of these reinforced concrete specimens obtained with laboratory and field equipment and with monitoring are presented in this paper

Investigating Crack Initiation and Propagation of Concrete in Restrained Shrinkage Circular/Elliptical Ring Test

The restrained ring test, which is recommended by AASHTO and ASTM, has been used for assessing the potential of early-age cracking of concrete and other cement-based materials. Recently, a novel elliptical ring test method has been proposed to replace the circular ring test method for the purpose of shortening ring test duration and observing crack initiation and propagation more conveniently. In order to explore the mechanism of this novel test method, a numerical model is developed to analyze crack initiation and propagation process in restrained concrete rings, in which the effect of concrete shrinkage is simulated by a fictitious temperature drop applied on concrete causing the same strain as that induced by shrinkage. First, an elastic analysis is conducted to obtain the circumferential stress contour of a concrete ring subject to restrained shrinkage. Combined with the fictitious crack model, a fracture mechanics method is introduced to determine crack initiation and propagation, in which crack resistance caused by cohesive force acting on fracture process zone is considered. Finite element analysis is carried out to simulate the evolution of stress intensity factor in restrained concrete rings subject to circumferential drying. Cracking age and position of a series of circular/elliptical concrete rings are obtained from numerical analyses which agree reasonably well with experimental results. It is found that the sudden drop of steel strain observed in the restrained ring test represents the onset of unstable crack propagation rather than crack initiation. The results given by the AASHTO/ASTM restrained ring test actually reflects the response of a concrete ring as a structure to external stimulation, in this case restrained concrete shrinkage.The financial support from the National Natural Science Foundation of China under the grants of NSFC 51478083 & 51421064, Engineering and Physical Sciences Research Council under the grant of EP/I031952/1, and the National Basic Research Program of China (973 Program, Grant No. 2015CB057703) is gratefully acknowledged

Measurement of CO 2 effective diffusion coefficient of cementitious materials

International audienc

A proposed modelling of coupling carbonation-porosity-moisture transfer in concrete based on mass balance equilibrium

International audienc

Impact d’un environnement de soins comprenant un programme d’éducation thérapeutique sur la survie des personnes porteuses de cirrhose virale B et C : cohorte CIRVIR

Backgrounds: Patient education (PE) for chronic carriers of viral hepatitis C has proved his utility but benefits of educational activities around viral cirrhosis remains unclear. Aims: This study aims to evaluate the impact of care environment including PE program on patients outcome with viral cirrhosis B and C. Methods: In a multicenter retrospective analytical study within the French CIRVIR group including 1671 patients, we compared the overall survival between patients from centers offering a PE program which integrates educational activities around cirrhosis (Group 1) and patients from centers which do not offer any PE program (Group 2). Patients from centers with a PE program which does not integrate educational activities around cirrhosis were excluded. The criteria for regular abdominal ultrasound monitoring, sustained virological response to anti-viral therapy, incidence of hepatic events, initial curative treatment with hepatocellular carcinoma (HCC), smoking cessation, alcohol and drug withdrawal, overweight improvement, mortality apart from liver cause and median follow-up were also compared in univariate analysis. Results: 280 patients divided into 6 centers in Group 1 and 459 patients divided into 15 centers in Group 2 within the CIRVIR cohort were enrolled between 2008 and 2012, followed up until 31 December 2016. 932 patients, among whom 148 patients from a center which refused to participate, were excluded. There was no significant difference in survival (85.7%, n=47 deaths with 6 years of follow-up for Group 1 and 87.8% with 6 years of follow-up, n=60 deaths for Group 2; p = 0.40), also adjusted with a propensity score (HR=0.85 [0.45 ; 1.63], p=0.63). The mean follow-up was significantly higher in Group 1 (75.5 months [IQR: 47.5 - 98.7] versus 67.3 months [IQR: 45.2 - 89.8]; p = 0.026). There was significantly higher initial HCC curative treatment in Group 1 than in Group 2 (32 of 44 patients or 78.1% versus 27 of 59 patients or 54%; p=0.017). There was no difference between the 2 groups as for the other criteria. Conclusions: This study does not find any effect on overall survival of environment care with PE focused on cirrhosis in patient with viral cirrhosis B and C. However, it suggests that this environment care is associated with a more frequent initial curative treatment of hepatocellular carcinoma. A prospective study comparing populations with strictly homogeneous medical care criteria could confirm this hypothesis.L’objectif de cette étude est d’évaluer l’impact d’un environnement de soins comportant un programme éducation thérapeutique des patients (ETP) porteurs de cirrhose virale B et C. Dans une étude rétrospective analytique multicentrique au sein de la cohorte française CIRVIR comprenant 1671 patients, nous avons comparé la survie globale entre les patients issus de centres proposant un programme d’ETP, intégrant des actions éducatives autour de la cirrhose (Groupe 1) et les patients issus de centres sans programme d’ETP (Groupe 2). Les patients issus de centres proposant un programme d’ETP, n’intégrant pas d’actions éducatives autour de la cirrhose, ont été exclus. Les critères de délai régulier d’échographie abdominale, d’incidence de réponse virologique soutenue au traitement anti-viral de l’hépatite B ou C, des évènements hépatiques, de traitement initial curatif si apparition d’un carcinome hépatocellulaire(CHC), de sevrage des addictions, d’évolution pondérale, de mortalité hors cause hépatique et de durée médiane de suivi ont été également analysés de manière univariée. 280 patients de 6 centres répartis dans le Groupe 1 et 459 patients de 15 centres répartis dans le Groupe 2, ont été inclus entre 2008 et 2012 de la cohorte CIRVIR et suivis jusqu’au 31 décembre 2016. 932 patients ont été exclus. Il n’y avait pas de différence significative de survie, également après ajustement sur un score de propension. Le suivi médian était significativement plus élevé dans le Groupe 1. Il y avait significativement plus de prise en charge initiale curative de CHC dans le Groupe 1 que dans le Groupe 2