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

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

A study on plastic shrinkage of Self-Compacting Concrete

n.a

Utilization of sludge from ready-mixed concrete plants as a substitute for limestone fillers

International audienc

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

International audienc

Effets thermique et mécanique de l'incorporation de déchets de mousse de polyuréthane dans un mortier

International audienceThis article presents the results of an experimental study on the use of polyurethane foam waste for the manufacture of insulating mortars. Five mortars containing various foam proportions (0%, 51%, 54%, 61% and 69% of the mortar volume) were prepared and the determination of thermal and mechanical properties, shrinkage and mass loss per desiccation made it possible to measure the influence of the foam incorporation. The thermal conductivity of the mortars with polyurethane foam is a half to a third as high as that of the reference mortar (without foam) while compressive strength decreases in a ratio from 2 to 6 according to the foam proportion. In addition, the presence of polyurethane foam in the mortars results in an important increase in shrinkage and in mass loss per desiccation.Cet article présente les résultats d'une étude expérimentale sur l'utilisation de déchets de mousse de polyuréthanne pour la fabrication de mortiers isolants. Cinq mortiers contenant différents dosages de mousse (0%, 51%, 54%, 61% et 69% du volume de mortier) ont été préparés et la détermination de leurs propriétés thermiques et mécaniques, de leur retrait et de leur perte de masse par dessiccation a permis de mesurer l'influence de l'incorporation des déchets de mousse. La conductivité thermique des mortiers avec mousse de polyuréthanne est 2 à 3 fois inférieure à celle du mortier référence (sans mousse) tandis que la résistance en compression diminue dans un rapport de 2 à 6 selon le dosage en mousse utilisé. Par ailleurs, la présence de mousse de polyuréthanne dans les mortiers se traduit par une augmentation importante du retrait et de la perte de masse par dessiccation. Ces résultats s'expliquent par la forte porosité et la faible résistance mécanique du polyuréthanne alvéolaire

Retrait et fissuration des bétons autoplaçants (influence de la formulation)

Les bétons autoplaçants (BAP), bétons fluides mis en place sans vibration, se démocratisent peu à peu dans le monde du bâtiment. Leur développement est toutefois freiné par une formulation complexe et un comportement différé encore mal connu. Effectué dans le cadre du Projet National B@P, ce travail de recherche est financé par le groupe VM Matériaux, producteur de Béton Prêt à l'Emploi du grand Ouest. Son objectif est double. Il s'agit de savoir, premièrement, s'il y a équivalence entre BAP et bétons ordinaires vis à vis du potentiel de fissuration dû au retrait, deuxièmement, s'il est possible d'optimiser la composition des BAP pour minimiser ce potentiel. Dans la pratique, les BAP sont conçus par tâtonnement au prix de nombreux essais de calage. Il existe pourtant dans la littérature des méthodes plus scientifiques. A la suite d'une étude de la faisabilité de trois méthodes de composition, des solutions sont proposées dans la première partie pour rationaliser l'approche empirique actuelle. A l'aide des dispositifs mis au point pour mesurer le retrait et la fissuration à l'état frais, sont étudiés dans la deuxième partie le mécanisme du retrait plastique, l'influence de la formulation et le lien entre retrait et fissuration. Nous montrons d'abord qu'un tel lien est difficile à établir, puisque la consistance est un paramètre aussi essentiel que le retrait dans la fissuration. Nous montrons ensuite que les BAP exhibent un retrait plastique plus important que les bétons ordinaires, si le séchage est modéré, mais identique si le taux d'évaporation est élevé. Des essais de fissuration confirment que, dans ce dernier cas, le risque de fissuration à l'état frais est similaire pour les deux bétons. On en conclut d'une part qu'il est nécessaire de protéger les BAP de l'évaporation pour compenser leur absence de ressuage, d'autre part que la consistance fluide leur offre une capacité de déformation a priori plus grande que celle des bétons ordinaires. La troisième partie est consacrée au potentiel de fissuration dû au retrait après la prise. Sont d'abord étudiées les propriétés mécaniques de BAP et de bétons ordinaires dérivés. La résistance à la compression apparaît être un bon index de comparaison, puisque, pour une même résistance, le module élastique, le retrait total, le fluage et les paramètres de rupture diffèrent peu pour un BAP et un béton ordinaire fabriqué avec les mêmes constituants. Néanmoins, lorsque le BAP présente une stabilité limite, son retrait est significativement plus élevé que celui du béton ordinaire. Avec le dispositif de retrait empêché développé, nous montrons que c'est uniquement dans cette situation que le BAP présente une fissurabilité plus importante que le béton ordinaire. Une étude de l'influence de la formulation nous permet d'envisager des pistes pour optimiser les BAP en regard du potentiel de fissuration due au retrait.Self compacting concrete (SCC), is a fluid concrete cast without vibration, which is more and more used by building industry. But its development is slowed down by a complex formulation and a delayed behaviour still unknown. This research program was carried out within the framework of a national project called B@P and was financed by VM Matériaux, a French producer of ready made concrete. Its first concern is a comparison of SCC and ordinary concrete regarding shrinkage cracking potential. Its second objective is to find solutions to minimise this cracking potential. In practice, SCC mix design is mainly empirical. However scientific methods can be found in literature. In the first part, a comparison of three mix design methods is done. This study leads us to propose solutions for rationalising current empirical approach. In the second part, mechanism of plastic shrinkage and cracking at the fresh state are studied thanks specially designed devices. First the link between cracking and shrinkage is shown to be difficult to establish. Consistency appears to be a parameter as essential as shrinkage in cracking. We show then that plastic shrinkage of SCC is higher than ordinary concrete one when drying is moderate, but identical when drying rate is high. Restrained shrinkage tests confirm that the risk of cracking at the fresh state is similar for SCC and ordinary concrete when drying rate is high. One concludes first that it is necessary to protect SCC from drying at early age to compensate for their lack of bleeding, then that fluid consistency offers to them a strain capacity higher than that of the ordinary concrete. The third part is devoted to the potential of cracking due to shrinkage after setting. Mechanical properties of SCC and derived ordinary concrete are compared. Compressive strength appears to be a good index of comparison, because for the same resistance, elastic modulus, total shrinkage, creep and rupture parameters differ little from a SCC composition and an ordinary one manufactured with the same components...NANTES-BU Sciences (441092104) / SudocNANTES-Ecole Centrale (441092306) / SudocSudocFranceF

Propriétés mécaniques et déformations différées”, chapitre 3, dans « Les bétons auto-plaçants »

info:eu-repo/semantics/publishe

Porous Construction Materials: Characterizations and Modeling

International audienc