Numerical Strategy to Simulate Seawater Ingress in RC Concrete Blocks Exposed to Wetting-Drying Cycles in Field Conditions During 19 years

Numerical results are compared to experimental data on concretes exposed in field conditions for 19 years and subjected to wetting/drying cycles in seawater after a couple of curing days. They were obtained thanks to a hydration model assuming fully hydrated concretes (19 years of curing time) and a reactive transport model in saturated conditions taking into account precipitation/dissolution of minerals and their kinetics and adsorption of ionic species on C-S-H. Numerical results show surprisingly rather good results, especially for concretes with fly ash. For OPC, although model considers average bulk porosity modifications, the experimental apparent diffusion coefficient increases much more. For concretes with silica fume, numerical results also show underestimations of total chloride content also experimental apparent diffusion coefficients are constant. Analysis of hydration calculations show that concretes are not fully hydrated after 19 years. Additional chloride content from reactions between anhydrous phases and chloride ingress may appear

Développement d'une approche globale, performantielle et prédictive de la durabilité des structures en béton (armé) sur la base d'indicateurs de durabilité : Bilan et perspectives : Caractérisation de la microstructure des bétons, étude de la propriétés hydriques et de transport, évaluation des déformations libres et prédiction de la durée de vie des ouvrages

Ce document décrit le développement d'une approche performantielle, globale et prédictive de la durabilité des structures en béton (armé), fondée sur la notion d'indicateurs de durabilité, et combinant mesures en laboratoire et simulations numériques. Des exemples significatifs sont présentés, relativement aux fondements scientifiques de cette approche. Ces exemples concernent la compréhension et éventuellement la modélisation des mécanismes (transferts hydriques, carbonatation, pénétration des chlorures, gel, déformations libres, ...), ainsi que la mise au point d'outils de caractérisation de la microstructure des bétons et des paramètres liés à la durabilité vis-à-vis de la corrosion des armatures (en particulier, méthodes de détermination des indicateurs de durabilité). Une méthodologie, pour la mise en ½uvre de l'approche développée, est de plus présentée. Elle s'appuie notamment sur un système de classes et sur des spécifications relatives aux indicateurs de durabilité qui sont fonction du type d'environnement et de la durée de vie exigée pour la structure. Une modélisation « multi-niveaux », où les indicateurs de durabilité sont les données d'entrée des modèles, est proposée pour la prédiction de la durée de vie. Des méthodes de mesure des témoins de durée de vie (« sorties » des modèles), applicables en laboratoire sur éprouvettes ou sur prélèvements issus d'ouvrages, ont été mises au point, non seulement pour valider les modèles, mais également pour suivre le comportement des structures in situ au cours du temps. Des pistes sont en outre suggérées à la fin de ce document, d'une part pour poursuivre les recherches théoriques et expérimentales, et d'autre part pour valoriser les travaux réalisés et transférer à la pratique les résultats déjà acquis. Un nouveau projet de recherche, qui s'inscrit dans le cadre des Opérations de Recherche du réseau des LPC, est en particulier présenté

Caractérisation microstructurale et hydrique des pâtes de ciment et des bétons ordinaires et à très hautes performances

Results obtained for several cement pastes and concretes in the field of microstructure, shrinkage and moisture properties are presented. In particular, very high performance materials have been studied (mixes with low water-cement ratio and which contain silica fume and superplasticizer). A variety of experimental techniques were used. Thus, classical pore investigation methods (mercury intrusion, nitrogen adsorption, ...) were used to determine the textural parameters. Yet, these methods often appeared incomplete or inadequate to provide the exact pore network characteristics of hardened cement pastes or concretes, in particular for very high performance materials. The difficult accessibility to the thin hydrates porosity (C-S-H gel) is mainly responsible for these methods insufficiencies. Moreover, the necessary drying and outgassing, prior to the measure, make the interpretation of the results particularly hard. So, a more pertinent type of experiment has also been carried out: water vapour desorption and adsorption tests. From these experiments, isotherms, it means "Water Content versus Relative Humidity" curves, were obtained, at equilibrium state, for a constant temperature (T = 23 °C), and for every desorption/adsorption path. The analysis of these curves doesn't only give textural parameters (porosity, B.E.T. specific surface area, pore size distribution,...) in the mesopore range, not accessible by some other methods, but also allows the study of the water/solid surface interaction (thickness of the liquid film adsorbed on the solid surface, energy state of pore water, hysteresis, ...). Moisture transfer kinetics are very slow in such a microporous medium and they are function of the specimen thickness; moisture equilibrium state was established after several months with our few millimeters specimens. Diffusivity coefficients were calculated from weight loss (or gain) curves versus time, for each relative humidity step. During these tests, hygrometrical strains were also measured, in order to evaluate desiccation shrinkage in function of relative humidity, and to compare it to autogenous shrinkage. Moisture characterization has been completed with the determination of water content profiles on drying specimens. By using different investigation methods, we have got a complete description of hardened cement pastes and concretes pore structure, from the C-S-H gel pores to macropores scale. We were able to point out the similarities and the discrepancies, about microstructure and moisture properties, between the different materials and to quantify the influence of mix parameters like for instance water-cement ratio or silica fume content.Ce document présente les résultats obtenus pour différents bétons et pâtes de ciment, en ce qui concerne la microstructure, les propriétés hydriques et les déformations de retrait. En particulier, des matériaux à très hautes performances ont été étudiés (formulations avec un faible rapport eau sur ciment, contenant fumée de silice et fluidifiant). De nombreuses techniques expérimentales ont été utilisées à cet effet. Ainsi, les paramètres texturaux ont été déterminés par des méthodes classiques d'investigation de la structure poreuse (intrusion de mercure, adsorption d'azote, ...). Cependant, ces méthodes sont apparues suivant les cas incomplètes ou inadéquates pour fournir les caractéristiques exactes du réseau poreux des pâtes de ciment ou des bétons durcis, notamment dans le cas des matériaux à très hautes performances. La difficulté d'accès à la porosité fine des hydrates (gel C-S-H) est essentiellement responsable des insuffisances de ces méthodes. De plus, le séchage et le dégazage nécessaires, préalablement à la mesure, rendent l'interprétation des résultats délicate. Aussi, un autre type d'expérimentations plus pertinent a été mis en oeuvre : les expériences de désorption et d'adsorption de vapeur d'eau, à partir desquelles ont été obtenues les isothermes, c'est à dire les courbes "Teneur en Eau en fonction de l'Humidité Relative", à 'équilibre, à température constante (T = 23 °C) et pour chaque chemin de désorption/adsorption. L'analyse de ces courbes n'a pas seulement fourni les paramètres de texture (porosité, surface spécifique B.E.T., distribution poreuse,...) dans le domaine des mésopores, non accessible par beaucoup d'autres méthodes, elle a aussi permis l'étude des interactions eau/solide (épaisseur du film liquide adsorbé sur la surface solide, état d'énergie de l'eau des pores, hystérésis, ...). Les cinétiques de transfert d'humidité sont très lentes dans un tel milieu microporeux et elles sont fonction de l'épaisseur de l'échantillon testé ; l'équilibre hydrique a été établi après plusieurs mois avec nos échantillons de quelques millimètres d'épaisseur. La diffusivité a été calculée à partir des courbes de perte (ou gain) de masse en fonction du temps, pour chaque palier d'humidité relative. Au cours de ces expériences, les déformations hygrométriques ont aussi été mesurées, afin d'évaluer le retrait de dessiccation en fonction de l'humidité relative, et de le comparer au retrait endogène. La caractérisation hydrique a été complétée par la détermination de la répartition de la teneur en eau dans des éprouvettes en cours de séchage. A partir d'une large panoplie expérimentale, nous avons obtenu une description complète de la structure poreuse, depuis les pores relatifs au gel C-S-H, jusqu'à l'échelle des macropores. Nous avons mis en évidence les similarités et les différences, du point de vue microstructural et hydrique, entre les différents matériaux. Nous avons ainsi quantifié l'influence des paramètres de formulation tels que, par exemple, le rapport eau sur ciment ou la présence de fumée de silice

Interactions physico-chimiques ions-matrice dans les bétons sains ou carbonatés (influence sur le transport ionique)

La carbonatation atmosphérique et la pénétration des ions chlorures sont les principales causes du déclenchement de la corrosion des armatures dans les bétons armés. Chacun de ses mécanismes a fait l'objet de nombreuses études dans la bibliographie. Pourtant les études prenant en compte en même temps les deux types d'agression sont rares. Le couplage des deux phénomènes existe cependant. La carbonatation intervient en effet dans tout ouvrage dès le décoffrage et il suffit que cet ouvrage soit aussi par exemple situé à proximité d'eau de mer pour que les embruns apportent des ions chlorures dans le matériau. L'objectif de cette thèse a été de quantifier les différentes phases de la matrice cimentaire et ses capacités de fixation des ions chlorures par le biais d'isothermes d'interactions pour des matériaux sains et carbonatés. Ces isothermes d'interactions obtenues notamment par la méthode des équilibres ont permis de voir que les matrices partiellement ou totalement carbonatées fixaient moins d'ions chlorures que les matrices saines. L'utilisation de moyens complémentaires d'analyses tels que l'analyse thermogravimétrique (ATG), la diffraction des rayons X (DRX) et la résonance magnétique nucléaire (RMN) a permis de mieux comprendre cette perte de fixation. Une diminution des sels de Friedel et des chlorures fixés par les C-S-H a été ainsi mise en évidence dans les matériaux carbonatés. Ces diminutions qui on été quantifiées sont attribuées à une modification sous carbonatation des phases capables de fixer les ions chlorures (phases aluminates, sulfo-aluminates et C-S-H). Des différences au niveau du réseau poreux ont été également mises en évidence par la porosimétrie par intrusion de mercure (diminution de la macroporosité et de la connectivité en général pour les matrices carbonatées par formation de CaCO3). L'objectif a été aussi de corréler toutes ces modifications observées avec les propriétés de transport des ions qui ont été obtenues par des tests de diffusion et migration des ions chlorures (et/ou sulfates) ainsi que des mesures de résistivité électrique. Les résultats expérimentaux ont montré que le coefficient de diffusion apparent est plus grand dans les matériaux carbonatés. Certaines expériences de diffusion faites en présence à la fois d'ions chlorures et sulfates ont aussi montré la concurrence de ces deux ions pour se fixer à la matrice cimentaire. Les matériaux cimentaires testés (bétons et pâtes) ont été formulés sans ou avec additions minérales (métakaolin, cendres volantes, laitier) et les propriétés de ces matériaux ont été observées à différents âgesCarbonation and chloride ingress are the main causes of reinforced concrete degradation. A lot of studies describe these two phenomena separately but only few studies state a possible coupling. However, the coupling of both phenomena exists. The corrosion of reinforcement due to chloride ions occurs more often in marine environments or in the presence of deicing salts while carbonation occurs systematically, in a more or less high degree depending on environmental conditions (humidity, temperature ). The aim of this thesis was to quantify the different phases of the cement matrix and its chloride binding by means of chloride binding isotherms for carbonated and non-carbonated cement based materials. These chloride binding isotherms, obtained by the equilibrium method, showed that the partially or totally carbonated cement matrix are bound fewer chlorides than the non carbonated ones. Complementary techniques such as the thermogravimetry (TGA), the X-rays diffraction (XRD) and the nuclear magnetic resonance (NMR) analyses were used and allowed to understand why this binding decrease occurs. A decrease of Friedel's salt and chlorides bound in the C-S-H was showed in the carbonated materials. These decreases were quantified and are due to a modification of the phases containing chloride (such as aluminates, sulfo-aluminates and C-S-H phases) during carbonation process. The porous network, was observed by mercury intrusion porosimetry (MIP), was also modified (decrease of the macroporosity and the connectivity for carbonated cement matrix due to formation of calcium carbonate). The other aim was to correlate all these modifications with the ions transport properties. Chloride diffusion and migration tests (with or without sulfates) were obtained as well as the measurements of electric resistivity. The experimental results showed that the apparent chloride diffusion coefficient is higher in the carbonated cement materials. Some diffusion tests were performed in presence of both chlorides and sulfates, which showed the competition of these two ions to bind on the cement matrix. Cement materials (concrete and cement paste) were designed without or with supplementary cementing materials (metakaolin, fly ash, slag) and the properties of these materials were followed at different curing timePARIS-EST-Université (770839901) / SudocSudocFranceF

Evaluation et prédiction de la durabilité des structures en BA à partir d'indicateurs de durabilité, de témoins de durée de vie et de modèles : Bases scientifiques, méthodologie, présentation détaillée d'un modèle de carbonatation et applications pratiques

Cet ouvrage présente une nouvelle approche consacrée à l'évaluation et à la prédiction de la durabilité des structures en béton armé (BA). Cette approche est fondée sur des indicateurs de durabilité (ID), des témoins de durée de vie et des modèles. Tout d'abord le panel sélectionné d'ID généraux est présenté. Les bases scientifiques et techniques de ce choix sont également précisées. Un système de classes relatif à la durabilité "potentielle" du béton armé est ensuite proposé sur la base de ces ID. Ces classes sont destinées à la comparaison et à la sélection de formules de béton. De plus, dans l'objectif de protéger les structures contre la corrosion initiée par la carbonatation ou les chlorures, des spécifications performantielles sont proposées, en fonction des conditions environnementales et de la durée de vie visée. En outre, dans le cadre de la prédiction de la durée de vie des structures en BA en phase de conception, ou de la durée de vie "résiduelle" de structures existantes, éventuellement dégradées, une modélisation multi-niveaux est proposée. Dans ces modèles, les ID sont introduits comme données d'entrée, et les témoins de durée de vie sont les sorties. La validation et des applications de l'approche performantielle et prédictive proposée sont illustrées dans ce document par des simulations numériques utilisant différents types de modèles. De plus, un modèle numérique physicochimique de carbonatation, développé selon cette nouvelle approche, est décrit plus en détails dans le document et son utilisation est illustrée par des exemples en conditions accélérées et naturelles

Modélisation du transport multi-espèces dans les matériaux cimentaires saturés ou non saturés et éventuellement carbonatés

Dans le cadre du projet de recherche de l'IFSTTAR Approche performantielle et probabiliste de la durée de vie des ouvrages en béton armé , la thèse porte sur la modélisation du transport couplé ions-humidité au travers de bétons éventuellement carbonatés. Une plate-forme de modélisation multi-espèces, qui est basée sur les indicateurs de durabilité et avec différents niveaux de sophistication, a été utilisée. En condition saturée, le transport des ions a été décrit par l'équation de Nernst-Plank et complété par des isothermes des interactions ions/matrice. En condition non saturée, l'advection des phases liquides et gazeuses a été décrite par la loi de Darcy généralisée. L'influence de l'activité chimique sur l'équilibre entre l'eau liquide et vapeur d'eau, ainsi que la cinétique de fixation des ions chlorure ont été prise en compte dans les modèles. La fixation des ions alcalins a été également prise en compte, son influence sur le transport des ions chlorure a été étudiée. Les indicateurs de durabilité (porosité, perméabilité intrinsèque à l'eau et aux gaz) servant comme données d'entrée des modèles ont été déterminés par des mesures directes sur des bétons à base de ciment ordinaire et avec des fortes teneurs en additions minérales (cendres volantes et laitiers). Une méthode d'analyse inverse a été mise en œuvre à partir d'une routine qui intègre un algorithme d'optimisation qui nous a permis de déterminer les propriétés des matériaux plus complexes (coefficient effectif de diffusion, paramètres d'isotherme de fixation et perméabilité intrinsèque à l'eau) à partir des résultats d'essais. Le modèle pour des conditions saturées a été validé par des comparaisons entre des profils de chlorure issus des essais de diffusion et des profils de simulation. Des essais de séchage-imbibition avec une solution saline ou de l'eau pure sur les bétons sains et éventuellement carbonatés ont été réalisés pour valider le modèle en condition non saturée, ainsi que pour mettre en évidence l'influence de la carbonatation sur le transport des ions et sur les transferts hydriques. Outre la compréhension des mécanismes physico-chimiques liés à la durabilité des bétons et détermination des indicateurs de durabilité par analyse inverse, la plate-forme nous permet de prédire le transport des ions et d'humidité suivant la complexité des phénomènes et le niveau de sophistication exigé. Les études menées ont mise en évidence la pertinence et la fiabilité de la plate-forme de modélisation physico-chimiqueAs a part of the IFSTTAR's research project Performance-based and probabilistic approach to the life cycle of reinforced concrete structures , this thesis focuses on the modelling of coupled ion-moisture transport through concrete which is possibly carbonated. A multi-species modelling platform, based on durability indicators and with different levels of sophistication, was used. In saturated conditions, ion transport was described by the Nernst-Plank equation and complemented by ion-matrix interaction isotherms. In unsaturated conditions, the advection of liquid and gas was described by the extended Darcy law. The influence of the chemical activity on the equilibrium between liquid water and water vapor, as well as the kinetics of the chloride binding, were included. The binding of alkali was also taken into account and its influence on the chloride penetration was investigated. As input data of the models, conventional durability indicators (porosity, intrinsic permeability for liquid water and for gas) were determined by direct measurement on different concretes made of ordinary Portland cement and containing high contents of supplementary cementing materials (fly ash and slag). An inverse method was implemented thanks to a routine which incorporates an optimization algorithm, allowing us to determine some complex properties (such as effective diffusion coefficient, binding isotherm parameters and intrinsic permeability to liquid water) from experimental results. The model for saturated conditions was validated by comparing the simulation results to experimental profiles obtained from chloride diffusion tests. Wetting tests, with saline solution or pure water followed by drying experiments, on sound concrete and possibly carbonated ones were led to verify the model for unsaturated conditions, as well as to highlight the influence of carbonation on the ion and moisture transport.In addition to a further understanding on the physico-chemical mechanisms related to the durability of concrete and the identification of durability indicators by inverse analysis, the platform allowed us to predict the transport of ions and moisture according to the complexity of the involved phenomena and the required level of sophistication. The relevance and the reliability of the modeling platform for transport were proved by the studies carried outPARIS-EST-Université (770839901) / SudocSudocFranceF

Numerical modelling of moisture transfers with hysteresis in cementitious materials: Verification and investigation of the effects of repeated wetting–drying boundary conditions

International audienceIn natural environment, the cover layer of reinforced concrete structures is affected by periodic variations of external relative humidity (RH). However, most moisture transport models in the literature only focus on drying of materials. In this study, a method coupling a moisture transport model with any kind of hysteresis modelling is presented. Two hysteresis models (conceptual and empirical) have been implemented and compared. The scope of the study is limited to cyclic variations of RH with no direct contact with liquid water during the wetting steps. Experimental data verifications show that the conceptual approach yields better results than the empirical one. Comparisons of non-hysteresis and hysteresis modellings have been carried out for different cycle durations, RH amplitudes and initial moisture states. All comparisons and investigations enhance the necessity of considering hysteresis to quantify moisture transport under repeated drying-wetting boundary conditions

Application of the reliability theory to the assessment of the corrosion risk due to carbonation

Atmospheric carbonation is one of the most significant degradation factors in the durability of reinforced concrete structures, since its consequences on the corrosion of steel rebars are disastrous. Due to the random nature of physically- and chemically-based properties of concrete (concerning the carbonation phenomenon) and given the uncertainties involved with the cover thickness and environmental factors, it is necessary to match deterministic carbonation models with probabilistic approaches in order to make a relevant prediction. The reliability theory provides interesting features as a decision-making framework for the optimization (serviceability limit state design) of concrete structures. The Papadakis' and Bakker's carbonation models are studied in this paper through a reliability analysis. The first model predicts the formation of a sharp carbonation front which evolves as a square root of time law. The Bakker's model improves the Papadakis' approach by taking into account the influence of wetting and drying cycles. A performance function is introduced to express the margin between the carbonation depth and the concrete cover. The serviceability limit state is reached when this margin vanishes. The result of the durability assessment is a limit state-based failure probability which is assessed with the Hasofer-Lind reliability index determined using the Rackwitz-Fiessler algorithm. In a first stage, a sensitivity analysis is performed in order to identify and quantify the most sensitive variables to be considered as probabilistic while some others can be treated as deterministic. In a second stage, a reliability analysis is carried out, as an illustration, to assess the residual service life of a 16-year old reinforced concrete structure. Finally, this study focuses on the use of field data (e.g. a depth of carbonation at a given time) for updating the reliability analysis according to a Bayesian approach