Prédiction des propriétés de diffusion des mortiers constitutifs des colonnes à module contrôlé

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Conclusions sur la dégradation par attaque acide

Dans cette partie, les différents mortiers ont été soumis à une dégradation accélérée par attaque acide. Les conditions de l’attaque ont été mises en place après étude de la norme NF EN 206 et des conditions environnementales des CMC.
Dans un premier temps, la résistance des différents mortiers aux acides a été analysée via la mesure de la profondeur dégradée avec indicateur coloré de changement de pH (état initial non saturé). Différentes conclusions ont pu être tirées de cette campagne d’essais, notamment l’effet négatif de l’introduction des granulats en caoutchouc et des fibres sur la résistance des mortiers à cette agression chimique. Le mortier comprenant du ciment CEM I a montré une profondeur dégradée plus faible que pour ceux comprenant du CEM III/C ce qui est a priori contraire à la bibliographie. Enfin, les profondeurs dégradées mesurées par indicateur coloré pour les deux niveaux de pH (3,0 et 4,5) n’ont pas montré de différences significatives, à l’exception d’une cinétique de dégradation légèrement plus rapide pour le pH le plus faible. Afin de confirmer ces résultats et de comprendre les phénomènes en jeu, une seconde campagne d’essai a été mise en place.
Lors de cette deuxième étude, le phénomène de dégradation des mortiers par attaque acide a été analysé à travers le suivi de différentes propriétés sur des mortiers présaturés en eau : la masse, la profondeur dégradée par indicateur coloré de pH et par microtomographie aux rayons X, le rapport CaO/SiO2 et la résistance en compression.
La mesure de la profondeur dégradée par indicateur coloré de pH a donné les mêmes conclusions que lors de la première étude, mais avec une cinétique plus rapide. Un suivi des échantillons par microtomographie aux rayons X a permis de donner des informations complémentaires sur la profondeur dégradée, notamment à travers le suivi de la perte de densité des échantillons. L’évolution de la profondeur dégradée mesurée via cette technique a été similaire pour tous les mortiers.
Lors de cette deuxième étude, différents éléments ont permis de retrouver la cinétique de dégradation plus rapide du mortier CEM I à commencer par le suivi de perte de masse, plus rapide que pour les autres mortiers comprenant du ciment CEM III/C. Le suivi du rapport CaO/SiO2 par analyses MEB/EDS va également dans ce sens avec un phénomène de décalcification plus marqué pour le mortier CEM I (baisse de 2,60 à 1,15) que pour les autres mortiers (baisse de 1,45 à 1,00). Au final, et après 9 semaines d’essai, la perte de résistance en compression du mortier CEM I a été très importante (74%) et bien supérieure à celle enregistrée avec les autres mortiers (entre 47% et 59%), conduisant après 9 semaines d’essai à des résistances voisines.
Pour conclure sur la problématique de l’attaque acide, on peut affirmer que le mortier CEM I résiste moins bien chimiquement et mécaniquement que les autres mortiers comprenant du ciment CEM III/C. L’addition de granulats en caoutchouc ou de fibres à une influence négative sur la résistance globale du matériau, mais de façon limitée. On peut également ajouter que la technique de mesure de la profondeur dégradée par indicateur coloré de pH

DÉGRADATION PAR ATTAQUE SULFATIQUE EXTERNE

État de l’art

Les matériaux cimentaires subissent des détériorations dans les environnements riches en sulfates. Les mécanismes généraux de dégradation de la matrice cimentaire par les attaques sulfatiques sont connus, même s’il reste encore aujourd’hui certains éléments qui ne sont pas universellement acceptés. Après avoir défini le contexte de cette attaque chimique, les mécanismes de dégradations seront évoqués, ainsi que les spécificités liées aux différents sulfates. Les paramètres pouvant gouverner la cinétique de dégradation et la sévérité de l’attaque sulfatique seront également passés en revue. Pour finir, un organigramme récapitulatif des essais accélérés en laboratoire sera établi afin de regrouper et comprendre la multitude d’études sur le sujet dans la bibliographie.

Définition des attaques sulfatiques

L’attaque sulfatique représente une part importante des phénomènes de dégradation physico-chimique des bétons au même titre que la lixiviation ou la carbonatation. Ce phénomène se traduit par la formation de produits sulfatés au cœur du matériau cimentaire après les étapes d’hydratation et de durcissement de ce dernier. La formation et l’accroissement de ces produits entraînent des contraintes de traction dans un matériau dont la résistance en traction est limitée. Ce phénomène engendre la fissuration du matériau et peut aller jusqu’à la ruine de l’ouvrage à plus long terme.
Dans la littérature, on sépare les attaques sulfatiques en deux catégories selon l’origine de la source des sulfates. La Figure 2.33, inspirée des travaux de Hausmann [114], indique les sources potentielles de sulfate issues de l’environnement ou des composants du matériau cimentaire.
Figure 2.33 Sources potentielles des sulfates issues de l’environnement et du matériau cimentaire
De façon synthétique, on peut définir ces deux types d’attaques comme suit :
• Les attaques sulfatiques internes : ce type d’attaque correspond au cas où les sulfates sont présents dans le béton lors de sa confection. Ces sources internes proviennent principalement des granulats (naturels ou issus du recyclage) ou de certains ciments riches en sulfates et plus rarement de l’eau de gâchage. Les sulfates se retrouvent par conséquent répartis de façon uniforme dans le matériau.
• Les attaques sulfatiques externes : ce type d’attaque correspond au cas où les sulfates proviennent d’une source extérieure et rentrent en contact avec le béton. Ces sources externes au matériau sont très diverses et peuvent provenir aussi bien des sols que des eaux souterraines. Les sulfates ne sont donc pas répartis de façon uniforme et il apparaît un gradient de sulfates entre la surface et le cœur du matériau.
Dans le cas présent, on peut considérer que tous les « ingrédients » nécessaires à la confection d’un mortier de CMC sont contrôlés et que le risque d’attaque sulfatique interne est très limité. De même, le faible dosage en ciment, le type de ciment utilisé et la faible section des colonnes ne sont pas favorables à une réaction sulfatique différée. Ainsi dans la suite de ce chapitre, on se concentrera uniquement sur la problématique de l’attaque sulfatique externe.

Sources et origines des sulfates externes

Comme expliqué précédemment, les sources de sulfates sont très diverses et peuvent se présenter aussi bien sous forme liquide que solide ou même gazeuse. On peut classer ces sources de sulfates en trois catégories : les sources naturelles qui sont présentes dans les sols ou dans les eaux sans intervention humaine, les sources issues de décompositions chimique ou bactériologique et les sources provenant de la pollution industrielle.

Sources naturelles

Les sources de sulfates dites « naturelles » sont des sources que l’on peut rencontrer dans l’environnement et qui n’ont pas été engendrées par l’activité humaine. Ainsi, elles ne sont pas issues des pollutions industrielles ou de phénomènes de décompositions. Parmi ces sources naturelles, on peut citer tout d’abord certains types de sols qui sont essentiellement composés de sulfates comme les sols gypseux (CaSO4.2H2O), ou encore l’anhydrite (CaSO4). Il existe également certains sols naturellement riches en sulfates ou des dérivés sulfatiques tels que les sols alluviaux ou argileux contenant de la pyrite (FeS2). Dans les eaux riches en sulfates, l’exemple le plus évident est celui de l’eau de mer qui contient plusieurs sulfates : du sulfate de magnésium (MgSO4) principalement, mais aussi du sulfate de calcium (CaSO4) ou encore du sulfate de potassium (K2SO4). Pour finir, on peut citer des eaux séléniteuses qui se chargent naturellement en sulfate de calcium (CaSO4) au contact du gypse.

Sources issues de décompositions chimiques ou bactériologiques

Les sources de sulfates peuvent être issues de décompositions chimiques ou même d’activité bactériologique. Au niveau des sols, on peut citer le cas de la décomposition biologique aérobie de substances organiques contenant du soufre, comme les plantes ou certains engrais. On peut également retrouver des eaux riches en sulfates au niveau des égouts. Ce sulfate est issu de la décomposition de matière organique conduisant à la formation de sulfure d’hydrogène (H2S), lui-même pouvant se transformer en acide sulfurique (H2SO4) par activité bactérienne.

Sources issues de la pollution industrielle

Les sources de sulfates issues de pollution industrielle sont très nombreuses et seuls quelques exemples seront donnés ici à titre illustratif. Dans le domaine de l’agriculture, l’utilisation d’engrais ou de pesticides renfermant des sulfates est relativement courante. Ces produits contiennent généralement du sulfate de potassium (K2SO4), du sulfate d’ammonium ((NH4)2SO4) ou du sulfate de cuivre (CuSO4). Dans le domaine du bâtiment, certains éléments indispensables à la construction d’un édifice sont riches en sulfates comme le plâtre ou même le ciment. Ainsi, il peut arriver lors des étapes de construction ou de démolition que l’environnement soit pollué (principalement suite à la mise en décharge des matériaux). Les industries métallurgiques (cuivre, zinc), chimiques ou encore textiles utilisent beaucoup de sulfates et sont également susceptibles de polluer leurs environnements.

Table des matières

Introduction générale
CHAPITRE 1 : Caractérisation des mortiers constitutifs des colonnes module contrôlé
Introduction
1 LES COLONNES À MODULE CONTRÔLÉ
1.1 LE PROCEDE CMC
1.1.1 L’entreprise Menard : inventeur du procédé CMC
1.1.2 Le fonctionnement du procédé
1.1.3 Le cahier des charges
1.2 REDUCTION DU MODULE D’ELASTICITE DU MORTIER PAR L’INTRODUCTION DE
GRANULATS LEGERS
1.2.1 Les différents types de granulats utilisables
1.2.2 Influence sur l’état frais
1.2.3 Influence sur les propriétés physiques à l’état durci
1.2.4 Influence sur les propriétés mécaniques à l’état durci
1.3 EFFET DE L’INTRODUCTION DE FIBRES DANS LE MORTIER
1.3.1 Les différents types de fibres.
1.3.2 Influence sur l’état frais
1.3.3 Influence sur les propriétés physiques à l’état durci
1.3.4 Influence sur les propriétés mécaniques à l’état durci
1.4 CONCLUSION DE L’ETAT DE L’ART
2 CARACTÉRISATION EXPÉRIMENTALE
2.1 CHOIX DES MATERIAUX ET FORMULATIONS
2.1.1 Les matériaux
2.1.2 Les formulations
2.1.3 La réalisation des mortiers
2.2 ESSAIS EXPERIMENTAUX
2.2.1 Essais à l’état frais
2.2.2 Propriétés physiques à l’état durci
2.2.3 Propriétés mécaniques à l’état durci
2.2.4 Propriétés de transfert à l’état durci
2.3 RESULTATS ET DISCUSSIONS.
2.3.1 Propriétés à l’état frais
2.3.2 Propriétés physiques à l’état durci
2.3.3 Propriétés mécaniques à l’état durci
2.3.4 Propriétés de transfert à l’état durci
2.4 CONCLUSION DE LA CARACTERISATION EXPERIMENTALE
3 MATERIAUX POUR CMC : DU LABORATOIRE AU CHANTIER EXPERIMENTAL
3.1 PRESENTATION DU PROJET.
3.2 OPTIMISATION DES FORMULATIONS ET FABRICATION EN CENTRALE BPE
3.2.1 Optimisation des formulations
3.2.2 Fabrication des mortiers
3.3 ESSAIS DE POMPABILITE A L’ETAT FRAIS
3.4 ESSAIS PHYSICO-MECANIQUES A L’ETAT DURCI
3.4.1 Essais sur éprouvettes
3.4.2 Essais sur carottes
3.5 BILAN DU CHANTIER EXPERIMENTAL
3.5.1 Principales conclusions
3.5.2 Aspect financier
3.5.3 Solutions techniques envisageables
Conclusion générale du chapitre
CHAPITRE 2 : Étude de la durabilité des mortiers constitutifs des colonnes à module contrôlé
Introduction
1 ANALYSE ENVIRONNEMENTALE DES CMC
1.1 ENVIRONNEMENT COURANT
1.1.1 Type de sols visés
1.1.2 Influence des eaux souterraines
1.2 ENVIRONNEMENTS PARTICULIERS
1.3 SYNTHESE DES DEGRADATIONS POTENTIELLES
2 DÉGRADATION PAR ATTAQUE ACIDE
2.1 ÉTAT DE L’ART
2.1.1 Définitions
2.1.2 Les différents types d’acide
2.1.3 Les mécanismes de dégradation
2.1.4 Paramètres gouvernant la cinétique de détérioration
2.2 ESSAIS EXPERIMENTAUX
2.2.1 Sélection de la solution acide
2.2.2 Analyse de la dégradation des constituants spéciaux
2.2.3 Première étude : analyse de la profondeur dégradée sur mortier non saturé
2.2.4 Deuxième étude : analyses physico-chimiques sur mortier saturé
2.3 RESULTATS ET DISCUSSIONS
2.3.1 Analyse de la dégradation des constituants spéciaux
2.3.2 Analyse de la profondeur dégradée sur mortier non saturé
2.3.3 Analyses physico-chimiques sur mortier saturé
2.4 CONCLUSIONS SUR LA DEGRADATION PAR ATTAQUE ACIDE
3 DÉGRADATION PAR ATTAQUE SULFATIQUE EXTERNE
3.1 ÉTAT DE L’ART
3.1.1 Définition des attaques sulfatiques
3.1.2 Sources et origines des sulfates externes
3.1.3 Les mécanismes de dégradation de la matrice cimentaire
3.1.4 Les paramètres agissant sur la cinétique de dégradation
3.1.5 Synthèse des essais expérimentaux
3.2 ESSAIS EXPERIMENTAUX
3.2.1 Les formulations testées
3.2.2 Mise en place des essais
3.2.3 Caractérisations effectuées au cours de l’essai
3.3 RESULTATS ET DISCUSSIONS
3.3.1 Expansion
3.3.2 Suivi de masse
3.3.3 Analyse de la structure interne par ultrasons
3.3.4 Suivi de la concentration en sulfate de la solution
3.3.5 Analyses MEB/EDS
3.3.6 Évolution des propriétés physico-mécaniques
3.4 CONCLUSIONS SUR LA DEGRADATION PAR ATTAQUE SULFATIQUE EXTERNE
4 DÉGRADATION PAR CRISTALLISATION DE SELS
4.1 ÉTAT DE L’ART
4.1.1 La problématique générale
4.1.2 Le processus de détérioration
4.1.3 Paramètres agissant sur la cinétique de dégradation
4.2 ESSAIS EXPERIMENTAUX
4.2.1 Les formulations testées
4.2.2 Absorption d’eau par capillarité
4.2.3 Première étude : cristallisation par remontée capillaire
4.2.4 Deuxième étude : Marnage
4.2.5 Troisième étude : Cristallisation interne forcée
4.3 RESULTATS ET DISCUSSIONS
4.3.1 Absorption d’eau par capillarité
4.3.2 Première étude : cristallisation par remontée capillaire
4.3.1 Deuxième étude : marnage
4.3.2 Troisième étude : cristallisation interne forcée
4.4 CONCLUSION SUR LA DEGRADATION PAR CRISTALLISATION DE SELS
Conclusion générale du chapitre
CHAPITRE 3 : Prédiction des propriétés de diffusion des mortiers constitutifs des colonnes à module contrôlé
Introduction
1 LES MODELES PREDICTIFS EXISTANTS
1.1 APPROCHE ANALYTIQUE
1.1.1 Généralités sur la micromécanique
1.1.2 Schémas d’homogénéisation
1.1.3 Modélisation de la diffusion
1.2 APPROCHE PERIODIQUE
1.2.1 Introduction
1.2.2 Travaux de Dormieux & Lemarchand
1.2.3 Travaux de Bourbatache
1.3 APPROCHE PHENOMENOLOGIQUE
1.3.1 Études menées sur la diffusion des ions chlorures
1.3.2 Études sur la diffusion du calcium dans le cas de la lixiviation
2 PRESENTATION DU MODELE GENERALISE
2.1 INTRODUCTION
2.2 MODELE DE L’INCLUSION SPHERIQUE A N COUCHES
2.3 DESCRIPTION DU MODELE GENERALISE
2.3.1 Schéma à double échelle
2.3.2 Méthodologie de résolution
2.4 DETERMINATION DES DONNEES D’ENTREE
2.4.1 Fractions volumiques
2.4.2 Coefficients de diffusion
2.5 COMPARAISONS AVEC LES VALEURS EXPERIMENTALES
2.5.1 Calage avec le mortier REF
2.5.2 Mortiers à deux types de granulats
2.6 ÉTUDES PARAMETRIQUES
2.6.1 Effet de l’épaisseur de l’ITZ autour des granulats en caoutchouc
2.6.2 Effet des propriétés diffusives de l’ITZ autour des granulats en caoutchouc
2.6.3 Effet des propriétés diffusives des granulats d’argile expansée
2.7 LIMITATIONS DU MODELE ET PISTES D’AMELIORATIONS
Conclusion générale du chapitre
Conclusion générale de la thèse
Perspectives de la thèse
Bibliographie
Annexes