Physical and chemical binding in carbonated and non-carbonated concretes : influence on the ion transport
Interactions physico-chimiques ions-matrice dans les bétons sains ou carbonatés : influence sur le transport ionique
Résumé
Carbonation 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 time
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 âges
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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