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RAPPORT DE STAGE INFLUENCE DE LA CARBONATATION SUR LA POROSITE ET LA PERMEABILT

RAPPORT DE STAGE INFLUENCE DE LA CARBONATATION SUR LA POROSITE ET LA PERMEABILTE DES BETONS Présenté par Walid JAAFAR DEA GEOMATERIAUX Option : Génie Civil Environnemental Encadré par Géraldine VILLAIN Ingénieur de recherche LCPC Réalisé dans la Division Bétons et Composites Cimentaires Section Microstructure et Durabilité du Béton De mars à juin 2003 2 Remerciement C’est avec beaucoup de plaisir que je vais remercier ici toutes les personnes qui m’ont permis d’effectuer mon stage en vue de l’obtention de mon Diplôme des Etudes Approfondies. Dans l’ordre de rencontre : Ma sincère gratitude va tout d’abord à Madame Géraldine VILLAIN, Ingénieur-Chercheur des Travaux Publics de l’Etat, ma responsable de stage, pour m’avoir encadré, guidé et fait partager son expérience et ses réflexions. Sa disponibilité, sa rigueur scientifique et sa bonne humeur m’ont beaucoup aidé. Madame BAROGHEL-BOUNY Véronique m’a accueilli dans la section Microstructure et Durabilité des Bétons dont elle a la charge. Ses conseils avisés m’ont été précieux. Qu’elle en soit remerciée. Je tiens rendre un hommage tout particulier à Pierre ROUSSEL pour m’avoir fait partager son savoir faire sur les essais de perméabilité et de gammadensimétrie, à Patrick BELIN qui assuré une assistance technique sans faille dans les essais de résistivité électrique, à Thierry CHAUSSADENT pour ses conseils pour la reconstitution des solutions interstitielles des bétons. Je remercie vivement François BERTHOUMIEUX, secrétaire de la section MDB, pour sa sympathie. Enfin ces remerciement ne seraient pas complets si n’exprime pas ma gratitude envers Mickael THIERY, doctorant dans la section MDB, pour m’avoir apporté de nombreux renseignements sur mon stage. Je me souviendrai de la collaboration que nous avons menée ensemble. 3 SOMMAIRE INTRODUCTION................................................................................................................................................. 1 CHAPITRE I : MICROSTRUCTURE, PROPRIETES ET CARBONATATION DU BETON................... 3 I. COMPOSITION DU BETON......................................................................................................................... 3 1. Les granulats ...................................................................................................................................... 3 2. L’eau et le ciment............................................................................................................................... 3 3. Les cendres volantes .......................................................................................................................... 6 II. LES MATERIAUX POREUX, PARAMETRES DESCRIPTIFS DE LEUR STRUCTURE ............................................ 6 1. La porosité volumique totale............................................................................................................. 6 2. La connectivité ................................................................................................................................... 7 3. La tortuosité ....................................................................................................................................... 8 4. La résistivité électrique...................................................................................................................... 8 III. PROPRIETES DE TRANSFERT ............................................................................................................... 9 1. La perméabilité .................................................................................................................................. 9 2. La diffusion....................................................................................................................................... 10 3. Influence de la teneur en eau sur les propriétés de transfert ....................................................... 10 IV. LA CARBONATATION DU BETON........................................................................................................ 11 1. Définition .......................................................................................................................................... 11 2. Présentation du phénomène de la carbonatation .......................................................................... 11 CHAPITRE II : PRESENTATION DES ESSAIS ........................................................................................... 13 I. MATERIAUX ET EPROUVETTES D’ESSAIS............................................................................................... 13 1. Caractéristiques des matériaux ...................................................................................................... 13 2. Préconditionnement des éprouvettes d’essais................................................................................ 13 3. L’essai de carbonatation accélérée ................................................................................................. 14 II. L’ESSAI AU PERMEAMETRE CEMBUREAU.............................................................................................. 15 1. Objet de la mesure et domaine d'application ................................................................................ 15 2. Dispositif expérimental.................................................................................................................... 15 3. Principe de l'essai............................................................................................................................. 16 4. La perméabilité intrinsèque selon Klinkenberg ............................................................................ 16 III. LA POROSITE ACCESSIBLE A L’EAU .................................................................................................. 17 1. Objet de la mesure et domaine d'application ................................................................................ 17 2. Expression des résultats................................................................................................................... 17 IV. POROSIMETRIE PAR INTRUSION DE MERCURE ................................................................................. 18 1. Objectif ............................................................................................................................................. 18 2. Comparaison entre porosités accessibles à l’eau et au mercure .................................................. 18 V. L’ESSAI DE GAMMADENSIMETRIE ......................................................................................................... 18 1. Objet de la mesure et domaine d'application ................................................................................ 18 2. Principe de la mesure....................................................................................................................... 19 3. Dispositif expérimental.................................................................................................................... 19 VI. MESURE DE LA RESISTIVITE ELECTRIQUE........................................................................................ 20 1. Principe............................................................................................................................................. 20 2. Dispositif de la mesure..................................................................................................................... 20 3. Calcul de la résistivité...................................................................................................................... 21 VII. SYNTHESE DES ESSAIS REALISES....................................................................................................... 22 CHAPITRE III : ANALYSE DES RESULTATS OBTENUS ET INTERPRETATIONS.......................... 23 I. LA POROSITE ACCESSIBLE A L'EAU ....................................................................................................... 23 1. Effet de la carbonatation sur la porosité........................................................................................ 23 2. Effet du rapport E/C sur la porosité .............................................................................................. 24 3. Effet de l'ajout de la CV sur la porosité......................................................................................... 25 II. LA POROSIMETRIE PAR GAMMADENSIMETRIE...................................................................................... 25 1. Détermination de la porosité et du taux de saturation.................................................................. 25 2. Présentation des résultas de la porosité et du taux de saturation ................................................ 27 4 3. Influence du rapport E/C sur le taux de saturation...................................................................... 27 III. LA PERMEABILITE AUX GAZ.............................................................................................................. 28 1. Influence de la carbonatation sur la perméabilité aux gaz........................................................... 29 2. Influence d’autres paramètres........................................................................................................ 33 3. Conclusion ........................................................................................................................................ 35 IV. MESURE DE LA RESISTIVITE ............................................................................................................. 35 1. Introduction...................................................................................................................................... 35 2. Comparaison entre les travaux du CSTB [4] et de Tumidajski [13] ........................................... 35 3. Présentation d’une nouvelle méthode............................................................................................. 36 4. Calcul du facteur de formation et de la tortuosité ....................................................................... 38 V. CALCUL DE LA PERMEABILITE A L'EAU LIQUIDE.................................................................................. 39 1. Présentation de la relation KATZ ET THOMPSON.................................................................... 39 2. Présentation des résultats................................................................................................................ 40 3. Influence de la carbonatation sur la perméabilité aux liquides ................................................... 40 4. Influence d’autres paramètres........................................................................................................ 40 LISTES DES FIGURES ..................................................................................................................................... 44 LISTES DES TABLEAUX................................................................................................................................. 45 BIBLIOGRAPHIE.............................................................................................................................................. 46 ANNEXES I : MESURE DE LA PERMEABILITE INTRINSEQUE........................................................... 49 1 INTRODUCTION Les altérations du béton durci sont variées. Elles atteignent soit la matrice cimentaire soit les armatures, parfois les deux. Leurs origines sont très nombreuses et sont dues à des problèmes de formulation, d’hydratation ou à un processus physico-chimique où l’environnement peut être source de dégradation. On parle communément de 5 principales causes physico-chimiques de dégradation : − La carbonatation, − L’attaque par les chlorures, − L’attaque par les sulfates, − Les cycles gel-dégel, − L’alcali-réaction. La carbonatation est un phénomène de vieillissement naturel qui concerne tous les bétons. Elle correspond à la transformation progressive d'essentiellement un des composés du béton durci, la portlandite en calcite, au contact du dioxyde de carbone contenu dans l'air et en présence d'humidité. Cette transformation s'accompagne d'une diminution du pH. Une des conséquences principales de la carbonatation est de favoriser la corrosion des armatures, lorsque le front de carbonatation les atteint. En effet, les armatures, passivées dans le béton sain de fort pH, ne sont plus protégées dans le béton carbonaté. Quand le processus de dégradation est fort, la rouille provoque l’éclatement du béton d’enrobage et laisse apparaître, à partir d’épaufrures, les armatures oxydées. De nombreux chercheurs se sont intéressés à l’influence des paramètres tels que la composition chimique et les caractéristiques physiques (porosité, perméabilité, résistance) du béton, les conditions climatiques (température, humidité), la duré de cure ou encore la formation des carbonates de calcium sur la vitesse de carbonatation du bétons Nous avons fixé un objectif différent qui est de quantifier l’influence de la carbonatation sur les mécanismes de transfert et les caractéristiques microstructurales du béton. En effet, il s’agit de mettre en évidence expérimentalement ou à partir des modèles, les effets de la carbonatation sur la perméabilité aux gaz et aux liquides, sur la porosité et sur la résistivité électrique. L’objectif final est de fournir des éléments quantitatifs pour une meilleure maîtrise de la durée de vie des ouvrages en béton. Dans le cadre de cette étude, nous nous sommes particulièrement intéressés à mesurer ces paramètres de durabilité sur 4 bétons de résistances moyennes à la compression différentes, carbonatés et non carbonatés afin de tenter de mettre en évidence l’influence de la carbonatation sur la porosité et sur certaines propriétés de transfert du béton. 2 Ce travail s’inserre dans l’opération de recherche du LCPC « Durabilité du béton et de ses constituants : maîtrise et approche performantielle », il a été effectué au sein de la division Béton et Composites Cimentaires et dans la section Microstructure et Durabilité du Béton durant de la période allant de début Mars à fin Juin 2003. Le stage de DEA est intitulé « Influence de la carbonatation sur la porosité et la perméabilité du béton » que je vais présenter en 3 parties : ¾ Microstructure, propriétés et carbonatation du béton ¾ Présentation des différents essais réalisés et des modèles utilisés ¾ Analyse des résultats obtenus et interprétations. 3 Chapitre I : Microstructure, propriétés et carbonatation du béton I. Composition du béton Nous allons commencer cette étude par une présentation du matériau béton et des différents ingrédients nécessaires à sa fabrication. Pour fabriquer un béton, il faut des granulats (gravillons + sables), du ciment, de l’eau et éventuellement des adjuvants (des plastifiants, des fluidifiants,..) ou des additions minérales (cendres volantes, fumées de silice, laitiers, fillers,..). 1. Les granulats Les granulats constituent le squelette en principe inerte du béton (sauf cas pathologique, comme par exemple celui d’une réaction alcali - granulat). Ils sont agglomérés par le liant pour former une « pierre artificielle » ; ils confèrent ainsi au béton sa compacité et participent à sa résistance mécanique [1]. Pour que la squelette soit le plus compact et le plus durable possible, il est nécessaire que les granulats satisfassent à des exigences tant au niveau de leur nature (pétrographie, minéralogie), qu’au niveau des techniques de fabrication (taille, forme, rugosité). Ainsi, la compacité (C) du mélange de granulats utilisés, définie par : Vtotal granulaire Vsquelette C . = (1) va être conditionnée par la courbe granulométrique et, pratiquement, par l’étendue granulaire, c’est-à-dire le rapport des tailles extrêmes. La compacité sera optimisée par une courbe granulométrique étalée. Il convient de tenir compte de l’eau absorbée par les granulats, on parle alors de l’eau efficace. 2. L’eau et le ciment L’eau est nécessaire à l’hydratation du ciment, elle facilite aussi la mise en œuvre du béton (effet lubrifiant) uploads/Ingenierie_Lourd/ influence-de-la-carbonatation-sur-la-porosite-et-la-permeabilite-des-beton-pdf 1 .pdf