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Les matériaux cimentaires utilisés pour la mise en œuvre des infrastructures maritimes
Les ciments
Définition
Le ciment est un liant hydraulique qui une fois mélangé à de l’eau va former une pâte de ciment qui va progressivement durcir au cours de la prise à l’air libre ou dans de l’eau. Il existe de nombreux types de ciments qui se différencient par leurs compositions et leurs modes de fabrications. Ces différents ciments vont ainsi avoir certaines propriétés qui vont influer sur son utilisation. Pour une application en mer, plusieurs types de ciments sont utilisés.
Le ciment Portland est le plus couramment utilisé, il représente plus de 50% des infrastructures maritimes (Anderson and Underwood, 1994). Celui-ci est principalement composé de silicates de calcium. En effet, le ciment Portland est fabriqué à partir d’un cru de ciment (mélange issu d’un premier broyage) contenant du calcaire ainsi que de l’argile. Ce cru est ensuite porté à haute température (1450 °C) dans un four. Après refroidissement, le clinker Portland est obtenu. A ce clinker est rajouté du gypse (jouant un rôle de régulateur de prise) et des additions minérales en fonction du type de ciment souhaité. Deux silicates et deux aluminates vont être produits suite à la réaction de clinkérisation (Bullard et al., 2011). On retrouve le silicate tricalcique ou alite (C3S = 3CaO.SiO2), considéré comme le constituant majoritaire du clinker et le silicate bicalcique ou bélite (C2S = 2CaO.SiO2). En ce qui concerne les aluminates, constituants en plus faibles quantités (autour des 5-10%), on a la formation d’aluminate tricalcique (C3A =3CaO.Al2O3) et d’aluminoferrite (C4AF=4CaO.Al2O3.Fe2O3). Certains types de ciments ont des propriétés spécifiques pour une utilisation en mer. Il en existe différentes variétés obtenues à partir de ciment Portland (CEMI), de ciment Portland composé (CEMII), de ciment de haut fourneau (CEMIII), ou de ciment au laitier et aux cendres volantes (CEMV). En effet, ces ciments ont des teneurs limitées en aluminate tricalcique (C3A) permettant l’augmentation de la résistance du matériau face aux agressions chimiques de l’eau de mer. Ils sont ainsi adaptés aux conceptions de structures complexes servant d’habitats pour les organismes marins (Firth et al., 2014).
Phénomène d’hydratation
La cinétique d’hydratation est influencée par la composition chimique du ciment. De plus, l’eau de gâchage a un rôle majeur dans le processus d’hydratation. Le phénomène d’hydratation modifie la microstructure de la matrice cimentaire. Elle se réalise en plusieurs étapes (Bullard et al., 2011) et dépend des adjuvants utilisés. Les phases solides qui commencent à se dissoudre progressivement dans l’eau sont les phases anhydres C3S et C2S libérant les ions Ca2+et ?2???42− qui vont interagir entre eux pour former des silicates de calcium hydratés (Cx-S-Hy ou en terme générique les C-S-H) et de la portlandite (Ca(OH)2 ou CH). Les C-S-H sont dépendant des rapports massiques x= C/S (Calcium/Silicium) (proche de 1,7) et y correspondant au ratio S/H (Silicium/Eau). Le bilan est présenté par les équations 1-1 et 1-2 :
?3? + (3 − ? − ?)?2? → ????? + (3 − ?) ?? (1-1)
?2? + (2 − ? + ?)?2? → ????? + (2 − ?) ?? (1-2)
L’hydratation du C3A avec l’eau se produit ensuite (équation 1-3) :
?3? + 6?2? → 3??2+ + 2??
Plusieurs phases d’aluminates de calcium hydratés (C2AH8, C4AH13) vont alors se former.
Du sulfate de calcium peut être ajouté au clinker sous forme de gypse. Il va ralentir l’hydratation du C3A. Le gypse possède également des propriétés hydrauliques (équation 1-4) :
CaSO4, 2H2O → Ca2+ + SO4
Les aluminates (C3A) réagissent avec les ions sulfate du gypse pour former du trisulfoaluminate de calcium hydraté (AFt) ou plus couramment appelé ettringite de formule chimique (CaO)6 (Al2O3)(SO3)3, 32H2O) (équation 1-5).
C3A + 3(CaSO4, 2H2O) + 26H2O → C3A, 3CaSO4, 32H2O (1-5)
Suite à ces réactions le gypse va progressivement s’épuiser tout comme la quantité de sulfate. L’ettringite va alors se dissoudre libérant des ions sulfate qui vont réagir avec l’excédent de C3A pour former du monosulfoaluminate de calcium hydraté (appelé AFm), de formule chimique (CaO)3(Al2O3)(CaSO4),12H2O. L’ettringite remplace ici le gypse en fournissant des ions sulfate. Le C4AF va également s’hydrater pour former de l’aluminoferrite de calcium hydraté. Ainsi à la fin du processus d’hydratation, la pâte de ciment est composée de phases solides (principalement des hydrates (CSH (60 à 70%), aluminates hydratés (10 à 20%), portlandite (15 à 20%)) et de pores remplis d’eau constituant la solution interstitielle. Au cours de l’hydratation, l’eau de gâchage se charge en ions dû à la dissolution des anhydres. Ainsi la composition chimique de la solution interstitielle est modifiée et est constituée de plusieurs ions alcalins (Na+, K+, Ca2+) et hydroxyles (OH-) donnant à cette solution un caractère basique (pH d’environ 13).
Les matériaux cimentaires : mortier et béton
Le mortier est constitué d’une pâte cimentaire comme liant (eau, ciment) et de granulats de type sable. Deux principaux sables sont utilisés dans la conception de mortier, le sable calcaire ou siliceux. Le mortier est très souvent étudié car il est facilement reproductible. De plus, il a plusieurs autres avantages car il possède une bonne maniabilité, une bonne homogénéité, une bonne résistance ainsi qu’une porosité relativement faible. La porosité d’un matériau cimentaire dépend du rapport E/C (Eau/Ciment) définie lors de l’hydratation du ciment. Il existe plusieurs types de pores. La porosité capillaire est formée de pores de gros diamètres (ordre des micromètres) variant suivant le rapport E/C. Les pores de gels sont liés au C S-H formant des pores de petits diamètres (ordre des nanomètres). De plus, la taille des pores et les vides ouverts interconnectés vont agir sur les propriétés de transfert (perméabilité, diffusion des ions) du matériau cimentaire. La porosité du matériau cimentaire varie en fonction de sa composition et va influer sa durabilité. En effet suivant la porosité du matériau cimentaire les agressions chimiques externes peuvent plus facilement pénétrer au sein du matériau et modifier par des phénomènes de dissolutions ou de précipitations sa composition chimique. Celles ci se réalisent dans le but de rétablir un équilibre chimique entre les phases solides de la pâte cimentaire et la solution interstitielle (Guillon, 2004).
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre 1 : Etude bibliographique
Introduction
I. Les matériaux cimentaires utilisés pour la mise en œuvre des infrastructures maritimes
1. Les ciments
1.1. Définition
1.2. Phénomène d’hydratation
2. Les matériaux cimentaires : mortier et béton
II. Effet de l’immersion en milieu marin sur les propriétés d’un matériau cimentaire
1. Attaques chimiques de l’eau de mer
1.1. Les ions chlorure
1.2. Les ions sulfates
1.3. La carbonatation
2. Effet de la zone d’immersion
3. Effet de la bio-colonisation
3.1. Le biofilm, premier colonisateur
3.2. Les micro-organismes photosynthétiques constituant le biofilm
3.2.1. Les diatomées
3.2.1.1. EPS chez les diatomées
3.2.1.2. Morphologie des diatomées
3.2.1.3. Formation du frustule
3.2.1.4. Les facteurs de contrôle de la croissance des diatomées
a) Les nutriments, éléments essentiels à leur métabolisme
b) La lumière : Production primaire de ces organismes photosynthétiques
c) La température
3.3. Espèce de diatomée étudiée : Cylindrotheca closterium
3.4. Formation d’un biofilm et attaques biologiques sur un matériau cimentaire
3.5. Effet protecteur de la bio-colonisation
Conclusion
Chapitre 2 : Matériels et Méthodes
Introduction
I. Matériaux cimentaires étudiés
1. Caractérisation des matériaux de fabrication
1.1. Ciment
1.2. Sable
1.3. Eau
1.4. Granulats
2. Confection des éprouvettes
2.1. Mortier
2.2. Béton
II. Caractérisation du matériau cimentaire et du milieu d’immersion
1. Caractérisation chimique
1.1. Profils d’ions chlorure : analyse par chromatographie en phase ionique
1.2. Mesure du
2. Evaluation de l’évolution de la microstructure et de la composition du matériau cimentaire
2.1. Analyse thermogravimétrique (ATG/DTG)
2.1.1. Détermination de la quantité de Portlandite Ca(OH)2
2.1.2. Détermination de la quantité de Carbonate de calcium (CaCO3)
2.2. La diffraction des rayons X (DRX)
2.3. La Microspectrométrie Raman (MSR)
2.4. Microscope Electronique à Balayage (MEB) couplé à un spectroscope à rayon X (EDS)
3. Caractérisation mécanique : Résistance à la compression
III. Culture de la souche de diatomée sélectionnée : C. closterium
1. Milieu de culture : milieu de Conway
2. Dispositif expérimental des cultures de micro-algues (milieu d’immersion contrôlé en laboratoire)
3. Caractérisation biologique suite à la colonisation du matériau
3.1. Suivi de la colonisation
3.1.1. Evaluation de la biomasse et des paramètres photosynthétiques : Mesure PAM
3.1.2. Le taux d’encrassement
3.1.3. Suivi photographique
3.1.3.1. Observation par microscopie numérique et par macroscopie optique et par fluorescence
Chapitre 3 : Interaction entre un mortier siliceux et Cylindrotheca closterium dans un milieu carencé en silice
Introduction
I. Dispositif expérimental
1. Echantillons de mortier
2. Mise en place du dispositif expérimental
2.1. Milieux d’immersion
3. Suivi de la dissolution de la Silice du mortier
4. Estimation de la Silice Biogène (bSi)
5. Mesure du pH
6. Mesure de la surface cellulaire et du biovolume
7. Extractions de la chlorophylle a
8. Analyse des données
II. Etude de l’interaction entre le mortier et la diatomée étudiée
1. Cinétique de dissolution de la silice du mortier sans et avec la présence de micro-algues dans le milieu
2. Influence de la disponibilité de la DSi sur la croissance de la diatomée
2.1. Densité cellulaire et silice biogène (bSi)
2.2. Biovolume
3. Influence de la disponibilité de la DSi sur la formation de biofilm à la surface du mortier.
Conclusion
Chapitre 4 : Effet du biofilm microphytobenthique sur le mortier en milieu marin
Conclusion générale
