MICROSTRUCTURES DU BETON

Contexte général

Dans le domaine de la construction des ouvrages en béton armé, longtemps les ingénieurs bâtisseurs s’intéressaient seulement à la résistance mécanique comme paramètre devant offrir la sécurité en reprenant l’ensemble des sollicitations, sans pour autant se soucier de la durée de vie de ces ouvrages évoluant dans des milieux d’agressivité diverses. Parmi les agents agressifs pouvant nuire à l’intégrité des ouvrages construits, nous citons : la température diurne, la carbonatation, l’alcali-réaction, la diffusion des ions chlores, etc. Ce sont autant de maladies qui peuvent agir en synergie pour diminuer la basicité du béton dont le pH avoisine 13 et qui est à l’origine de la protection des armatures en acier contre la corrosion. Cette notion relative à la durabilité des ouvrages est maintenant connue et de récentes normes telle que la norme EN 206-1 met en revue des indicateurs qui permettent un meilleur diagnostic des constructions soumises à l’agressivité de leur environnement immédiat. Aux plans national et international, de nombreux chercheurs se sont intéressés à cette problématique en vue de comprendre le comportement des bétons soumis aux différentes agressions précitées. Le milieu marin et particulièrement les chlorures présents dans l’eau de mer ou les embruns salins sont considérés comme une menace potentielle pour les constructions en béton armé sur le littoral. Cependant, la majeure partie des travaux de recherche se sont focalisés sur la partie des ouvrages complètement immergée, considérée comme saturée en eau de mer.

Au sein du laboratoire de recherche EOLE, un certain nombre de travaux consacrés à l’étude de ces phénomènes ont été soutenus. TOUIL Brahim [TOU 2009] a étudié au laboratoire la pénétration des chlorures en zone saturée dont le transfert est gouverné par la diffusion des ions sous gradient de concentration. Dans un milieu partiellement saturé ou soumis aux cycles d’humidification-séchage, telles que les parties d’ouvrages exposées aux marées, embruns et sels de déverglaçage, les chlorures sont également susceptibles de migrer avec la phase liquide interstitielle par convection.

La carbonatation

La carbonatation est la cause des différentes modifications dans la structure du matériau. Elle provient de la pénétration du dioxyde de carbone (CO2) dans le béton, qui se dissous dans l’eau et réagit avec l’hydroxyde de calcium (Ca(OH)2 – sous forme de silicates de calcium ou de portlandite) pour former du carbonate de calcium (CaCO3). Ce phénomène est appelé la carbonatation, il en résulte la diminution du pH de la solution interstitielle. Lorsque la carbonatation atteint les armatures, elles sont dépassivées puisque la couche de passivation est stable juste dans un milieu basique, donc on aura de la corrosion. La carbonatation n’altère pas forcément les propriétés mécaniques du béton, elle les améliore dans certains cas. Elle met uniquement les armatures en danger. La vitesse de la carbonatation dépend de la teneur en humidité du béton, et aussi de la perméabilité au gaz du béton pour que le CO2 pénètre au sein du réseau poreux.

La dépassivation :

L’immunité des armatures est assurée par une sorte de film passif, issu de la création à la surface des aciers noyés dans béton, d’une oxydation rapide formée par l’action de la chaux libérée par les silicates de calcium sur l’oxyde de fer. Le processus de la corrosion induit par les ions chlores, s’amorce après l’affranchissement du béton d’enrobage par ces derniers, et l’atteinte d’un seuil critique de concentration en chlorures qui dépassivera suite à cet effet le film passif. Les méthodes de détermination de ce seuil critique de concentration en chlorures sont diverses. Certains chercheurs ont exprimé cette phase à l’aide du rapport de la concentration en chlorures libres et celle des ions d’hydroxydes protecteurs (OH-). Selon Hausmann (1976) le rapport [Cl-]/[OH-] est approximatif de 0,6. En revanche, Raharinaivo (1986) montre que la limite est atteinte lorsqu’on a égalité des deux concentrations sauf et à contrario à Hausmann, cette théorie tient compte de la porosité ainsi que la distribution des tailles des pores. D’autres ont considéré que la qualité et la nature des produits d’oxydations à la surface de l’acier influencent fortement le seuil de concentration critique. Enfin, il est difficile de préciser d’une manière crédible la concentration critique capable d’amorcer la corrosion des armatures. L’influence de différents facteurs comme la composition du béton, la teneur en C3A, le rapport E/C, l’humidité relative, la température, la microstructure en contact avec l’acier et l’état de surface de l’acier sont autant de facteurs qui présentent une incidence sur ce paramètre. En présence de trop d’ions chlorures dans le béton, on observe la corrosion des aciers (figure II.5). Ils modifient la morphologie de la couche passive en donnant des ions FeCl3 – ou FeCl2 :

MESURE EN DIFFUSION NATURELLE

Avant d’entamer la diffusion naturelle, on peut définir de façon qualitative le mouvement brownien comme étant le mouvement aléatoire, «perpétuel», dans les trois directions de l’espace, de particules se trouvant en suspension dans un fluide. Il trouve son origine dans les collisions des molécules du liquide, ce qui a pour conséquence visible le déplacement aléatoire de la particule (mouvement brownien). En ce qui concerne le déplacement des molécules, c’est l’agitation thermique qui en est responsable, chaque molécule collisionne avec une énergie cinétique égale à 3/2 kbT [RUS 1989] répartie de façon égale entre les trois axes de translation (donc ½ kbT le long d’un axe donné). Du mouvement brownien résulte la diffusion Brownienne dont les effets peuvent être perçus au niveau macroscopique puisqu’elle permet aux particules de rester dispersées et donc de ne pas s’agréger ou sédimenter sous certaines conditions. La seconde loi de Fick permet de déterminer la concentration d’une espèce en fonction du temps et de la position. Pour un cas unidimensionnel elle s’écrit [CAN 2009] :

Où C représente la concentration de l’espèce en question, t le temps, x le déplacement et D le coefficient de diffusion. En terme de concentration, on peut dire que la diffusion brownienne se traduit par l’homogénéisation de la concentration des molécules. La solution de l’équation II.11 dépend des conditions aux limites imposées ainsi que du coefficient de diffusion dont l’ordre de grandeur pour des liquides ordinaires ayant des petites molécules, est de 1.10−9 m.s−1. Parmi les nombreuses études menées sur le mouvement brownien, ce sont les travaux d’Einstein en 1905 [HAW 2002] qui marquent le début d’une nouvelle façon de percevoir la matière en s’appuyant surtout sur la notion de mécanique statistique. Pour essayer de comprendre le mouvement aléatoire des particules, au début les scientifiques cherchent à caractériser le déplacement moyen <x> d’une seule particule, comme étant une fonction de probabilité P(x,t) dépendante du temps et de l’espace. Pourtant on s’aperçoit que le déplacement moyen n’est pas le meilleur paramètre pour décrire la trajectoire d’une particule vu que la fonction de probabilité ou plutôt la courbe représentant la distribution normale associée, est symétrique, ce qui implique un déplacement moyen égal à zéro. Il est alors plus judicieux de moyenner les distances parcourues. Ainsi, en prenant la racine de la moyenne du carré du déplacement, on trouve que le déplacement moyen d’une particule est proportionnel à la racine carrée du temps, où le coefficient de proportionnalité n’est autre que le coefficient de diffusion:

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Table des matières

Liste des figures
Liste des tableaux
INTRODUCTION GENERALE
Contexte générale
2.Problématique
3.Objectif
4.Organisation générale du mémoire
CHAPITRE 1 :MICROSTRUCTURES DU BETON
I.1Introduction
I.2. Définition de la microstructure
I.3 Les caractéristiques chimiques générales des ciments(CEM I et CEM
1.4.Hydratation
I.4.1. Hydratation des matériaux à base du ciment CEM I
I.4.2. Hydratation des matériaux à base du ciment CEM V
I.5 La porosité et la structure poreuse
I.5.1 Caractérisation de la porosité
I.6 La compacité d’un béton G/S et son rôle dans la durabilité
I.7 Conclusion
CHAPITRE 2 : DURABILITE ET PROPRIETES DE TRANSFERT DANS LES BETONS
II.1 Introduction
II.2 Définition de la durabilité
II.3 Les indicateurs de la durabilité
III.3.1 La carbonatation
II.3.2 La porosité accessible a l’eau
II.3.3 La diffusion
II.3.4 La perméabilité a gaz
II.4 La corrosion des armatures
II.4.1 Les étapes de la corrosion
II.5 Mesure en diffusion naturelle
II.5.1 Diffusion en régime stationnaire
II.5.2 Diffusion en régime non stationnaire
II.6 Mesure sous champ électrique
II.6.1 Migration en régime stationnaire
II.6.2 La migration en régime non stationnaire
II.7 Définition deDapp et Deff
II.7.1 Méthodes de détermination de Dୣ୤୤en régime stationnaire
II.7.2 Méthodes de détermination de Dୣ୤୤en régime transitoire
II.8 Classification des bétons
II.9 Techniques de réparation
II.9.1 Projection par voie sèche
II.9.2 Projection par voie humide
II.9.3 Projection manuelle du mortier
II.9.4 Béton coffré
II.10 Conclusion
CHAPITRE 3 : MÉTHODES ET EXPÉRIENCES
III.1 Introduction
III.2 Les lois du transport au sein du béton
III.2.1 Description phénoménologique de la pénétration des chlorures
III.2.2 Récapitulatif
III.2.3 Transport de la phase gazeuse
III.2.4 Transport des chlorures dans la phase liquide
III.3 Modélisation de la pénétration des chlorures
III.3.1 Modèles fondés sur la loi de FICK
III.3.2 Modèles érigés sur la loi de NERNST-PLANCK
III.4 L’impact de certains paramètres sur la diffusion
III.4.1 Compacité
III.4.2 Rapport E/C, classe du ciment et durée de cure
III.4.3 Additions minérales
III.4.4 La température
III.4.5 L’endommagement (fissuration)
III.5 MOYENS
III.5.1 Description du banc d’essai de migration et principe de l’essai
Conclusion
CHAPITRE IV :PROGRAMME EXPERIMENTAL
IV.1 Introduction
IV.2 Les matériaux
Ciment
Granulats
IV.2.3Pouzzolane
IV.3 Le béton utilisé
IV.3.1 Préparation du béton
IV.3.2 Confection des éprouvettes
IV.3.3 Cure des bétons
IV.3.4 Caractéristiques mécaniques
IV.3.5 Préparation des échantillons
IV.4 Porosité accessible à l’eau
IV.4.1 Mode opératoire
IV.5 Diffusion des ions Clି
IV.5.1 Préparation des échantillons
IV.5.2 Procédure
IV.5.3 Tension appliquée
IV.5.4 Titration des solutions
IV.5.5 Calcul de coefficient de diffusion
IV.6 Conclusion
CHAPITRE 5 : RESULTATS ET DISCUSSION
V.1 Introduction
V.3 Résultats et interprétations
V.2.1 Évaluation de la porosité accessible a l’eau
V.2.2 Évaluation des résultats de l’essai de migration
V.3 Conclusion
CONCLUSION GENERALE