Soutenance mémoire
LES MATERIAUX CIMENTAIRES
Le béton est un matériau composite constitué de granulats liés avec une pâte cimentaire. La pâte cimentaire est issue du mélange d’eau et d’un liant hydraulique, le ciment Portland, qui, par réaction chimique en présence d’eau, produit des hydrates stables. Sa composition chimique complexe est constitué de plusieurs phases minérales solides (cristallines ou amorphes). Le béton est un géomatériau cohésif et présente de nombreuses similitudes avec les sols et les roches.
LES DIFFERENTES PHASES DU BETON DURCI
Une fois durci, les caractéristiques observées à chacune des échelles apportent des informations qui nous renseignent sur les propriétés du béton. Qu’il s’agisse d’études expérimentales ou de modélisations, identifier l’échelle d’observation et y associer un volume élémentaire représentatif est indispensable car, le plus souvent dans le béton, les résultats obtenus sur ce volume élémentaire représentatif ne sont pas directement transposables aux autres échelles d’observation.
Le volume macroscopique du béton durci est approximativement constitué de 60 à 75% de granulats, de 20 à 30% de pâte cimentaire et de 2 à 10% de vides d’air.
STRUCTURE DE LA PATE DE CIMENT HYDRATE
Les caractéristiques intrinsèques de la pâte cimentaire dépendent de sa constitution chimique initiale mais également des adjuvants contenus dans la formulation du béton, des quantités et des propriétés des granulats, des paramètres de fabrication (malaxage, compactage), des conditions de cure, et des conditions de mûrissement (taux d’hydratation évoluant dans le temps). L’ensemble de ces paramètres influe de manière importante sur l’hydratation de la pâte cimentaire.
Un ciment Portland artificiel est composé d’environ 95% de clinker (calcination puis broyage d’un mélange d’acide silicique d’alumine, d’oxyde de fer et de chaux) et de 5% de sulfate de calcium.
Hydratation de la pâte cimentaire
Un ciment est un composé polyphasé et la réaction thermodynamique d’hydratation est spécifique à chaque phase. Les composés hydratés formés sont amorphes ou présentent une structure nanocristalline, ce qui rend leur étude particulièrement complexe. Seules les propriétés de stabilité des différentes phases sont sommairement présentées ci-après.
Les silicates de calcium produisent, lors de l’hydratation en présence d’eau, des silicates de calcium hydratés (CSH) et de la portlandite :
C3S ou C2S + H ➩ CSH (α ou β) + CH
Cette présentation sous la forme de notation cimentaire est une abréviation des notations chimiques où on utilise l’initiale des oxyde au lieu des symboles chimiques classiques : C pour CaO3, S pour SiO2, H pour H2O, A pour Al2O3 et F pour Fe2O3.
Le CSH est un composé amorphe stable (dit gel de CSH). Lors de l’hydratation, des CSH de différente densité (α et β) se forment en fonction de leur accès à l’eau. De manière générale, les CSH ont une forte densité et une surface spécifique élevée accompagnée d’une forte densité de charge en surface. Les propriétés de surface des CSH sont supérieures aux propriétés internes :
➤ un pH élevé avec une ionisation importante et la forte densité de charge sur les CSH assure une bonne cohésion du matériau,
➤ les CSH sont peu solubles (quelques µmol/L soit de l’ordre de 1 mg/L) en comparaison de la portlandite, cependant si le pH chute au-dessous de 10, sa solubilité augmente.
Des deux silicates hydratés, la portlandite (CH) est le composé le moins « stable ». Cette structure cristalline hexagonale est la phase la plus soluble : 22 mmol/L à 25°C soit 1,6 g/l, ce qui équivaut à un pH = 12,6. Cette phase maintient un pH élevé de la solution interstitielle. L’apport de CO2 provoque une carbonatation du béton et produit du CaCO3 (calcite ou carbonate de calcium).
Les quantités d’hydrates formés dépendent essentiellement du rapport E/C et du degré d’hydratation. La proportion des composés formés dans la pâte de ciment durcie est la suivante :
➤ 50 à 70% de CSH
➤ 25 à 30% de CH
➤ faible proportion de Afm et Aft
En fin d’hydratation, la pâte contient :
➤ des hydrates,
➤ des grains de ciment anhydre, car l’hydratation n’est jamais complète,
➤ de l’eau libre et de l’eau liée à la matrice cimentaire,
➤ un réseau poreux.
On notera que le retrait chimique lors de l’hydratation est relativement bien connu avec l’étude de la pâte cimentaire issue de coulis de ciment. Les études sur les mortiers et les bétons donnent des résultats à l’échelle macroscopique mais l’analyse microscopique de ces matériaux reste délicate en raison de l’hétérogénéité de la pâte cimentaire . Ce retrait peut générer un réseau de fissurations qui peut avoir une influence lorsque le matériau saturé est soumis à des cycles de gel-dégel.
Porosité
La porosité de la pâte cimentaire des bétons est constituée de plusieurs familles de vides comprises entre quelques millimètres et quelques nanomètres.
Un volume apparent de béton peut être décomposé en différents volumes :
● solide,
● pores ouverts (communicant vers l’extérieur), parmi lesquels on peut distinguer les connectés à d’autres pores et les non-connectés,
● pores fermés.
Dans cette répartition le volume apparent ne peut être traversé par un liquide qu’au travers des pores ouverts connectés.
Par ordre décroissant on retrouve :
● les défauts de compactage et les vides d’air piégés,
● les bulles d’air entraînées (quelques µm à quelques mm),
● les pores capillaires (quelques dizaines de nanomètres à quelques µm) sont les espaces inter-granulaires créés par la consommation d’eau lors de l’hydratation,
● les pores formés à l’intérieur des produits d’hydratation (parfois appelés pores de gel).
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre 1 Phénoménologie du gel des bétons : revue bibliographique
1.1 Les matériaux cimentaires
1.1.1 Les différentes phases du béton durci
1.1.2 Structure de la pâte de ciment hydraté
1.1.3 L’eau contenue dans un béton
1.2 Changement de phase des solutions contenant des sels
1.2.1 Formation de glace
1.2.2 Diagramme des phases du système NaCl-H2O
1.2.3 Formation de glace d’eau de mer
1.2.4 Front de solidification des suspensions colloïdales
1.2.5 Interface glace-béton
1.3 Détérioration des géomatériaux exposés à des cycles de gel-dégel
1.3.1 Gel interne
1.3.2 L’écaillage
1.3.3 Paramètres d’influence de la résistance au gel et à l’écaillage
1.3.4 Analogie avec la détérioration des roches
1.4 Essais en laboratoire de caractérisation de la résistance au gel-dégel et à l’écaillage
1.4.1 Essais performantiels de résistance au gel des bétons
1.4.2 Caractérisation de l’air contenu dans un béton
1.4.3 Essais performantiels de résistance à l’écaillage
1.4.4 Autres essais de résistance au gel-dégel applicables en France
1.5 Exposition des ouvrages et spécification des bétons
1.5.1 Définition des classes d’exposition
1.5.2 Les essais à réaliser sur un béton exposé au gel
1.6 Synthèse sur la phénoménologie de l’exposition des bétons aux cycles de gel-dégel avec ou sans sels
Chapitre 2 Étude expérimentale
2.1 Présentation de la partie expérimentale
2.2 Caractérisation de la résistance au gel interne par analyse d’image
2.2.1 Introduction
2.2.2 Méthode d’évaluation de la surface de pâte
2.2.3 Méthode de détection du réseau de bulles d’air
2.2.4 Calcul du facteur d’espacement selon la norme NF EN 480-11
2.2.5 Comparaison des methodes d’évaluation du facteur d’espacement
2.3 Campagnes expérimentales sur béton selon l’essai normalisé d’écaillage
2.3.1 Objectifs des campagnes expérimentales
2.3.2 Fabrication et caractérisation de 3 formules de béton
2.3.3 Répétabilité de l’essai normalisé d’écaillage
2.3.4 Résultats d’écaillage sur béton exposé à des solutions contenant différentes concentrations de NaCl
2.3.5 Pénétration des ions chlorure au cours de l’essai d’écaillage
2.3.6 Identification du changement de phase de la solution de surface
2.3.7 Synthèse des résultats des essais sur béton
2.3.8 Essais complémentaires sur mortier et coulis de ciment
2.4 Gel interne et écaillage sur mortier et coulis immergés
2.4.1 Présentation générale de la campagne expérimentale
2.4.2 Résultats d’essais sur cubes avec une exposition de surface
2.4.3 Résultats d’essais sur prismes partiellement immergés
2.4.4 Synthèse des résultats de gel interne et écaillage sur coulis et mortier
Chapitre 3 Analyse des résultats
3.1 Caractérisation de la résistance au gel d’un béton à l’aide du facteur d’espacement et de l’essai normalisé d’écaillage
3.1.1 Synthèse de l’évaluation du Lbarre par analyse d’image
3.1.2 Analyse statistique du résultat d’essai normalisé d’écaillage
3.1.3 Nouvelle interprétation du résultat d’essai d’écaillage
3.1.4 Synthèse de l’analyse statistique de l’essai normalisé d’écaillage
3.2 Approche globale de la résistance au gel en présence de sels d’un matériau cimentaire par essais performantiels
3.2.1 Conditions d’exposition
3.2.2 Mesures de fréquence de résonance, gonflement, et écaillage
3.2.3 Répétabilité des mesures de perte de masse, fréquence de résonance et allongement relatif
3.2.4 Matériaux testés
3.2.5 Synthèse
3.3 Proposition de mécanismes de dégradation
3.3.1 Mode de solidification de la solution de surface
3.3.2 Mécanismes de dégradation par couche
3.3.3 Mécanisme de dégradation par éclats de surface
Conclusions
