Modélisation des processus physico-chimiques de...

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  • Modlisation des processus physico-chimiques dedgradation du bton arm

    P. Dangla1

    1Universit Paris-Est, NAVIER

    Journes Chimie, 2-3 dcembre 2009

    M. Thiery (LCPC), T.Q. Nguyen, A. Morandeau

    P. Dangla (UPE) Modlisation JC 2009 1 / 42

  • Cintique de dgradation des structures en btonarm

    carbonatationchlorures

    corrosion

    P. Dangla (UPE) Modlisation JC 2009 2 / 42

  • Plan

    1 Transports

    2 Interactions chlorures-matrice

    3 Couplage humidit - chlorures

    4 Carbonatation atmosphrique des btons

    5 Code BIL

    P. Dangla (UPE) Modlisation JC 2009 3 / 42

  • Transports

    Outline

    1 Transports

    2 Interactions chlorures-matrice

    3 Couplage humidit - chlorures

    4 Carbonatation atmosphrique des btons

    5 Code BIL

    P. Dangla (UPE) Modlisation JC 2009 4 / 42

  • Transports

    Loi de Nernst-Planck

    Pour chaque ion :

    J = D(+ ln

    ngligeable

    +zF

    RT)

    = concentration

    = coefficient dactivit

    D = coefficient de diffusion effectif de lion

    = potentiel lectrique lectroneutralit

    P. Dangla (UPE) Modlisation JC 2009 5 / 42

  • Transports

    Coefficient de diffusionD() ?

    Essais de diffusion ou de migration stationnaire [Nugue, 2002]

    fit : D() = D0 k [Chatterji, 1999] ( ?)

    P. Dangla (UPE) Modlisation JC 2009 6 / 42

  • Transports

    Essai de diffusion stationnaire

    Cl

    Na+, K+, Ca2+, OH, Al(OH)4

    FluxQ(t)

    P. Dangla (UPE) Modlisation JC 2009 7 / 42

  • Transports

    Modlisation de lessai de diffusion stationnaireavec coef. constants

    [Bigas, 1994]

    1 espceJ = D

    multi-espcesJi = Di(i + izi FRT )

    P. Dangla (UPE) Modlisation JC 2009 8 / 42

  • Transports

    Potentiel de membrane

    potentiel de jonction = d aux mobilits des ionspotentiel dexclusion = d la charge lectrique porte par la matrice

    (D = D0)

    rd =

    +[Truc, 2000]

    Exp : 20 - 45 mV/cm rd = 10

    P. Dangla (UPE) Modlisation JC 2009 9 / 42

  • Transports

    Modlisation de lessai de migration stationnaire

    Dmig = RTF0E J 6= D

    P. Dangla (UPE) Modlisation JC 2009 10 / 42

  • Interactions chlorures-matrice

    Outline

    1 Transports

    2 Interactions chlorures-matrice

    3 Couplage humidit - chlorures

    4 Carbonatation atmosphrique des btons

    5 Code BIL

    P. Dangla (UPE) Modlisation JC 2009 11 / 42

  • Interactions chlorures-matrice

    Isotherme dinteractions chlorures/matrice

    Essais dimmersion

    P. Dangla (UPE) Modlisation JC 2009 12 / 42

  • Interactions chlorures-matrice

    Modlisation

    C-S-H-OH + Cl C-S-H-Cl + OH

    CSH

    OH OH OH OH

    Cl Cl

    OH sCl = NCSHCl

    OH+Cl

    NC3A Sel de Friedel

    P. Dangla (UPE) Modlisation JC 2009 13 / 42

  • Interactions chlorures-matrice

    Mme modle, Autres formulations

    P. Dangla (UPE) Modlisation JC 2009 14 / 42

  • Interactions chlorures-matrice

    Isotherme simplifi

    sCl = NCSHCl

    OH+Cl+ 2(NC3A + 0.5NC4AF)

    P. Dangla (UPE) Modlisation JC 2009 15 / 42

  • Interactions chlorures-matrice

    Validations en diffusion non stationnaire

    P. Dangla (UPE) Modlisation JC 2009 16 / 42

  • Interactions chlorures-matrice

    Donnes de la modlisation

    Paramtres matriauxPorositTortuositrdContenus en C3AContenus en CHContenus en CSH

    Paramtres physiquesVolumes molaires partielsConstantes dquilibreDiffusions molculaires

    Paramtres CSHParamtres dadsorption (, )

    P. Dangla (UPE) Modlisation JC 2009 17 / 42

  • Couplage humidit - chlorures

    Outline

    1 Transports

    2 Interactions chlorures-matrice

    3 Couplage humidit - chlorures

    4 Carbonatation atmosphrique des btons

    5 Code BIL

    P. Dangla (UPE) Modlisation JC 2009 18 / 42

  • Couplage humidit - chlorures

    Courbe de sorption en prsence de sels

    Equilibre liquide-vapeurpc = RT (ln hr ln aw )

    Activitaw [Lin and Lee, 2003]

    courbe matresse pc(Sl)

    P. Dangla (UPE) Modlisation JC 2009 19 / 42

  • Couplage humidit - chlorures

    Influence du sel sur la mesure de la teneur en eaupar gammadensimtrie

    sans sel

    P. Dangla (UPE) Modlisation JC 2009 20 / 42

  • Couplage humidit - chlorures

    3 % de sel / masse de ciment

    = cst (Cl)

    P. Dangla (UPE) Modlisation JC 2009 21 / 42

  • Carbonatation atmosphrique des btons

    Outline

    1 Transports

    2 Interactions chlorures-matrice

    3 Couplage humidit - chlorures

    4 Carbonatation atmosphrique des btons

    5 Code BIL

    P. Dangla (UPE) Modlisation JC 2009 22 / 42

  • Carbonatation atmosphrique des btons

    Contexte

    Diffusion du CO2dans le bton

    Hydrates carbonatsbaisse du pH de 13-14 8-10

    Corrosion des arma-tures

    P. Dangla (UPE) Modlisation JC 2009 23 / 42

  • Carbonatation atmosphrique des btons

    Principe de la carbonatation

    FIG.: Description succinte du mcanisme de carbonatation. Pas dalcalins(Na et K), modle simplifi de carbonatation des C-S-H.

    P. Dangla (UPE) Modlisation JC 2009 24 / 42

  • Carbonatation atmosphrique des btons

    Carbonatation de Ca(OH)2

    Essai de carbonatation acclre

    P. Dangla (UPE) Modlisation JC 2009 25 / 42

  • Carbonatation atmosphrique des btons

    Validation

    simulation dun essai de carbonatation acclre

    P. Dangla (UPE) Modlisation JC 2009 26 / 42

  • Carbonatation atmosphrique des btons

    volution de la microstructure

    = vCaCO3(nCaCO3) + vCa(OH)2(n0Ca(OH)2 nCa(OH)2)+ vCSH(n0CSH nCSH)

    vCSH 72 cm3/mole

    P. Dangla (UPE) Modlisation JC 2009 27 / 42

  • Carbonatation atmosphrique des btons

    Carbonatation des ciments composs

    Substitution de sous-produits au clinker (Cendres volantes,laitiers, fillers calcaires,...)Consquences : ces nouveaux liants sont plus vulnrablesvis--vis du phnomne de carbonatation.

    - Rduction de la teneur en portlandite (CH) donc plus de C-S-H- Accroissement de la quantit dalcalins (Na et K)- Modifications microstructurales (porosit, permabilit, ...)

    Dvelopper/adapter des modles numriques- Modle de carbonatation des CSH (modle de solutions solides)

    P. Dangla (UPE) Modlisation JC 2009 28 / 42

  • Carbonatation atmosphrique des btons

    Influence des alcalins

    Na+ + OH NaOH0

    Na+ + HCO3 NaHCO3Na+ + CO23 NaCO

    3K+ + OH KOH0

    P. Dangla (UPE) Modlisation JC 2009 29 / 42

  • Carbonatation atmosphrique des btons

    Carbonatation des C-S-H

    Avant : Cintique du 1er ordre en CO2CxSyHz + xCO2 xCaCO3 + SyHz

    Problme :

    la stoechiomtrie nest pas bien connuele caractre tampon des CSH nest pas pris encompte

    Amlioration : Modle de solution solide

    P. Dangla (UPE) Modlisation JC 2009 30 / 42

  • Carbonatation atmosphrique des btons

    Chimie de CO2 - H2O - CaO - SiO2 (C - H - C - S)

    Ractions de dissociation des solides

    Portlandite CH Ca2+ + 2OH

    Calcite CC Ca2+ + CO23C-S-H CxSyHz xCa2+ + 2xOH + ySiO02 + (z - x)H2OSilice(am) S SiO02

    C-S-H (ple) C/S (x , y , z)Silice amorphe 0 (0 , 1 , 0)Tobermorite I 0.8 (2 , 2.4 , 4)Tobermorite II 0.8 (1.5 , 1.8 , 3)Jennite 1.6 (1.5 , 0.9 , 2.4)

    Le modle de solution solide permet de dcrire de faon continue ladcalcification des C-S-H et leur interaction avec la solutioninterstitielle.

    P. Dangla (UPE) Modlisation JC 2009 31 / 42

  • Carbonatation atmosphrique des btons

    quilibre CSH - S

    2 phases solides

    0

    0.2

    0.4

    0.6

    0.8

    1

    1e-07 1e-06 1e-05 0.0001

    ACSH

    QS/K

    S

    QCH/KCH

    nS 0

    nCSH = 0

    nS = 0

    nCSH 0

    QCSH/KCSH = 1

    P. Dangla (UPE) Modlisation JC 2009 32 / 42

  • Carbonatation atmosphrique des btons

    quilibre CSH - S

    1 phase considre comme une solution solide

    0

    0.2

    0.4

    0.6

    0.8

    1

    1e-07 1e-06 1e-05 0.0001

    XS

    QCH/KCH

    QCSH/KCSH = 1

    Les fractions molaires solides sont Xi = Qi/Ki , avec XCSH + XS = 1.P. Dangla (UPE) Modlisation JC 2009 32 / 42

  • Carbonatation atmosphrique des btons

    Modle 4 ples

    0

    0.2

    0.4

    0.6

    0.8

    1

    1e-14 1e-12 1e-10 1e-08 1e-06 0.0001 0.01 1 0

    0.2

    0.4

    0.6

    0.8

    1

    1.2

    1.4

    1.6

    frac

    tion

    solid

    e

    C/S

    Qp/Kp

    SiO2(am)JenniteTobermoriteIITobermoriteITobermorite (I+II)C/S

    P. Dangla (UPE) Modlisation JC 2009 33 / 42

  • Carbonatation atmosphrique des btons

    Simulation de la carbonatation homogne sansalcalins

    0

    2

    4

    6

    8

    10

    12

    14

    16

    18

    20

    0 0.5 1 1.5 2

    conc

    entr

    atio

    n in

    [m

    M]

    or p

    H

    Total C/S ratio in the system

    pH simulationCa(aq) simulationSi(aq) simulation

    Ca(aq) dataSi(aq) data

    pH data

    rsultats exprimentaux daprs [Greenberg and Chang, 1965]

    P. Dangla (UPE) Modlisation JC 2009 34 / 42

  • Carbonatation atmosphrique des btons

    Simulation de la carbonatation homogne avecalcalins

    0.01

    0.1

    1

    10

    100

    0 0.5 1 1.5 2

    conc

    entr

    atio

    n in

    [m

    M]

    Total C/S ratio in the system

    Ca(aq) simulationSi(aq) simulation

    Ca(aq) dataSi(aq) data

    P. Dangla (UPE) Modlisation