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