Expansion and stresses induced by crystallization in cement-based materials in presence of sulfates

Résumé : La cristallisation du sel dans les pores peut conduire à l'expansion d'une variété de milieux poreux, y compris le béton, la pierre ou les sols. Par exemple, les attaques sulfatiques de matériaux cimentaires peuvent conduire à des cristallisations du gypse ou de l’ettringite, qui peuvent causer un endommagement et limiter la durabilité des structures en béton. Une meilleure compréhension de la façon dont la cristallisation induit la déformation des matériaux cimentaires est une condition préalable à la conception de moyens efficaces pour atténuer les effets néfastes de la cristallisation du sel. Dans cette thèse, nous cherchons à comprendre comment la cristallisation conduit à l'expansion, pour les matériaux à base de ciment dans le cas spécifique de la présence d'ions sulfatiques, qui est un cas pertinent pour la compréhension des attaques sulfatiques. La principale originalité de l'étude a été de réaliser des expériences avec des matériaux granulaires compactés dans des cellules œdométriques ou isochores. Les échantillons testés ont été fabriqués par broyage de pâtes de C3S, de pâtes de ciment Portland ordinaire, ou des mélanges des phases dont ces pâtes sont constituées (par exemple, monosulfoaluminate AFm), puis de les compacter dans des éprouvettes cylindriques sur une hauteur de 2 cm. Dans les cellules, les échantillons compactés sont très perméables et peuvent être saturés avec des solutions de sulfate de sodium en moins d’1 heure. Dans une cellule œdométrique, l'échantillon est empêché de se dilater radialement, mais est autorisé à se dilater axialement: nous avons mesuré comment des injections de solutions induisent une expansion axiale. Dans une cellule isochore, l'échantillon est empêché de se dilater à la fois radialement et axialement: nous avons mesuré comment des injections de solutions provoquent le développement de contraintes axiales et radiales. Un point notable des cellules isochores que nous avons développées est que toute solution s’évacue le long de l'échantillon et peut être récupérée: ainsi, à partir des mesures des concentrations et des volumes de solutions d'entrée et de sortie, la quantité de sulfates restant dans l'échantillon au cours des expériences pourrait être déterminée. En parallèle des mesures de déformation/contrainte, nous avons effectué des caractérisations minéralogiques et microstructurales des échantillons en utilisant une variété de techniques, notamment : la fluorescence X, l’analyse thermogravimétrique, la diffraction des rayons X, la résonance magnétique nucléaire d'aluminium et la microscopie électronique à balayage avec analyse aux rayons X. Les évolutions des concentrations de sortie et de la minéralogie au cours du processus d'injection ont pu être bien prédites avec le logiciel CHESS de modélisation géochimique. Les résultats expérimentaux de la campagne, en conjonction avec les résultats des caractérisations minéralogiques et microstructurales, ont permis de révéler quels sont les principaux paramètres qui régissent l'expansion. Grâce à ce protocole original que nous avons développé, l'expansion ou le développement de contraintes a commencé immédiatement après l'injection de la solution, s’est stabilisé au bout de quelques jours à quelques semaines, et la cristallisation a eu lieu de façon homogène sur toute la hauteur de l'échantillon. En outre, nous avons montré que la cristallisation du gypse contribue à l'expansion. Dans les tests isochores, nous montrons que les deux cristallisations d'ettringite et de gypse peuvent induire des contraintes, et que l'amplitude de ces contraintes dépend linéairement du volume de ces cristaux formés. Les conclusions tirées de cette étude expérimentale permettent de mieux comprendre les processus physiques par lesquels la cristallisation induit une expansion ou des contraintes dans des solides poreux, et permettent d’orienter la modélisation des attaques sulfatiques dans les matériaux cimentaires
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Materials. Université Paris-Est, 2016. English. 〈NNT : 2016PESC1096〉
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Nam Nghia Bui. Expansion and stresses induced by crystallization in cement-based materials in presence of sulfates. Materials. Université Paris-Est, 2016. English. 〈NNT : 2016PESC1096〉. 〈tel-01459137〉

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