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Développements micromécaniques pour l'analyse des couplages chemoporomécaniques dans les matériaux cimentaires - Problématiques de la carbonatation et.

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1 Développements micromécaniques pour l'analyse des couplages chemoporomécaniques dans les matériaux cimentaires - Problématiques de la carbonatation et de la corrosion Journées thématiques du Groupement MoMaS Modèles et couplages Lyon, les 4 et 5 novembre 2008 Eric Lemarchand – Luc Dormieux (LMSGC - Navier – Univ. Paris Est)

2 Plan de la présentation Problématique et enjeux industriels (carbonatation, corrosion) Stratégie retenue 1.Description multi-échelle 2.Outils micromécaniques (microstructures aléatoires) Loi dévolution dinterface sous contrainte

3 carbonatation atmosphérique / corrosion des armatures CO 2 Extérieur Expansion section effective Coulée de rouille Couplages Transports (CO 2, eau liquide, ions) Réactions chimiques (colmatage des pores) Effets d'un chargement macroscopique

4 Objectifs généraux (à long terme) Endommagement, Durabilité ?

5 Hydratation/Structuration des matériaux cimentaires Ciment anhydre + Eau hydratation Microstruture hétérogène structuration Matériau cimentaire à maturité (macrohomogénéité apparente) PRISE DURCISSEMENT (liquide, solide viscoélastique)(milieux poreux) Phase solide: anhydres, hydrates Porosité: capillaires, gel Saturation partielle: eau +/- liée, air Cortèges ioniques libérés Dissolutions / Précipitations Organisation microstructurale

6 Carbonatation de la portlandite Amas sphériques de cristaux de Ca(OH) 2 Cinétique de dissolution de Ca(OH) 2 h : constante cinétique s, R i : variables géométriques D : coefficient de transport NB: la dissolution des CSH ne sera pas abordé dans un premier temps !

7 Carbonatation - équations de transport (Thiery M., LCPC) Diffusion du CO 2 (flux molaire de CO 2 ) Transport de leau liquide ([Mainguy, 2001]) Vitesse de filtration de leau Permeabilité intrinsèque [Van Genutchen, 1980] Permeabilité relative Coeff. diffusion dans lair Transport des espèces en solution aqueuse (flux molaire) Coeff. de diffusion des ions (fonction de et S) est donné en imposant un courant électrique = nul électroneutralité Facteur de résistance [Papadakis, 1991] Calibration dune loi :

8 La corrosion des bétons armés ( Dangla P., LMSGC, 2006 )

9 Le phénomène de corrosion à léchelle locale

10 Caractérisation de la rouille (Caré S., LMSGC) ( Projet Navier/LMS/CNRS/ENPC/LCPC)

11 Pâte de ciment - Morphologie retenue Ciment anhydre « Inner CSH » (Sanahuja & Dormieux, 2008) « Outer CSH » CH + prise en compte de la Portlandite ! « Inner CSH » « Outer CSH » Ciment anhydre

12 Béton armé - Morphologie retenue CH Pâte de ciment mortier Grains de sable (0.1 – 1 mm) homogénéisation Béton armé Granulats (1 cm) armature

13 Diffusion locale et globale – hors phénomènes dinterface CH « outer » CSH n

14 Diffusion locale et globale – hors phénomènes dinterface CH Coefficient de diffusion homogénéisé ? Schéma auto-cohérent n n +++ …

15 Diffusion locale et globale – hors phénomènes dinterface CH

16 CH Diffusion locale et globale – hors phénomènes dinterface Coefficient de diffusion homogénéisé ? Schéma auto-cohérent +

17 Effets de pores capillaires Etc …

18 Pâte de ciment – Hydratation (Powers) On peut proposer une évolution des propriétés de diffusion du matériau cimentaire aux différentes échelles despace au cours du phénomène dhydratation en fonction du rapport E/C et du degré dhydratation (modèle de Powers par exemple) !

19 Effet dun chargement macroscopique carbonatation corrosion

20 Dissolution sous contrainte Application dun chargement Dissolution du solide Phase solide Phase fluide hypothèse: = Non équilibre local Équilibre local = Phase solide Phase fluide Matériaux poreux

21 Loi de dissolution/précipitation sous contrainte Quel est limpact qualitatif et quantitatif de lapplication dun chargement macroscopique sur les processus locaux de dissolution/précipitation dune matrice solide ? Micromecanique

22 Système thermodynamique = la phase solide Célérité dinterface Porosité associée

23 Couplage chemo-mécanique: approche énergétique Dissipation (conditions isothermes et quasistatiques) Dérivée matérielle de lénergie libre stockée dans le solide Puissance des Efforts extérieurs au système thermodynamique (solide)

24 Mechanical: Chemical:

25 Avant dissolution: Après dissolution: Énergie libre convectée par la dissolution

26 Dissipation Dissipation chimique Chemo-poro-élasticité Paramètres de chargement Dissipation mécanique

27 Chemo-poro-élasticité

28 Loi de dissipation locale Mechanical affinity ( in ) Gibbs chemical energy

29 Conclusions partielles et perspectives Objectifs: Modélisation multi-échelle et multi-physique introduisant des cinétiques chimiques dans une démarche micromécanique 1.Compréhension du matériau cimentaire hors couplages chemo-mécaniques Comportement (poroélasticité,fluage) [Sanahuja,2008] Transport: le choix de la microstructure suffit ! 2.Prise en compte des couplages chemo-mécaniques sous chargement Couplages dans la loi locale de dissolution/précipitation identifiés comportement transport Application directe à la carbonatation et à la corrosion 3.Endommagement – Propagation de fissures …


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