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

Plan de la présentation Problématique et enjeux industriels (carbonatation, corrosion) Stratégie retenue Description multi-échelle Outils micromécaniques (microstructures aléatoires) Loi d’évolution d’interface sous contrainte

carbonatation atmosphérique / corrosion des armatures Expansion  section effective Coulée de rouille CO2 Extérieur Couplages Transports (CO2, eau liquide, ions)‏ Réactions chimiques (colmatage des pores)‏ Effets d'un chargement macroscopique

Objectifs généraux (à long terme) Endommagement, Durabilité ?

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

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

Carbonatation - équations de transport (Thiery M., LCPC) Diffusion du CO2 (flux molaire de CO2) Facteur de résistance [Papadakis, 1991] Calibration d’une loi : Coeff. diffusion dans l’air Transport de l’eau liquide ([Mainguy, 2001])‏ Vitesse de filtration de l’eau Permeabilité intrinsèque [Van Genutchen, 1980] Permeabilité relative 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

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

Le phénomène de corrosion à l’échelle locale

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

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

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

Diffusion locale et globale – hors phénomènes d’interface « outer » CSH CH CH CH n CH CH CH CH

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

Diffusion locale et globale – hors phénomènes d’interface CH 1.0 0.5 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Diffusion locale et globale – hors phénomènes d’interface CH Coefficient de diffusion homogénéisé ? + Schéma auto-cohérent

Effets de pores capillaires 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0.5 1.0 Etc …

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

Effet d’un chargement macroscopique corrosion carbonatation

Dissolution sous contrainte Équilibre local = Phase solide Phase fluide Matériaux poreux Phase solide Phase fluide hypothèse: = Non équilibre local Application d’un chargement  Dissolution du solide

Loi de dissolution/précipitation sous contrainte Quel est l’impact qualitatif et quantitatif de l’application d’un chargement macroscopique sur les processus locaux de dissolution/précipitation d’une matrice solide ? Micromecanique

Système thermodynamique = la phase solide Célérité d’interface Porosité associée

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

Mechanical: Chemical:

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

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

Chemo-poro-élasticité

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

Conclusions partielles et perspectives Objectifs: Modélisation multi-échelle et multi-physique introduisant des cinétiques chimiques dans une démarche micromécanique Compréhension du matériau cimentaire hors couplages chemo-mécaniques Comportement (poroélasticité,fluage) [Sanahuja,2008] Transport: le choix de la microstructure suffit ! 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 Endommagement – Propagation de fissures …