Conditionnement des matériaux

45 / 210

2.3 Conditionnement des matériaux

2.3.1 Mise à l’équilibre hydrique d’échantillons à différentes HR

2.3.1.1 Préparation et destination des échantillons

Par chaque matériau, une éprouvette cylindrique (flacon n°9) a été sciée en disques d’environ 8mm d’épaisseur, après la conservation en conditions endogènes. Au total, 10 à 11 disques ont pu être obtenus par matériau. Ces disques ont été utilisés pour une mise à l’équilibre hydrique à différentes humidités relatives avec deux objectifs :

• la détermination de l’isotherme de désorption de vapeur d’eau (§2.4.7 et Chapitre 3), • la réalisation d’essais de diffusion du CO2 sur matériau partiellement saturé (Chapitre

7).

2.3.1.2 Protocole de mise à l’équilibre hydrique

Les disques sont placés dans des dessiccateurs où l’humidité relative est contrôlée par une solution saline. La température ambiante est de 20±2°C. Pour nos travaux, nous nous sommes limitées à 4 humidités relatives maintenues avec différents sels (Tableau 2 - 5).

Tableau 2 - 5 : Solutions salines utilisées pour les isothermes de désorption

Sels Composition Humidité

relative (%)

Chlorure de Lithium LiCl 12

Chlorure de Magnésium MgCl2 33

Nitrate de Magnésium Mg(NO3)2 53,5

Chlorure de Sodium NaCl 75,5

Le contour des éprouvettes est protégé des transferts hydriques par un adhésif en PVC. Il est supposé que les transferts de masse ne s’effectuent que dans la direction de l’axe de l’échantillon (i.e. le séchage est unidirectionnel). Afin d’éviter toute carbonatation « naturelle » des échantillons lors de cette phase de mise à l’équilibre hydrique, de la chaux sodée en granules est rajoutée dans chaque dessiccateur.

Figure 2 - 4 : Stockage dans les dessiccateurs des échantillons à humidité relative contrôlée

Des pesées ont été réalisées à différents temps afin de caractériser l’état hydrique des matériaux à ces instants. Ces données sont utilisées comme points de comparaison avec la modélisation du séchage (Chapitre 3).

46 / 210

Un échantillon est considéré en équilibre avec son ambiance de stockage s’il respecte le critère d’équilibre sur 1 mois [VU, 2009] défini par la relation suivante :

¹^𝑚@’∆@ 𝑚_@ ^{º ¹}

30

∆𝑡^{º ≤ 0,1% 2 - 1}

Avec :

• 𝑚_@’∆@ la masse de l’échantillon à l’instant t+Dt (mg), • 𝑚_@ la masse de l’échantillon à l’instant t (mg), • Dt l’intervalle de temps entre 2 pesées (j).

La perte de masse à l’équilibre permet de calculer la teneur en eau de l’échantillon. La masse sèche est obtenue sur d’autres échantillons étuvée à 105°C qui ont servi pour les essais de porosité l’eau.

2.3.2 Carbonatation d’échantillons

2.3.2.1 Préparation et destination des échantillons

Pour l’étude de la carbonatation, nous avons utilisé 4 flacons par composition (Figure 2 - 5).

Figure 2 - 5 : Schéma récapitulatif des échantillons préparés pour les campagnes de carbonatation

Après la conservation endogène, 2 flacons de chaque composition ont été sciés à 3 endroits (Figure 2 - 5) pour fournir 4 échantillons cylindriques de 68 mm de diamètre par 50±5 mm de hauteur. Les échantillons ont été emballées avec de l’aluminium autocollant en fonction de flux de CO2 souhaité :

47 / 210

• 2 cylindres avec les faces supérieures et inférieures étanches pour obtenir une carbonatation axiale.

On fait légèrement chevaucher le papier autocollant sur la face exposée pour éviter toute pénétration du CO2 sur les bords des faces étanches.

Dans les 2 autres flacons, nous avons scié 8 disques (Figure 2 - 5) de 68 mm de diamètre et de 10±2 mm de hauteur. Pour ces disques destinés à une carbonatation accélérée, nous avons laissé toutes les faces en contact avec l’air chargé en CO2.

2.3.2.2 Prétraitement avant carbonatation

Pour les cylindres placés en carbonatation naturelle, aucun prétraitement n’a été effectué. En revanche, pour les disques destinés à une carbonatation accélérée, un prétraitement est nécessaire. En effet, suite à la cure endogène, nos éprouvettes sont quasiment saturées en eau, ce qui empêche quasiment la diffusion du CO2, et enlève tout intérêt à une carbonatation accélérée.

De nombreux auteurs se sont intéressés aux divers prétraitements, e.g. [THIERY, 2005]. L’idéal serait d’attendre que l’équilibre hydrique s’opère au sein du matériau, par exemple à une humidité ambiante de 65% HR (souvent considérée comme « optimale »), mais cela prendrait des mois sur des échantillons de grande taille comme nos disques. Nous avons donc opté pour un prétraitement par étuvage avant mise en carbonatation accélérée. Tous les disques destinés à la carbonatation accélérée ont donc été passés en étuve ventilée à 45±2°C pendant 48 heures.

2.3.2.3 Conditions expérimentales de carbonatation

Dans le cas de la carbonatation naturelle, les éprouvettes ont été placées pendant 2 ans dans une salle climatisée, où l’on contrôle l’humidité relative à HR = 60±10 % et la température à 20±2 °C. La concentration en CO2 n’est évidemment pas imposée. Quelques mesures ponctuelles avec une sonde nous ont montré que la concentration en CO2 de cette salle varie entre 0,04 et 0,05% (car avec peu de passage).

Après ces 2 ans, les éprouvettes ont été placées dans une autre salle où l’humidité relative et la température varient sur les mêmes plages que dans la première salle. En revanche, la concentration en CO2 est plus élevée, d’après une sonde de contrôle : elle varie entre 0,05 et 0,07% (avec des pics ponctuels lorsque le nombre de personnes dans la salle est important). Dans le cas de la carbonatation accélérée, les disques ont été placés, après le prétraitement en étuve, dans des enceintes de carbonatation fabriquées au LaSIE (Figure 2 - 6).

La concentration en CO2 est régulée par un analyseur de CO2 relié à une électrovanne qui contrôle l’ouverture d’une bouteille de gaz (100% de CO2) alimentant l’enceinte. La température de la salle contenant l’enceinte est d’environ 20±3 °C.

L’humidité relative dans l’enceinte est maintenue à 65±5 % grâce à une solution saline saturée en NH4NO3. Deux ventilateurs intégrés à l’enceinte assurent une répartition homogène du CO2 et de l’humidité relative autour des disques.

Deux campagnes d’essais en carbonatation accélérée sont réalisées :

• Campagne à 50% de CO2 (PCO2 = 50kPa) : Cette concentration très élevée permet de carbonater rapidement les éprouvettes. Elle est utilisée en France depuis plus de 20 ans pour les essais accélérés. Cependant, une concentration en CO2 aussi élevée induit des modifications minéralogiques, notamment des CSH [CASTELLOTE et al., 2009], et donc rend la carbonatation accélérée peu représentative de la carbonatation naturelle.

• Campagne à 3% de CO2 (PCO2 = 3kPa) : Cette campagne, plus lente, offre un bon compromis entre représentativité de la carbonatation atmosphérique et durée de carbonatation. En effet, [AUROY et al., 2017] ont montré récemment qu’une carbonatation à 3% produisait les mêmes effets qu’une carbonatation à concentration en CO2 « naturelle » (minéralogie, structure poreuse).

48 / 210

Figure 2 - 6 : Enceinte de carbonatation du LaSIE

2.3.2.4 Suivi de carbonatation

L’état de carbonatation des échantillons est évalué au moyen de différentes méthodes : • Un suivi massique, permettant d’évaluer la variation de masse liée à la précipitation de

carbonate de calcium. Pour la carbonatation accélérée, des lots de 3 échantillons par formulation sont pesés à échéances régulières de carbonatation accélérée (0, 7, 14, 28, 60, 90, 120, 180 jours). Pour la carbonatation naturelle, les cylindres sont pesés avec des échéances assez espacées (0, 60, 120, 180, 360, 540, 720 et 900 jours). • La pulvérisation de phénolphtaléine, permettant d’évaluer la profondeur de

carbonatation depuis la surface exposée au CO2. L’indicateur de pH vire au violet dans la zone où le pH est d’environ 9. Conventionellement, cela délimite ainsi la zone non-carbonatée (pH> 9-10) de la zone non-carbonatée (pH ≤ 9). La technique est simple à mettre en œuvre mais sous-estime la profondeur de carbonatation (Figure 2 - 7). Étant donné qu’elle repère la profondeur de carbonatation à un pH de 9 et que le milieu cimentaire est tamponné par la Portlandite à un pH de l’ordre de 12,5, il subsiste une zone correspondant à cet intervalle de pH, compris entre 10 et 12,5, non détectée. L’épaisseur de cette zone dépend de la pente du front de carbonatation.

Figure 2 - 7 : Pulvérisation de phénolphtaléine sur un échantillon de mortier BFS6 en carbonatation naturelle pendant 2 ans

• L’analyse thermogravimétrique, utilisée pour la caractérisation minéralogique et l’évaluation des quantités de carbonate de calcium formé et de Portlandite consommée.

49 / 210