Nous avons mentionné dans la section 2.5 que la …xation des ions chlorures sur la matrice cimentaire peut être décrite par une courbe d’isotherme d’interaction simpli…ée (cf. équation 2.23). Il est nécessaire de rappeler ici qu’avec cette simpli…cation, le nombre d’espèces chimiques nécessaires à considérer dans la modélisation est réduit à 4 espèces. Par conséquent le coût du calcul numérique est diminué.
Pour étudier l’in‡uence de cette simpli…cation sur les résultats de prédiction numérique, un modèle baptisé modèle simpli…é a été également développé. Dans ce modèle, quatre espèces chimiques principales présentes dans la solution interstitielle (Na+, K+, OH et Cl ) sont prises en compte. L’équation (2.23) est utilisée pour calculer la quantité de chlorures …xés.
Sur la …gure 3.49, le pro…l issu du modèle simpli…é est comparé au pro…l calculé par le modèle complet. Les mesures expérimentales sont aussi représentées sur cette …gure. Les résultats montrent que le modèle simpli…é a surestimé la quantité de chlorures au sein du matériau qui peut être la cause d’une mauvaise prédiction de la durabilité de l’ouvrage.
Malgré les constatations ci-dessus et sa limite dans les explications des phénomènes qui ont lieu dans le béton, le modèle simpli…é présente un aspect pratique intéressant puisque son implémentation est simple et qu’il nécessite moins de paramètres d’entrées par rapport au modèle complet. De plus, l’écart entre les deux modèles n’est pas trop important, en particulier les pro…ls de concentration en chlorures libres (cf. …gure 3.49). En e¤et, ce sont des chlorures libres dans la solution qui in‡uence directement la vitesse de corrosion des armatures. Un autre intérêt de ce modèle réside dans sa simplicité qui autorise l’étude de couplages avec d’autres phénomènes (e¤ets mécaniques, e¤ets hydriques, etc.).
3.13 Conclusion 107
Figure 3.49: Pro…ls de concentration en chlore calculés à l’aide d’une simulation comptète et sim- pli…ée et ceux mesurés expérimentalement [27].
3.13
Conclusion
Par rapport aux modèles numériques existant, l’originalité de notre travail est de prendre en compte di¤érents aspects physico-chimiques liés à la …xation des ions chlorures sur la matrice cimentaire. Le modèle propose de surcroît une description su¢ samment …ne du mécanisme d’interaction entre les ions chlorures, les C-S-H et les C3A, ainsi que l’interaction électrostatique entre les ions de la
solution interstitielle pour modéliser le processus de pénétration des ions chlorures dans le béton. Au-delà de la prédiction de la profondeur de la pénétration des ions chlorures, le modèle permet d’obtenir, comme données de sortie, un bon nombre de pro…ls qui sont de véritables témoins de la durée de vie du matériau : pro…ls de teneurs en phases solides, pro…ls de porosité, pro…l de pH, etc..
Il faut souligner que la plupart des modèles actuels appliqués au problème de pénétration des ions chlorures dans les matériaux cimentaires sont basés sur des phénoménologies observées expérimen- talement. L’interaction physico-chimique est simpli…ée, soit en pilotant toutes les réactions à partir d’une seule espèce di¤usante, soit en ne considérant que les ions principaux en solution. De plus, les réactions chimiques ne sont souvent pas prises en compte. Dans le cas contraire, elles sont traitées séparément par un code de chimie. Notre approche de modélisation est relativement di¤érente. Nous avons développé un algorithme pour considérer simultanément les réactions chimiques et les équations de transport ionique. Ceci permet de réduire considérablement le temps de calcul. La possibilité d’une prise en compte de la rétroaction de la précipitation ou dissolution des phases solides sur les propriétés de transport est aussi un avantage du modèle. Le schéma numérique uti- lisé constitue donc un moyen puissant de prédiction de la pénétration des ions chlorures dans les matériaux cimentaires. Il est aussi facilement adaptable pour le couplage avec d’autres problèmes, i.e. la carbonatation ou l’attaque sulfatique etc.. La simplicité de la méthode des volumes …nis au- torise aussi la résolution sur des géométries complexes comme des structures réelles du génie civil. Le modèle proposé fournit ainsi à l’ingénieur un outil permettant d’estimer les risques de corrosion des armatures de tels ouvrages.
Le modèle s’appuie, d’une part, sur des observations expérimentales qui ont orienté certains choix des mécanismes à décrire, et d’autre part, sur les essais d’immersion dont l’objectif est de calibrer la modélisation. Les paramètres inconnus du modèle sont les deux paramètres de l’adsorption physique qui apparaissent dans la loi d’adsorption des ions chlorures sur les C-S-H. Estimés comme seulement
entre les espèces ioniques. Par la théorie et des calculs numériques, on a montré que l’e¤et de l’activité chimique sur le transport des ions est négligeable. On a aussi constaté l’existence d’une di¤érence de potentiel à l’extérieur de la cellule de di¤usion qui concorde avec des observations expérimentales. Ce phénomène devra cependant faire l’objet d’une étude plus approfondie avant de con…rmer l’origine et l’ordre de grandeur du potentiel induit à l’intérieur du montage de di¤usion. Le modèle présenté a également permis d’expliquer le mécanisme de la libération des chlorures …xés. Les calculs indiquent que le sel de Friedel se forme instantanément lors de la présence des chlorures, et qu’il est très stable. Il ne se dissout qu’à faible concentration en chlorures. C’est-à-dire, le processus de libération des chlorures dans le sel de Friedel est très lent. Ceci a été observé dans les expériences de Francy [15].
En outre, lorsque le coe¢ cient de di¤usion des chlorures dans un matériau donné n’est pas connu, le modèle proposé peut être adapté à des résultats expérimentaux de laboratoire de façon à estimer ce coe¢ cient. En e¤et, les essais de migration sous champ électrique en régime non stationnaire ont été modélisés par le modèle proposé en négligeant l’e¤et de toutes les réactions chimiques. Le coe¢ cient de di¤usion de l’ion chlorure a été ajusté à partir de la profondeur de pénétration des ions chlorures mesurée après un essai de migration en régime non stationnaire. Cette méthode est très intéressante du point vue pratique car elle ne requiert que les mesures de la profondeur de pénétration des ions chlorures. En…n, ce modèle paraît plus intéressant car il a permis d’identi…er l’e¤et de certaines caractéristiques de l’essai de migration sur le transport ionique et, par conséquent, de proposer de nouvelles méthodes pour interpréter les résultats de l’essai de migration.
Nous terminons ce chapitre en insistant sur le fait que le modèle proposé permet d’étudier l’in‡uence de la composition chimique du ciment, en particulier la teneur en aluminate du ciment sur la pénétration des ions chlorures dans le béton. Il est désormais possible, à partir d’une prise en compte des interactions ions-matrice, d’étudier l’e¤et de la composition chimique du béton sur la pénétration des ions chlorures. Ceci permet de formuler une composition optimale du béton pour avoir une durabilité adéquate.
La modélisation est cependant, pour l’instant, limitée à l’étude en conditions totalement saturées car elle adopte, comme phénomène de transport prépondérant, la di¤usion des espèces en solution interstitielle. Pour envisager l’étude du régime insaturé et en particulier s’intéresser aux phénomènes de saturation/séchage, il serait intéressant d’étendre le modèle de transport d’espèces ioniques aux phénomènes advectifs. C’est l’objectif du chapitre suivant.
Chapitre 4
Etude des couplages entre transfert
d’humidité et transfert d’ions
Sommaire
4.1 Introduction . . . 110