CHAPITRE 1 : ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE DES INTERACTIONS ENTRE
V- 2 Les simulations numériques
Malgré le manque de connaissances sur l’évolution du matériau cimentaire mis en contact avec les argiles, nombreuses sont les simulations essayant de reproduire ou d’estimer les perturbations autour des interfaces béton-argile à court ou long terme.
La revue bibliographique sur les travaux numériques reproduisant les interfaces béton/argile a des objectifs multiples. Le premier est de recenser l’ensemble des données d’entrée nécessaires aux modèles. Le second objectif est d’identifier les mécanismes physico- chimiques associés aux différents modèles. Ceux-ci permettront d’avoir un premier ordre d’idées sur les évolutions possibles du matériau cimentaire notamment, tout en gardant en mémoire que ces modèles n’ont pas ou peu de points de comparaison avec des données expérimentales à l’heure actuelle.
Cette partie de l’état de l’art ne fait référence qu’aux modélisations ayant été réalisées sur les interfaces matériaux cimentaires / matériaux argileux et non aux simulations sur les interactions matériaux argileux/fluides alcalins. Toutes les simulations présentées sont obtenues à partir de codes de calcul couplant la chimie (basée sur les équilibres thermodynamiques avec parfois la prise en compte de données cinétiques de dissolution notamment) et le transport par diffusion.
Tout comme celui dévoué aux essais expérimentaux, ce paragraphe est organisé selon le type d’environnement (ou de matériau) mis en contact avec le matériau cimentaire.
Trotignon et al. travaillent sur deux types de modèles [TRO 06] [TRO 07]. Le premier [TRO 06] consiste à simuler l’évolution de deux types d’interface à 25 000 ans : i) interface béton à base de ciment CEM I/argilite ; ii) interface à base de ciment CEM V/argilite. La géométrie du système modélisé est en 1D : 5,5 m de béton sont mis en contact avec 12 m d’argilite (figure 1-26). Il est à noter qu’une autre modélisation réalisée ici consiste à simuler l’évolution des mêmes bétons directement en contact avec la solution d’eau de site (sans argilite).
Figure 1-26 : figure schématique d’un tunnel de stockage de déchets (à gauche) et représentation 1D des interactions béton/eau de site et béton-argilite [TRO 06]
Pour le béton CEM I, la minéralogie est la suivante : portlandite, jennite, ettringite, monosulfoaluminate, hydrotalcite. La minéralogie de l’argilite prise en compte dans cette étude est la suivante : quartz, calcite, illite, montmorillonite-Ca, kaolinite. L’incertitude des concentrations en sulfates en solution a obligé l’auteur à proposer à chaque simulation deux types de solutions dans l’argilite : une première avec 10 mmol/l de sulfate et une seconde avec 25 mmol/l de sulfate. Toutes les simulations sont réalisées avec le code de chimie transport HYTEC [VDL 03]. Les résultats sont présentés en figure 1-27.
Figure 1-27 : résultats des simulations à 25 000 ans pour un béton CEM I en contact avec l’argilite à 25°C [TRO 06].
Les simulations à 25 000 ans pour le matériau CEM I en contact avec l’argilite prédisent une dissolution de la portlandite et la précipitation d’ettringite dans le matériau cimentaire (plus intense avec 25 mmol/l de SO42-). Dans les deux cas, deux zéolites précipitent à l’interface
côté argilite : la scolecite et l’analcime. L’altération des phases argileuses se traduit par la dissolution de la montmorillonite et la précipitation d’illite. La formation de zéolites à l’interface provoque la chute brutale de la porosité, traduisant ainsi un colmatage. Côté matériau cimentaire, il est montré clairement que la précipitation d’ettringite a un impact certain sur la porosité. Cependant, l’ouverture de la porosité est plus forte du côté du matériau cimentaire. Le matériau CEM V quant à lui présente une perturbation plus profonde, avec la précipitation d’ettringite et de brucite au bord de l’interface. Des zéolites sont toujours présentes (scolecite) et la précipitation de montmorillonite sodique est prévue à l’interface. Dans une autre étude, Trotignon et al. [TRO 07] réalisent les mêmes simulations, mais sur des échéances de temps beaucoup plus longues (jusqu’à 100 000 ans) (figure 1- 28).
Figure 1-28 : résultat d’une simulation à 100 000 ans pour un béton CEM I en contact avec l’argilite [TRO 07]
Le matériau cimentaire dans ces conditions subit une décalcification qui se traduit par la dissolution de la portlandite, de la jennite et la précipitation d’un C-S-H de rapport CaO/SiO2
plus faible, la tobermorite. L’arrivée des sulfates dans le matériau provoque la précipitation d’ettringite. Deux zéolites précipitent à la surface de l’argilite : l’analcime et la laumontite.
L’illitisiation des I/S se poursuit. Il est à noter que de la tobermorite précipite également du côté de l’argilite.
La plate-forme de simulation ALLIANCES, développée par le CEA, l’Andra et EDF est utilisée pour simuler l’évolution d’une galerie de stockage dans les couches géologiques profondes, et inclut donc les interactions béton/argile [MON 07]. Ces simulations sont réalisées en 2D avec un système à 3 matériaux : argilite/béton/bentonite (figure 1-29).
Figure 1-29 : représentation de la géométrie des interfaces bentonite/béton/argilite et du maillage associé considéré (à gauche) et évolutions de la portlandite (au centre) et du C-S-H
0,8 (à droite) après 100 000 ans d’interaction – calculs réalisés avec la plate-forme de simulation ALLIANCES [MON 07]
Après 100 000 ans, la dissolution de portlandite ainsi que la précipitation de C-S-H avec un rapport C/S = 0,8 est simulée. La dissolution de la portlandite est identique sur les deux interfaces du matériau cimentaire. Par contre, la précipitation de C-S-H est plus marquée pour le contact avec la bentonite.
D’autres simulations numériques des interactions argilite/béton sont réalisées avec les argilites du site de Tournemire [DEW 04] [DEW 08] [YAM 09]. De Windt et al. [DEW 04] avec l‘outil numérique HYTEC réalisent des simulations sur 1000, 10 000 et 100 000 ans. Le béton considéré est à base de ciment Portland dont la composition minéralogique après hydratation est : C-S-H (C/S = 1,8), portlandite, ettringite. L’argilite est représentée par un assemblage minéralogique : illite, smectite, dolomite, calcite. Dans ces simulations, les auteurs considèrent notamment 2 hypothèses minéralogiques sur les phases argileuses :
- hypothèse 1 : l’évolution de l’illite est contrôlée par l’équilibre thermodynamique et la précipitation de smectite n’est pas autorisée,
- hypothèse 2 : l’illite et la smectite évoluent à l’équilibre thermodynamique.
Les résultats montrent clairement que le pH au niveau de l’interface est tamponné à 11,5. L’extension du panache alcalin dépend des hypothèses utilisées. Avec la première hypothèse (figure 1-30), un C-S-H (C/S = 1,1), ainsi que la brucite précipitent abondamment à l’interface. La dissolution de la dolomite et la précipitation de calcite sont des résultats observés par Adler et al. [ADL 99].
Pour la seconde hypothèse de calcul des zéolites se forment. La scolecite est la zéolite la plus stable thermodynamiquement pour ce calcul, alors que les zéolites les plus observées expérimentalement sont la phillipsite et l’analcime. Les zéolites à l’interface sont moins stables que le C-S-H, à cause du pH élevé et de la forte concentration en calcium. La sépiolite est plus stable que la brucite et précipite à l’interface.
Figure 1-30 : profils des fronts minéralogiques et du pH après 10 000 ans à une interface béton/argilite en fonction des hypothèses choisies : hypothèse 1 (à gauche) et hypothèse 2 (à
droite) [DEW 04].
Afin de reproduire les interactions observées sur le site de Tournemire [TIN 06], des simulations numériques sont effectuées sur les interfaces béton/argile sur une période de 15 ans [DEW 08] toujours avec l’outil HYTEC. Les calculs sont réalisés à l’équilibre thermodynamique dans un premier temps, puis avec des cinétiques de dissolution et précipitation dans un second temps. Les auteurs confrontent les résultats à l’équilibre thermodynamique avec ceux tenant compte de cinétiques en séparant les phases minérales majeures, des phases mineures et en traitant d’abord l’évolution du matériau cimentaire, puis celle de l’argilite (figure 1-31). La nature des phases majeures précipitées ou dissoutes est identique avec ou sans données de cinétique. Le béton subit une lixiviation de sa portlandite et de son C-S-H initial. Un nouveau C-S-H de rapport CaO/SiO2 plus faible se forme à
l’interface, accompagné d’une carbonatation. La zone à l’interface est à l’équilibre avec du C- S-H et de la calcite. L’argilite subit la dissolution de ses phases argileuses (montmorillonite et muscovite). L’effet majeur observé quand la cinétique est prise en compte dans les calculs est le lissage des fronts minéralogiques. L’épaisseur de matériau cimentaire dégradé après 15 ans d’après le modèle est d’environ 5 mm, si l’on utilise la disparition de la portlandite comme marqueur de la dégradation.
Figure 1-31 : profils des fronts minéralogiques des phases majeures pour une interface béton/argilite de Tournemire après 15 ans de réaction ; calculs à l’équilibre thermodynamique
Les résultats expérimentaux sur les interfaces béton/argilite de Tournemire font également l’objet d’autres comparaisons avec des simulations numériques, notamment celles de Yamaguchi et al. [YAM 09]. Ces travaux sont réalisés avec le code de transport réactif MC-BENT [YAM 07]. La géométrie du système considéré en 1D consiste à placer 5,5 cm de béton en contact avec 5,5 cm d’argilite. Le maillage de 5 mm dans les zones les plus éloignées de l’interface, est réduit à 1 mm sur une profondeur de 1 cm de part et d’autre de l’interface. Les résultats sur les phases majeures sont similaires à ceux précédemment présentés. L’interface est dominée par la précipitation de C-S-H et de calcite (figure 1-32).
Figure 1-32 : résultat d’une simulation béton/argilite de Tournemire après 15 ans de réaction [YAM 09]
Il est à noter que l’auteur ne discrimine pas les C-S-H en fonction de leur stœchiométrie dans ce travail, ce qui rend difficile la quantification de la décalcification du béton. Le matériau cimentaire est dégradé plus profondément que l’argilite.
La dissolution de la portlandite et la précipitation d’ettringite sont une nouvelle fois mises en évidence. Les résultats de ce calcul soulèvent quand même certaines interrogations. Le front d’altération dans l’argilite est mesuré par rapport à la dissolution du quartz. Il est assez peu probable de voir le quartz se dissoudre dans ces conditions alors que les autres phases minéralogiques sont stables. De plus, la dissolution du quartz provoque une libération importante de silicium, qui avec le calcium provenant de la lixiviation du matériau cimentaire favorise la précipitation de C-S-H. La quantité de C-S-H précipitée à l’interface est très probablement surestimée et ce modèle n’est vraisemblablement que peu représentatif des interactions béton/argilite.
Un autre travail de confrontation des modèles aux résultats expérimentaux est réalisé par Read et al. [REA 01]. Au-delà des simulations qui aboutissent à des résultats proches de ceux déjà présentés (dissolution de montmorillonite et portlandite, précipitation de calcite et chute de la porosité à l’interface), la modélisation est utilisée pour expliquer les mécanismes réactifs qui se produisent dans les essais. Initialement, les solutions interstitielles sont en équilibre avec l’association minéralogique de chacun des matériaux. Après leur mise en contact, les processus réactifs débutent : la diffusion des éléments en solution provoquée par le gradient de concentration induit la sous-saturation du système par rapport à plusieurs phases minérales. C’est le cas de la portlandite qui se dissout. Cette dissolution libère du calcium dans la solution ainsi que des ions hydroxyles qui migrent vers l’argile. La diffusion de ces éléments, associée à la diffusion du sodium et du potassium (présents initialement dans la solution porale du matériau cimentaire), provoque une augmentation du pH dans l’argilite. La présence de carbonates dans l’argile, associée à l’augmentation du pH et à l’arrivée d’ions calcium permet la précipitation de calcite au fur et à mesure que le panache alcalin progresse.
Ca(OH)2→ Ca2+ + 2 OH- Eq. 1-17 OH- + Ca2+ + HCO3-→ CaCO3 + H2O Eq. 1-18
L’excès d’OH- cause la dissolution de la montmorillonite (Eq. 1-26):
NaMgAl5Si12O30(OH)6 + 18H2O + 15OH-→
Na+ + 5Al(OH)4- + MgOH+ + 12 H3SiO4- Eq. 1-19
La source d’aluminium provenant de la dissolution de la montmorillonite peut provoquer avec la présence de calcium la précipitation de katoite [REA 01] dans le béton et/ou d’ettringite [TRO 06] [TRO 07] [DEW 04] [DEW 08] en présence de sulfate.
Certains auteurs s’intéressent plus spécifiquement aux épaisseurs dégradées de matériaux cimentaires et de bentonites en fonction du temps [YOK 04] et en fonction du rapport e/c utilisé pour la confection de la pâte (figure 1-33). D’après le modèle, après 100 ans, l’épaisseur de béton dégradée s’étend jusqu’à 2,1 cm contre 7,5 cm dans la bentonite. Après 2000 ans, l’épaisseur de dégradation dans le béton s’étend jusqu’à 8,5 cm, contre plus de 30 cm dans la bentonite.
Les interfaces béton-bentonite font l’objet d’autres simulations numériques avec d’autres outils. L’outil de transport réactif CrunchFlow est utilisé pour ces applications par Fernandéz et al. [FER 09]. L’objectif est de simuler les interactions entre la montmorillonite FEBEX et un béton à base de ciment Portland faisant l’objet d’essais en laboratoire sur 1 an à 25°C puis à 120°C. Quatre cas sont modélisés : Cas 0 : essai à 25°C ; Cas 1 : essai à 120°C ; Cas 2 : idem cas 1 avec porosité divisée par 2 ; Cas 3 : idem cas 1 en augmentant la constante de réaction de la bentonite d’un ordre de grandeur. A 25°C, les transformations sont limitées au matériau argileux avec la précipitation d’analcime et de brucite. A 120°C, quelles que soient les données d’entrée, l’ettringite est dissoute et précipite un peu plus en profondeur dans le béton, l’interface est occupée par une phase C-S-H (C/S 0,8). La dissolution de la montmorillonite est importante, accompagnée par la précipitation d’analcime, de brucite et de tobermorite 11 Å dans l’argile.
Figure 1-33 : évolutions des profondeurs dégradées du béton et de la bentonite en fonction de la racine carrée du temps [YOK 04]
Marty et al. [MAR 09] utilisent le code TOUGHREACT pour simuler les interactions béton/argilite. Au-delà de la simple modélisation des interactions, ce travail permet de mettre en exergue l’influence des cinétiques de réaction et de l’affinement du maillage. Ces travaux soulignent l’existence d’un délai entre l’extension du panache alcalin et le colmatage de la porosité par précipitation de calcite décrit par Read et al. [REA 01]. Les résultats font état de la précipitation de calcite dans le matériau cimentaire, ainsi que de la dissolution de la portlandite, de la précipitation d’ettringite et de la réduction du C/S dans les C-S-H. L’étendue de la perturbation dans le matériau cimentaire est très hétérogène. Le colmatage au niveau de l’interface peut être très important, à cause de la carbonatation et de la précipitation de zéolites comme il peut être nul. Le colmatage est totalement dépendant des paramètres cinétiques utilisés et est sujet à de fortes variations.
Les tableaux 1-8 et 1-9 résument l’ensemble des essais expérimentaux et simulations réalisés sur les interfaces béton/argile.
Ce paragraphe sur les simulations numériques se concentre sur les interfaces béton/argile. De nombreux travaux sont également réalisés sur les simulations des panaches alcalins dans les argiles, mais ne sont pas abordés ici. L’intérêt de cette synthèse bibliographique est d’identifier l’état de la recherche sur les mécanismes physico-chimiques contrôlant l’évolution des bétons placés dans des environnements argileux. Les travaux expérimentaux préalablement décrits montrent que les connaissances sur le béton dans ce type de contexte sont peu nombreuses. Les travaux de simulation présentés dans ce dernier paragraphe ont tous besoin de données de validation expérimentales. Celles-ci existent pour les matériaux argileux, mais pour ceux-ci seulement. Ce manque de connaissances se traduit par des résultats de simulation qui varient fortement, n’ayant pas ou peu de repères expérimentaux. Ainsi, il est fait état de carbonatation du béton dans certains cas, mais pas dans d’autres. Pour une même période, les épaisseurs perturbées dans le béton sont très fluctuantes selon les modèles (dépendance par rapport aux paramètres cinétiques). L’existence d’un colmatage n’est pas clairement établie. Certains modèles suggèrent la précipitation de zéolites… Les incertitudes sont nombreuses. Il y a tout de même certains résultats récurrents telles la décalcification du matériau cimentaire (dissolution de la portlandite, réduction du rapport CaO/SiO2 dans les
C-S-H), la précipitation d’ettringite en présence de sulfates ou encore la carbonatation (sans que sa réelle localisation et son intensité soient connues). La vitesse d’extension de la perturbation induite par l’argile dans le matériau cimentaire est une véritable inconnue. Il n’existe que très peu de données expérimentales sur l’impact de l’argilite du COX sur la physico-chimie des bétons.
Matériau cimentaire Matériau argileux T (°C) Durée Résultats matériau cimentaire Résultat argilite Outil de calcul Références
Béton CEM I et CEM V Argilite du Callovo-
Oxfordien 25°C 25 000 ans
Dissolution portlandite, réduction C/S dans C-S-H, précipitation d'ettringite Précipitation de zéolites (scolecite et analcime), dissolution montmorillonite et précipitation d'illite, colmatage en bord d'interface lié à la formation de zéolites. HYTEC [TRO 06]
Béton CEM I et CEM V Argilite du Callovo-
Oxfordien 25°C 100 000 ans Décalcification et précipitation de tobermorite en surface, précipitation d'ettringite. Précipitation d'analcime et de laumontite. Précipitation de C-S-H et illitisation. HYTEC [TRO 07]
Béton CEM I Argilite/bentonite 25°C 100 000 ans Di ssolution portlandite.
Précipitation C-S-H C/S 0,8. Précipitation plus forte en contact avec la bentonite
ALLIANCES [MON 07]
Béton CEM I Argilite de
Tournemire 25°C 1000, 10 000 et 100 000 ans Décalcification Précipitation de C-S-H et de brucite, dissolution dolomite et précipitation de calcite, illitisation et formation de zéolites calciques HYTEC [DEW 04]
Béton CEM I Argilite de
Tournemire 15 °C 15 ans
Lixiviation de la portlandiite, réduction du C/S dans les C-S-H + calcite. L'épaisseur concernée par la perturbation est d'environ 5 mm.
Précipitation de C-S-H à l'interface avec calcite, dissolution
montmorillonite et muscovite
HYTEC [DEW 08]
Béton CEM I Argilite de
Tournemire - 15 ans
Précipitation d'AFt, dissolution de la portlandite et précipitation de C-S-H. Colmatage au niveau de l'interface lié à la carbonatation. Précipitation C-S-H + calcite, dissolution du quartz. Le matériau est très peu perturbé. MC-BENT [YAM 09]
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Béton CEM I Bentonite 25 °C 100-1000-
2000 ans
Evolution de la dégradation du matériau cimentaire en racine carrée du temps : 21 mm après 100 ans, 85 mm après 2000 ans
Evolution de la dégradation de la bentonite en racine carrée du temps : 75 mm après 100 ans, 300 mm après 2000 ans - [YOK 04]
Tableau 1-9 : résumé des essais expérimentaux portant sur les interfaces béton/argile
Matériau cimentaire Matériau argileux T (°C) Durée Résultats matériau cimentaire Résultat argilite Références
béton CEM II et chaux siliceuse
Argilite de
Tournemire Variations
15 et 100
ans Carbonatation (calcite/vatérite)
Précipitation de gypse, de zéolites- Na, de dolomite, lixiviation de la chlorite et de la kaolinite,
recristallisation d'interstratifiés plus forte avec le CEM II en contact
[TIN 06] [DEV 08]
béton CEM II et chaux siliceuse
Argilite de
Tournemire Variations 15 ans
Carbonatation
(calcite/vatérite/aragonite) Idem + calcite/vatérite/aragonite [YAM 09]
Pastille de mortier CEM I Pastille de bentonite FEBEX
25, 60, 120°C
1, 6, 12 mois
Perturbations sur quelques millimètres
Perturbations sur quelques millimètres, précipitation de gel C- S-H et de brucite à 25 et 60°C. Dégradation plus forte à 120°C : tobermorite et saponite-Mg jusqu'à 10 mm et d'analcime sur le reste de la colonne (essais convectifs)
[FER 06]
Pastille de mortier CEM I Pastille de bentonite FEBEX
25, 60, 120°C
1, 6, 12
mois Carbonatation (essais convectifs) Précipitation d'analcime [CUE 06]
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7 formulations sur pâtes : CEM I; CEM I + CV;CEM I + laitiers; REI cimentées; ciments alumineux; mortier de remplissage NIREX Argiles de Mol 25 et 85°C 12 - 18 mois Altération considérable : décalcification, enrichissement en S, Al, Si et Mg, précipitation de gels silico-Mg et alumino-Mg au
voisinage de l'interface.
(Essai sur site) enrichissement en
Ca, appauvrissement en Al, Si, Mg [REA 01] Béton CEM I Bentonite FEBEX 25 et
120 °C 1 an
Dissolution en surface de l'argilite et précipitation en profondeur. Précipitation de C-S-H à l'interface (C/S 0,8) Précipitation analcime et brucite. Dissolution de la montmorillonite et précipitation de tobermorite. CrunchFlow [FER 09] Portlandite, afwillite,
katoite Argile de Boom 25 °C 18 mois
Dissolution portlandite et
précipitation calcite. Colmatage au niveau de l'interface.
Dissolution montmorillonite et
précipitation calcite - [REA 01]
Béton CEM I Argilite du Callovo-
Oxfordien 25°C variable
Décalcification partielle du
matériau cimentaire, carbonatation totalement dépendante des paramètres de cinétiques choisis. Précipitation d'ettringite.
Précipitations de toute une variété de zéolites,
carbonatation (calcite), dissolution de la dolomite.