Notre choix s’est porté avant tout sur l’utilisation d’un logiciel libre qui laisse la possibilité à l’utilisateur de pouvoir modifier et améliorer son code si besoin. Parmi les logiciels de transport réactifs les plus utilisés dans le monde du logiciel libre, on peut citer PhreeqC, PHT3D et Crunchflow.
1.4.1.1 PhreeqC
5 ∆𝐺𝑟0 est égal à ∆𝐺𝑟 lorsque tous les produits ou réactifs de la réaction sont entièrement présents à l’état standard spécifique (25°C et 1 atm).
Il est développé en C/C++ par Parkhurst et Appelo [124]. La version actuelle est la version 3. Il est utilisé dans de nombreuses applications courantes, industrielles comme universitaires. Il permet de simuler les équations de transport 1D classiques couplées à des processus réactifs. Sa base de données est assez riche et peut être complétée si besoin par l’utilisateur (notamment pour les composés cimentaires). Des essais de diffusion naturelle de différents traceurs anioniques, cationiques et neutres ont déjà été simulés dans des roches argileuses (e.g. [125]).
Il permet aisément de simuler les essais qui seront effectués dans ce travail lorsque la diffusion est d’origine naturelle : lixiviation et immersion. Le champ électrique extérieur, classiquement appliqué aux bornes de l’échantillon dans le cas de l’essai de migration n’est cependant pas pris en compte dans la version 3 commercialisée.
1.4.1.2 PHT3D
Il est développé et maintenu par Prommer et Post [126]. Son code incorpore un module (MT3DMS) pour la simulation en 3D de transport advectif-dispersif et une ancienne version de PhreeqC (version 2) pour la quantification des processus réactifs. La base de données utilisée est celle de PhreeqC 2. Il est capable de simuler une diffusion en 3D mais cette option ne sera pas utile dans les configurations choisies pour nos essais : la résine mise autour des échantillons ne permet qu’une diffusion unidimensionnelle. Le logiciel ne prend pas non plus en compte un champ électrique.
1.4.1.3 Crunchflow
Il est développé principalement par Steefel [127]. On y retrouve la plupart des possibilités proposées par PhreeqC couplées avec un code optimisé et plus efficient écrit en Fortran 90 qui permet une meilleure gestion des allocations mémoires et minimise l’utilisation de la mémoire pour des problèmes de grande taille. Pour nos essais qui nécessitent une modélisation assez simple (une seule dimension spatiale et des pas spatiaux à l’échelle macroscopique), un modèle plus optimisé comme celui de Crunchflow n’est donc pas nécessaire. Il n’est pas non plus possible de simuler un champ électrique extérieur appliqué (essai de migration) avec Crunchflow.
1.4.1.4 Choix du logiciel : PhreeqC
Notre choix s’est donc porté sur le logiciel libre PhreeqC, encore maintenu à jour par ses auteurs et un des plus utilisés dans le monde académique et l’industrie pour des applications thermodynamiques. Des formations, afin de mieux maitriser le logiciel, sont encore dispensées par un de ses créateurs (T. Appelo) chaque année.
D’autre part, une collaboration avec un de ses auteurs, T. Appelo, a été menée afin d’incorporer dans le code l’application d’un potentiel électrique aux bornes du matériau afin de simuler des essais de migration. Cette option est maintenant disponible depuis la version 3.3.12 Ampère de PhreeqC. Les développements ajoutés dans PhreeqC, afin de prendre en compte l’application d’un champ électrique extérieur, ont été testés sur un essai de migration de Friedmann [128]. La solution analytique trouvée par Krabbenhoft et Krabbenhoft [129] a été comparée à la solution calculée numériquement afin de valider cette mise à jour du code [107].
Chapitre
2
2 ETUDE
EXPERIMENTALE
ette étude vise à obtenir des profils de diffusion ionique grâce à trois types d’essais : d’une part l’essai principal, qui est la diffusion accélérée ou électro-diffusion et d’autre part, deux tests qui permettront de comparer et valider les résultats obtenus à l’aide du premier. La procédure de l’essai d’électro-diffusion s’inspire de la procédure d’essai mise en place au Laboratoire des Sciences de l’Ingénieur pour l’Environnement de l’Université de La Rochelle (LaSIE) [130] dans le but d’étudier le transfert des chlorures dans le béton d’enrobage qui engendre à terme la corrosion des armatures métalliques dans les structures en béton armé. La concentration en chlorure et le champ électrique appliqué, trop importants, risquent d’annihiler des effets susceptibles d’apparaitre aux petites échelles. Il était donc nécessaire d’adapter la procédure existante à notre problématique en s’approchant au mieux des conditions de diffusion naturelle afin de pouvoir comparer de manière précise la diffusion d’espèces ioniques différemment chargées. Nous souhaitons également exploiter de façon représentative les deux régimes : transitoire et stationnaire.
Dans un premier temps, les matériaux utilisés et leur caractérisation seront présentés. La suite de ce chapitre abordera de manière précise et approfondie l’optimisation de la manipulation d’électro-diffusion et des différents paramètres (champ électrique, concentration des solutions de base et du traceur, épaisseur du matériau…) afin de pouvoir observer l’ensemble du phénomène de diffusion tout en s’approchant au plus près des conditions naturelles (sans champ électrique et à faible concentration en traceur) en gardant une durée d’expérience raisonnable. Les deux dernières parties seront consacrées aux essais complémentaires de diffusion naturelle (lixiviation et immersion). La liste des différents essais réalisés durant ces travaux est résumée dans le Tableau 1.
Matériaux Essais Pâte CEMV saine Pâte CEMV partiellement lixiviée Pâte CEMV
lixiviée Béton CEM V sain
Pâte CEM I Blanc E/C 0.35, 0.42 et
0.5
Migration Cs+ Cl- Cs+ Li+ Cl- Cs+ Li+ Cl- (Calibration) Cl-
Lixiviation Na+ K+ Na+ K+ (sur E/C 0.5) Na+ K+
Immersion Cl-Cs+ Cl-
500mol/m³
Tableau 1 – Résumé des différents essais de diffusion réalisés dans ces travaux. Chaque essai a été réalisé en double.