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Compréhension des mécanismes        Interactions CO2 / matrice                                            Evolution de la ...
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Modélisation des couplages        Chimie - Transport         NanocemChimie- Interactions chimiques en solution aqueuses (h...
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Equations chimiques        ⇒ de fortes non-linéarités                                                     Effets cinétique...
MDM +                                        Navier +        Equations hydriques             Nanocem                      ...
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Simulations de la carbonatation        atmosphérique (conditions accélérées)Intervenant - date
Simulations de la carbonatation        atmosphérique (conditions accélérées)          -Description correcte de la         ...
Simulations de la carbonatation        atmosphérique (conditions accélérées)          -Profil de teneur en        -Profils...
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Simulations probabilistes de la        pénétration de la carbonatationAbaissement du niveau de raffinement du modèle pour ...
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Simulations de la pénétration des ions chlorure        (conditions non-saturées)     Cas du "wick-action test"     Forts c...
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Conclusion        • Plateforme de modélisation et de prédiction de la durée        de vie (agressions ioniques + CO2 / tra...
Perspectives de recherche      -Interactions alcalins / matrice (cas des matériaux fortement      dosés en additions)     ...
Longue phase decure                          CEM I(essais accélérés)                                               Décoffr...
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Plate forme de modélisation en vue de la prédiction de la durée de vie des bétons vis-à-vis de la pénétration d'agents agressifs

  1. 1. Plate forme de modélisation en vue de la prédiction de la durée de vie des bétons vis-à-vis de la pénétration d’agents agressifs Phase dinitiation de la corrosion vis-à-vis de la - pénétration dagents agressifs (CO2, Cl ) - THIERY M., BAROGHEL-BOUNY V., A. MORANDEAU, B. WANG, Z. ZHANG MAT (Paris) - DANGLA P. Navier (Champ-sur-Marne) - ORCESI A. SOA (Paris)Intervenant - date
  2. 2. Estimation / Prédiction de la durabilité desstructures en béton armé (BA) - Les dépenses pour les réparations des structures en béton constituent entre 50%-100% des dépenses par rapport aux constructions nouvelles (pays développés) - Le coût annuel des réparations des structures est équivalent à 10% du PIB (Europe) Approches prescriptives (EN206) : les critères portent sur les moyens (formulation, enrobage, etc.) → limitations de l’innovation (nouveaux liants ?, durée de vie 50 ans, optimisation en terme d’éco- conception ?) Approche performantielle / outils de prédiction : ↑ durée de vie (100 ans) Intervenant - date
  3. 3. Estimation / Prédiction de la durabilité desstructures en béton armé (BA) Approche performantielle / outils de prédiction : MDM : guide AFGC -Plus grande souplesse pour faciliter l’emploi de Baroghel-Bouny et al. liants respectueux de l’environnement (identification des indicateurs pertinents) -Lien "Formulation" / "Performances de durabilité" Les modèles prédictifs : Objectif 1 : évaluation de la durabilité potentielle durant la phase de conception (formulation d’un béton pour une durabilité pré-définie, qualification d’une formulation, prédiction de la durée de vie) Objectif 2 : estimation (in situ) et quantification de la durée de vie résiduelle des structures existantes (stratégie de maintenance et de réparation) Intervenant - date
  4. 4. Modèles physico-chimiques de prédiction de la durée de vie - Restriction à la phase d’initiation (incubation) de la corrosion - Modèles physico-chimiques (pré-requis : analyse des mécanismes) Données d’entrée : indicateurs de durabilité (souplesse, accessibilité) Données de sorties : témoins de durée de vie (profils de pénétration et cinétiques de dégradation) - Modèles déterministes et probabilistes Différents niveaux de sophistication (différents objectifs, sélection suivant le niveau de précision et les données disponibles) Recherche de la simplicité avant tout (limitation des données et paramètres d’entrée à identifier)Intervenant - date
  5. 5. Données dentréeTransferts hydriquesModèles prédictifs Intervenant - date
  6. 6. Intervenant - date
  7. 7. Compréhension des mécanismes Hydratation / Constitution de la microstructureMise en relation de l’évolution de la composition chimique du matériau (hydratation duclinker et réactions des additions minérales) avec la nano-micro-structuration du matériau Eau Grains anhydres de ciment Produits d’hydratation (CH + C-S-H) -Prise -Structuration du matériau -Constitution d’une microstructure "cohésive"Intervenant - date
  8. 8. Compréhension des mécanismes Nanocem Hydratation / Constitution de la microstructureDéveloppement de modèles semi-analytiques prédisant les paramètres fondamentauxcaractéristant l’hydratation (teneurs en hydrates, degré d’hydratation) et la microstructuredu matériau (porosité) Teneurs en hydrates Porosité vs. degré d’hydratationModèles de type "béton numérique"(Description géométrique del’hydratation) ...Intervenant - date
  9. 9. Compréhension des mécanismes Hydratation / Constitution de la microstructure Hydratation ⇔ Microstructure ⇔ Propriétiés de transferts Microstructure PermeabilitéIntervenant - date
  10. 10. Compréhension des mécanismes Interactions physico-chimiques Le béton est un matériau en constante interaction physico-chimique avec son environnement -Eau -Ions (Cl-, SO42-, Na+, K+, etc.) -Gaz (CO2) La connaissance des interactions est cruciale pour prédire avec précision la pénétration des agents délétères au sein de la microstructureIntervenant - date
  11. 11. Compréhension des mécanismes Interactions eau / matrice Eau libre – Eau adsorbée Courbe d’interaction (rôle de l’humidité et de la finesse Vapeur d’eau (HR) – Teneur en eau de la microstructure)Intervenant - date
  12. 12. Compréhension des mécanismes Interactions eau / matrice- Modélisation des courbes d’interactions(adsorption - désorption - cycles)- Variables : porosité capillaire + degré d’hydratation HystérésisIntervenant - date
  13. 13. Compréhension des mécanismes Interactions chlorures / matrice Une partie des ions chlorure est libre (mobiles) et une autre partie est fixée sur la matrice cimentaire (chimiquement et par adsorption). Relation sCl = f(cCl)Intervenant - date
  14. 14. Compréhension des mécanismes Interactions CO2 / matrice Quantification de la quantité de matière carbonatable pat ATG et par Spectrométrie de Masse Quantification du degré de carbonatation Spectrométrie en fonction de la formulation du matériau, de masse de la nature des hydrates et de la concentration en CO2Intervenant - date
  15. 15. Effet des interactions sur la pénétration des agents agressifs Synthèse : les différentes formes d’interactionsIntervenant - date
  16. 16. Effet des interactions sur la pénétration des agents agressifs La nature des interactions joue un rôle fondamental sur la forme du front de carbonatationIntervenant - date
  17. 17. Compréhension des mécanismes Interactions CO2 / matrice Evolution de la microstructure (porosité) en fonction du niveau de carbonatation des hydrates (portlandite et C-S-H) Matériaux à base de ciment CEM I Matériaux à base de ciment CEM I + additionsIntervenant - date
  18. 18. Intervenant - date
  19. 19. Modélisation des couplages Chimie - Transport NanocemChimie- Interactions chimiques en solution aqueuses (homogènes)- Interactions hétérogènes +Réactions chimiques (ions-matrice) : équilibre ? +Réactions chimiques (entre les phases solides) ⇒ modèle de solution solideTransports- Phase gazeuse : vapeur d’eau et air sec- Phase liquide : eau liquide, espèces ioniquesTransport par électro-diffusion / advectionIntervenant - date
  20. 20. Intervenant - date
  21. 21. Intervenant - date
  22. 22. Equations chimiques ⇒ de fortes non-linéarités Effets cinétiques Reactions chimiques homogènes en solution aqueuse Modèle de solution solideIntervenant - date
  23. 23. MDM + Navier + Equations hydriques Nanocem Courbes de sorptionIntervenant - date
  24. 24. Equations de transport MDM + Navier + Nanocem Phases gazeuse et liquide Transport par advection et diffusionIntervenant - date
  25. 25. MDM + Navier + Equations de transport NanocemIntervenant - date
  26. 26. MDM + Navier + Equations de bilan Nanocem Bilans sur les éléments chimiquesIntervenant - date
  27. 27. Simulations de la carbonatation atmosphérique (conditions accélérées)Intervenant - date
  28. 28. Simulations de la carbonatation atmosphérique (conditions accélérées) -Description correcte de la -Evolution de l’assemblage "chimie" de la solution minérale en fonction de la interstitielle en fonction du concentration en CO2 niveau de carbonatationIntervenant - date
  29. 29. Simulations de la carbonatation atmosphérique (conditions accélérées) -Profil de teneur en -Profils de pH à différentes échéances portlandite à différentes (cf. rôle des alacalins) échéances -Crucial pour l’estimation du risque de corrosion des armaturesIntervenant - date
  30. 30. Intervenant - date
  31. 31. Simulations probabilistes de la pénétration de la carbonatationAbaissement du niveau de raffinement du modèle pour prendre encompte la variabilité des paramètres d’entrée du modèle-Incertitude des données d’entrée du modèle (mesures des indicateurs dedurabilité)-Variabilité sur la formulation et les conditions de mise en oeuvre-Variation stochastique des conditions d’exposition (HR, CO2, etc.)etc. Calcul d’une probabilité de défaillance ou d’un indice de fiabilitéIntervenant - date
  32. 32. Simulations probabilistes de la pénétration de la carbonatation Indice de fiabilité = Distance entre l’état limite (XC=E) et le point de fonctionnement (point "moyen")Intervenant - date
  33. 33. Simulations probabilistes de la pénétration de la carbonatationIntervenant - date
  34. 34. Intervenant - date
  35. 35. Simulations de la pénétration des ions chlorure(conditions saturées, lab.) Essai de diffusion Exploitation du profil à une échéance donnée et une CL fixée Prédictions à dautres échéances et/ou des CL différentes Chlorures libres Wang, 2012 Chlorures totaux FixationIntervenant - date
  36. 36. Simulations de la pénétration des ionschlorure (conditions saturées, in situ) Wang, 2012Intervenant - date
  37. 37. Simulations de la pénétration des ionschlorure (conditions saturées, in situ)Intervenant - date Wang, 2012
  38. 38. Intervenant - date
  39. 39. Simulations de la pénétration des ions chlorure (conditions non-saturées) Cas du "wick-action test" Forts couplages entre les transferts Profils de taux de saturation hydriques et les mouvements (état hydrique) ioniques Exposition en zone de marnage Baroghel-Bouny & Thiery, 2011Intervenant - date
  40. 40. Simulations de la pénétration des ions chlorure (conditions non-saturées) Profils ioniques à différentes échéances Accumulation des ions au niveau dun front du front de séchage Baroghel-Bouny & Thiery, 2011 4 mois35 joursIntervenant - date
  41. 41. Conclusion • Plateforme de modélisation et de prédiction de la durée de vie (agressions ioniques + CO2 / transferts hydriques) • Multi-phases, multi-espèces, multi-physiques Fondements physico-chimiques / Souplesse (cohérence avec l’approche performantielle) • Différents niveaux de raffinement : -Ingénieurs (modèles probabilistes) -Analyse inverse des données d’entrée -Compréhension des mécanismesIntervenant - date
  42. 42. Perspectives de recherche -Interactions alcalins / matrice (cas des matériaux fortement dosés en additions) -Prise en compte dans les modèles des phénomènes d’hystérésis (humidification – séchage) : influence sur la pénétration d’agents agressifs -Problématique du décoffrage des bétons fortement dosés en additions minérales (cendres volantes, laitiers, etc.) -Modélisation des couplages transferts hydriques - réactions chimiques (à court terme) -Simulation de la dégradation des propriétés de durabilité de la zone d’enrobage -Accroissement de la sensibilité à la carbonatationIntervenant - date
  43. 43. Longue phase decure CEM I(essais accélérés) Décoffrage Hydratation Séchage et carbo. tempsCourte durée decure (bétons à CEM Ibase de CEM I) Séchage et carbo. Décoffrage Hydratation temps CEM I CVCourte durée decure (bétons à base Séchage et carbo. Décoffragede CEM I + CV) Hydratation tempsIntervenant - date

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