THÈSE - spé Physico-chimie des matériaux

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ÉCOLE CENTRALE DES ARTS
ET MANUFACTURES
« ÉCOLE CENTRALE PARIS »


THÈSE
présentée par
Xavier Brunetaud


pour l’obtention du

GRADE DE DOCTEUR

Spécialité : Physico-Chimie des Matériaux

Laboratoire d’accueil : MSSMat

Recherche effectuée au Laboratoire Central des Ponts et Chaussées

SUJET : Etude de l’influence de différents paramètres et de leurs interactions sur la
cinétique et l’amplitude de la réaction sulfatique interne au béton





soutenue le : 8 décembre 2005

devant un jury composé de :

Pr. Jean Marie Fleureau Président

Pr. Karen Scrivener Rapporteurs
Pr. Micheline Moranville

Pr. Denis Damidot (Directeur de thèse) Examinateurs
Angélique Vichot
Loïc Divet
Patrick Rougeau

2005-41

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- 2 - Remerciements
Ce travail a été réalisé au service Physico-Chimie des Matériaux du Laboratoire Central des
Ponts et Chaussées (LCPC) en collaboration avec l’Association Technique de l’Industrie des
Liants Hydrauliques (ATILH), le Centre d’Etude et de Recherche de l’Industrie du Béton
(CERIB), et du côté universitaire, l’Ecole des Mines de Douai et l’Ecole Centrale Paris.

Les innombrables souvenirs accumulés durant ces trois années de thèse sont autant de reflets
des innombrables personnes que j’ai côtoyées. Que chaque personne dont j’ai croisé la route
soit assurée qu’elle a gagné sa place dans mes souvenirs et mon estime.

Je tiens tout d’abord à exprimer ma ...
Publié le : lundi 9 mai 2011
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ÉCOLE CENTRALE DES ARTS ET MANUFACTURES « ÉCOLE CENTRALE PARIS » THÈSE présentée par Xavier Brunetaud pour l’obtention du GRADE DE DOCTEUR Spécialité : Physico-Chimie des Matériaux Laboratoire d’accueil : MSSMat Recherche effectuée au Laboratoire Central des Ponts et Chaussées SUJET : Etude de l’influence de différents paramètres et de leurs interactions sur la cinétique et l’amplitude de la réaction sulfatique interne au béton soutenue le : 8 décembre 2005 devant un jury composé de : Pr. Jean Marie Fleureau Président Pr. Karen Scrivener Rapporteurs Pr. Micheline Moranville Pr. Denis Damidot (Directeur de thèse) Examinateurs Angélique Vichot Loïc Divet Patrick Rougeau 2005-41 - 1 - - 2 - Remerciements Ce travail a été réalisé au service Physico-Chimie des Matériaux du Laboratoire Central des Ponts et Chaussées (LCPC) en collaboration avec l’Association Technique de l’Industrie des Liants Hydrauliques (ATILH), le Centre d’Etude et de Recherche de l’Industrie du Béton (CERIB), et du côté universitaire, l’Ecole des Mines de Douai et l’Ecole Centrale Paris. Les innombrables souvenirs accumulés durant ces trois années de thèse sont autant de reflets des innombrables personnes que j’ai côtoyées. Que chaque personne dont j’ai croisé la route soit assurée qu’elle a gagné sa place dans mes souvenirs et mon estime. Je tiens tout d’abord à exprimer ma gratitude à mes rapporteurs de jury, Mme Karen Scrivener et Mme Micheline Moranville. Comme semble le vouloir une regrettable coutume, leur patience puis leur rapidité de lecture ont été mises à contribution, voilà un point sur lequel je n’ai pas réussi à innover. Je remercie M Jean-Marie Fleureau de l’Ecole Centrale Paris de m’avoir accueilli au laboratoire MSSMat et d’avoir présidé le jury lors de ma soutenance de thèse. Je tire mon chapeau à mon directeur de thèse, Denis Damidot, qui a dans l’ensemble réussi à manœuvrer en terrain quelques fois glissant en ménageant les susceptibilités. J’espère m’être investi à ses côtés de quelques notions sur l’art de la nuance et de la conciliation. Je remercie aussi les membres du département Génie Civil de l’Ecole des Mines de Douai pour leur assistance lors de mes séjours dans ce laboratoire. J’exprime ma reconnaissance à Alain Capmas et Angélique Vichot de l’ATILH. Angélique m’a beaucoup appris, même s’il m’a fallu parfois quelques temps pour le réaliser. Détecter et reconnaître ses erreurs est une qualité difficile à développer lorsque l’on essaie de prendre de l’assurance. Les nombreux trajets entre le LCPC de Paris et le CERIB ont oxygéné mes activités parisiennes. J’ai toujours été très bien accueilli au CERIB ; Patrick Rougeau et Claude Badoz, y sont pour beaucoup, mais je n’oublie pas le reste de l’équipe matériaux. - 1 - Mes activités m’ont mené au CTG de Guerville. Je remercie Benigne Bollotte, Gilbert Noworyta puis Fabrice Decroix, et leur équipe de techniciens, de m’avoir réservé du temps et de l’attention. Les moments d’échange et de sympathie passés en présence d’Eric Brouard resteront de très bons souvenirs. J’espère que sa route lui permettra de continuer à motiver de jeunes recrues. J’ai eu la chance et le grand plaisir de travailler avec Richard Linder à l’Ecole Nationale des Ponts et Chaussées. J’espère que climat de la vallée de la Durance prendra bien soin de cet homme atypique. Mes premières pensées vont naturellement à mon équipe d’adoption, le service Physico- Chimie des Matériaux du LCPC. Il règne dans cette galère une saine émulation garantissant une bonne vitesse de croisière. Il faut en remercier le capitaine Daniel André, et ses seconds : Loïc Divet, Thierry Chaussadent, Philippe Touzé puis Philippe Briquet. A bord, Laetitia, Gérard, Fabienne, Françoise et Karim s’occupent de l’itinéraire et de la maîtrise d’équipage. Annie, Assia et Patricia maintiennent le cap pendant que les thésards idéaux (Manu, David, Elise) investissent la vigie et les techniciens de rêve (Thierry, Steph L & Steph F, Delphine, JP, Aurélie, Céline, Nico, Frank, Arnaud, Etienne, et surtout Dominique) souquent ferme. Je souhaite bon vent à Alexandre Pavoine qui m’a ouvert la route. Je ne risque pas d’oublier cette équipe que je ne manquerai pas de revoir avec beaucoup de plaisir. J’adresse tout particulièrement ma gratitude à Loïc Divet, qui est à l’origine de ce projet de recherche, et qui m’a conseillé et permis de garder le cap pendant cette thèse. Mes remerciements vont aussi à la division béton et composites cimentaires, où j’ai réalisés mes essais mécaniques destructifs, aidé par C. Boulet. J’ai été très touché par la présence de ma famille lors de ma soutenance, je leur dois une bonne part de ma volonté. Enfin, je dois féliciter celle qui m’a supporté durant ces trois ans en acceptant ce Paris : ma compagne Sandrine, nous avons fait ce voyage à deux. Je dédie cet ouvrage à mon grand père Henri Brochet, qui avait la tête dans les étoiles, les pieds dans la terre de Champagne, et le cœur parmi nous. - 2 - Résumé court La formation différée d’ettringite (ou Delayed Ettringite Formation) est une pathologie des matériaux cimentaires qui a fait l’objet d’un grand nombre de recherches ces dernières années. Si l’ettringite ne se forme que partiellement pendant les premières heures d’hydratation (sa solubilité augmente avec la température et la teneur en alcalins), la précipitation tardive de cette ettringite dans un matériau durci, conservé en ambiance humide, sans faire appel à une source extérieure de sulfate, peut s’accompagner d’un gonflement du matériau. La formation différée de l’ettringite peut être diagnostiquée lorsque ce gonflement génère un endommagement à l’échelle du matériau ou de la structure. Ce phénomène peut se traduire en laboratoire par une expansion de toute la masse de béton pouvant dépasser 1 %, qui peut alors être à l’origine de dégradations importantes à l’échelle d’une structure. De nos jours, il n’existe que peu de cas reconnus du fait que cette pathologie requiert la concomitance de nombreux paramètres. Les rares cas d’attaque sulfatique interne ont été rencontrés sur des bétons préfabriqués traités thermiquement et des pièces massives de béton coulé en place non traitées thermiquement. Dans ce deuxième cas, la chaleur dégagée par l’hydratation du ciment peut alors suffire à générer des températures importantes au cœur de la pièce. Les principaux paramètres nécessaires à l’apparition de cette pathologie sont maintenant relativement bien connus : un échauffement du béton dépassant 65°C pendant une durée suffisante, des teneurs en sulfates, alcalins et aluminates du ciment élevées et un environnement de conservation très humide. Il reste par contre à préciser l’impact de chacun de ces paramètres et principalement déterminer les interactions qui semblent être à l’origine de la grande divergence des modèles expérimentaux proposés dans la littérature. Un autre centre d’interrogation concerne le rôle exact de l’ettringite dans l’expansion et plus précisément la source initiale du gonflement et le mécanisme global conduisant aux dégradations qui affectent les caractéristiques mécaniques du matériau. Cette étude a pour but de répondre à ces interrogations. Dans une première partie, une importante campagne expérimentale vient étudier l’influence des paramètres tels que la température et la durée d’échauffement, le rapport E/C, le type de granulat, la composition et la finesse du ciment, sur les expansions induites par la DEF, ainsi que leur impact sur les caractéristiques du matériau. Cette campagne, conçue sur le principe des plans d’expériences, a permis de mettre en évidence le rôle majeur de certains paramètres - 3 - et surtout de montrer que les interactions, notamment entre la température et la durée de l’échauffement, sont de première importance. Les modèles empiriques générés, validés d’un point de vue statistique, permettent d’estimer avec une grande précision les expansions et les caractéristiques mécaniques des bétons étudiés. La deuxième partie concerne l’élaboration d’un mécanisme global de la dégradation s’appuyant sur la synthèse des connaissances actuelles et étayé par les expériences et observations réalisées pendant cette étude. Ce mécanisme fait intervenir différents points clefs comme l’expansion homogène de la matrice cimentaire, la précipitation de l’ettringite dans les grains de Hadley, et la précipitation de l’ettringite aux interfaces pâte / granulat. Short abstract Delayed ettringite formation (DEF) is a pathology of cementitious materials that has been widely studied these past years. If ettringite forms only partially during the beginning of cement hydration (its solubility increases with temperature and alkali content), the late crystallization of the remaining ettringite in a hardened material stored in wet conditions, without any external sulphate supply, can be associated with a global swelling of the material. DEF can be identified if this swelling generates damage at the level of the material or the structure. This phenomenon can cause concrete specimens to expand by about 1 % in unrestrained conditions of expansion, leading to important damage in field structures as cracks affecting the whole concrete. Nowadays there are only few recognized cases because this pathology requires the concomitance of several conditions. These cases have been identified in steam-cured precast concretes and in non-heat-treated massive concrete members. In this second case, the heat associated with cement hydration can generate by itself high temperature in the heart of the concrete member. The main parameters required to develop this pathology are now relatively well known : a temperature higher than 65°C during a adequate time, high sulphate, alkali and aluminate content and wet conditions of storage. However, specific impact of these parameters and mostly interactions between these parameters, which seems to be the source of many discrepancies in experimental models, still needs studying. Another point of issue concerns the crystal-clear role of ettringite in the expansion process, and more precisely, the initial source of expansion and the global mechanism leading to damages that affect the mechanical properties of the cementitious material. This study aims at resolving these issues. - 4 - Firstly, a comprehensive experimental study assesses the influence of several parameters such as curing temperature and duration, W/C ratio, aggregate nature, cement content and fineness, on DEF-induced expansion, and its effect on the material properties. The principle of the design of experiment has been successfully used to bring to light the major role of some parameters and especially interactions, for example between curing temperature and duration. The resulting experimental models, statistically validated, can be used to precisely estimate the expansion and the mechanical properties of the studied concrete. Secondly, a global mechanism of the degradation has been elaborated from a synthesis of current knowledge and supported by experiment and observations realized during this study. This mechanism brings in the homogeneous expansion of the cement paste, the precipitation of ettringite crystals in Hadley grains and finely the precipitation of massive ettringite in the paste / aggregate interface. - 5 - - 6 - Sommaire Remerciements __________________________________________________________ 1 Résumé court ____________________________________________________________ 3 Short abstract ___________________________________________________________ 4 Table des figures ________________________________________________________ 11 Table des tableaux_______________________________________________________ 17 Table des équations ______________________________________________________ 19 I Introduction __________________________________________________________ 21 I.1 Introduction générale ______________________________________________ 21 I.2 Etude bibliographique de la DEF ____________________________________ 23 I.2.1 Définition de la formation différée d’ettringite__________________________ 23 I.2.2 Généralités sur l’hydratation des ciments Portland [7] ____________________ 23 I.2.3 La stabilité de l’ettringite __________________________________________ 26 I.2.4 Manifestation des attaques sulfatiques internes _________________________ 27 I.2.5 Cas d’attaque sulfatique interne _____________________________________ 29 I.2.6 Etudes paramétriques de la DEF _____________________________________ 30 I.2.7 Mécanismes de dégradation ________________________________________ 39 II Conception de l’étude expérimentale_______________________________________ 45 II.1 Conception de l’étude expérimentale des différents paramètres ___________ 45 II.1.1 Détermination des paramètres étudiés_______________________________ 45 II.1.2 Choix de la méthodologie d’étude des paramètres _____________________ 46 II.1.3 Choix des modèles associés ______________________________________ 47 II.1.4 Choix des réponses à étudier______________________________________ 49 II.1.5 Définition des paramètres étudiés et leurs niveaux_____________________ 50 II.2 Fabrication et suivi des corps d’épreuve_______________________________ 54 II.2.1 Matériaux utilisés ______________________________________________ 54 II.2.2 Formulation et fabrication des bétons _______________________________ 56 II.2.3 Echauffements_________________________________________________ 57 II.2.4 Cycles de séchage et d’humidification ______________________________ 59 II.2.5 Stockage des éprouvettes ________________________________________ 60 II.2.6 Suivi des corps d’épreuve ________________________________________ 60 II.3 Expériences ponctuelles complémentaires _____________________________ 67 II.3.1 Préparation des échantillons ______________________________________ 67 II.3.2 Utilisation du microscope électronique à balayage_____________________ 69 II.3.3 Essais mécaniques destructifs _____________________________________ 70 II.3.4 Suivi de l’hydratation d’un mortier d’ettringite calcinée ________________ 73 II.3.5 Caractéristiques des appareillages utilisés ___________________________ 74 III Exploitation des plans d’expériences_____________________________________ 79 III.1 Etude des différents comportements des bétons_________________________ 79 III.1.1 Corps d’épreuve expérimental ____________________________________ 79 III.1.2 Mise au point du plan « ciment » __________________________________ 81 III.1.3 Etude des courbes d’expansion ____________________________________ 91 III.1.4 Etude des courbes d’évolution du module ___________________________ 96 - 7 - III.1.5 Dispersion des mesures _________________________________________ 101 III.1.6 Modélisation des courbes _______________________________________ 105 III.1.7 Analyse du comportement d’autres ciments industriels ________________ 115 III.1.8 Apport des essais mécaniques destructifs ___________________________ 117 III.1.9 Etude de la variation de masse des éprouvettes immergées _____________ 122 III.1.10 Variation de la porosité des bétons ______________________________ 124 III.1.11 Apport des observations au microscope électronique à balayage _______ 134 III.1.12 Synthèse des comportements des bétons__________________________ 144 III.2 Traitement des réponses systématiques par la méthode des plans d’expériences 146 III.2.1 Choix des réponses étudiées _____________________________________ 146 III.2.2 Détermination de la matrice des modèles ___________________________ 147 III.2.3 Détermination des coefficients des modèles _________________________ 151 III.2.4 Vérification statistique de la pertinence des coefficients du modèle ______ 151 III.2.5 Expression des résultats ________________________________________ 152 III.2.6 Utilisation des modèles des plans d’expériences _____________________ 161 III.2.7 Synthèse du traitement des plans d’expériences ______________________ 167 III.3 Conclusion de l’étude comportementale et statistique des bétons _________ 168 IV Etude des mécanismes de dégradation __________________________________ 175 IV.1 Observations au microscope électronique à balayage ___________________ 175 IV.1.1 Formation des grains de Hadley __________________________________ 176 IV.1.2 Observation des grains de ciment anhydres résiduels__________________ 186 IV.1.3 Formation d’ettringite aux interfaces pâte / granulat __________________ 198 IV.1.4 Synthèse des observations_______________________________________ 205 IV.2 Effet d’un échauffement tardif______________________________________ 207 IV.2.1 Contexte et corps d’épreuve _____________________________________ 207 IV.2.2 Suivi du corps d’épreuve________________________________________ 207 IV.2.3 Observations au microscope électronique à balayage__________________ 209 IV.2.4 Conclusions de l’étude de d’impact d’un échauffement ________________ 215 IV.3 Suivi d’un mortier d’ettringite calcinée en cellule triaxiale ______________ 216 IV.3.1 Suivi de l’hydratation de l’ettringite calcinée ________________________ 216 IV.3.2 Impact des alcalins et du rapport eau / liant _________________________ 221 IV.3.3 Conclusions de l’étude du suivi de l’hydratation de l’ettringite __________ 223 IV.4 Proposition d’un mécanisme global de la dégradation __________________ 223 IV.4.1 Présentation du mécanisme ______________________________________ 223 IV.4.2 Phase initiale _________________________________________________ 224 IV.4.3 Période latente ________________________________________________ 225 IV.4.4 Accélération des dégradations____________________________________ 231 IV.4.5 Phase de stabilisation progressive _________________________________ 237 IV.4.6 Compatibilité du mécanisme de dégradation avec les résultats expérimentaux 239 IV.4.7 Comparaison avec les effets d’une attaque sulfatique externe ___________ 244 IV.5 Conclusions de l’étude des mécanismes de dégradation _________________ 245 V Conclusions générales et perspectives _____________________________________ 249 V.1 Conclusions générales _____________________________________________ 249 - 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