Etude multi-échelle de la diffusion des ions dans la pâte de ciment: vers des structures béton plus durable – CEMDIF

La conception des structures en béton implique la prise en compte de leur exposition aux agents agressifs. Leur durée de vie peut être prédite à partir de modèles d'ingénierie ou de modèles plus sophistiqués si le coefficient de diffusion des agents agressifs est connu. Le coefficient de diffusion est généralement obtenu à partir d'essais de diffusion naturelle ou de migration sur des échantillons de béton. En raison des calibrages, la plupart des modèles existants ne font pas le lien entre le coefficient de diffusion effectif et les propriétés physiques et chimiques du matériau à l'échelle moléculaire qui affectent la diffusivité dans les pores de gel des hydrates. Dans ce projet, nous proposons un modèle multi-échelle pour prédire le coefficient de diffusion des pâtes de ciment avec substitution partielles de laitier de haut fourneau et de métakaolin, pour lesquels les principaux produits hydratés sont les aluminosilicates de calcium hydratés (C-A-S-H). Dans un premier temps, nous étudierons la diffusion des ions dans les pores de gel sur des modèles moléculaires de C-(A)-S-H en prenant en compte différentes solutions porales (bi-espèces et multi-espèces), différentes tailles de pores et différents rapports C/S et A/S afin de couvrir les gammes observées dans les matériaux cimentaires avec additions minérales. L’analyse d’images par microscope électronique à balayage couplée à la spectroscopie de rayons X à dispersion d’énergie, ainsi que des essais de résonance magnétique nucléaire (RMN) du 29Si et du 27Al permettront de valider les modèles moléculaires. L’approche moléculaire permettra de mettre en évidence le phénomène de double couche électrique (EDL), dont l’effet sur la diffusion a été démontré. L’influence de l’EDL sera quantifiée expérimentalement à l’aide de différentes méthodes de mesure du potentiel zêta. Dans un second temps, l’échelle nanoscopique (~100 nm) sera prise en compte par un modèle d’interaction entre nanoparticules. Plusieurs volumes élémentaires représentatifs seront créés afin de reproduire les observations expérimentales de porosimétrie à intrusion de mercure, par adsorption d’azote et par RMN du proton. Finalement, à partir d'un modèle d'hydratation, nous ferons une transition vers l'échelle d'un volume élémentaire représentatif de pâte de ciment à l’aide de méthodes d'homogénéisation. Des essais de migrations permettront de confronter les coefficients de diffusions calculés par notre modèle multi-échelle. L'ambition de ce projet est d'améliorer la compréhension fondamentale de la diffusion des espèces ioniques dans la pâte de ciment et de répondre à la question suivante : comment la composition du liant affecte-t-elle la diffusion dans le béton à différentes échelles? Cette étude pourrait ouvrir la voie à une meilleure conception des bétons en vue d’une prédiction plus précise de la durée de vie des structures.