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Thèse: Modélisation du couplage des transferts ioniques multi-espèces et initiation de la corrosion dans les matériaux cimentaires non saturés. Intégration de la lixiviation/précipitation des minéraux.

Descriptif du sujet :

Les matériaux à base de ciment, avec ou sans additions, sont généralement des matériaux poreux susceptibles d’être pénétrés par des ions ou molécules, appelés agents agressifs et provenant généralement du milieu extérieur. Ces derniers réduisent les performances mécaniques de ces matériaux, donc leur durabilité. Les principaux agents agressifs dans les zones maritimes sont les ions chlorure. Ces agents pénètrent le béton d’enrobage de la structure avec une concentration dite « critique », déclenchent la corrosion et éclatent le béton. Cela conduit à la dégradation partielle voire générale de la structure. Ces phénomènes de transfert d’agents agressifs ont été largement étudiés durant les dernières décennies vu l’enjeu économique qui est lié [GUO 18, FIR 2020]. En ce sens, plusieurs travaux de thèse sur le transfert des ions chlorure dans les matériaux cimentaires ont été développés au LaSIE [AMI 98, FRI 03, SLE 08, SAN 18]. Des modèles de prédiction du transfert de cet ion, de l’amorçage et de la propagation de la corrosion des armatures ont été proposés [POU 01, AÏT 06, NGU 14]. D’autres travaux sur le couplage du transfert d’ions chlorure et des phénomènes de lixiviation/précipitation dans les matériaux saturés ont été récemment effectués [CHE 2020a]. Cependant, le transfert multi-espèces des ions contenus dans l’eau de mer jusqu’à l’initiation de la corrosion dans les matériaux cimentaires partiellement saturés n’a pas été abordé à ce jour. En fait, l’ensemble des ions agressifs diffusent en parallèle dans le matériau (en fonction de son état de saturation) et engendre des interactions ion-ion et ion-solide conduisant à une modification de la microstructure du matériau. C’est pourquoi ces modèles de transfert d’agent isolé restent limités et décrivent mal le comportement du matériau ainsi que l’initiation de la corrosion de la structure en zones littorales.

L’objectif de ce travail de thèse est de développer un modèle physico-chimique permettant de simuler d’une façon réaliste les transferts couplés d’agents agressifs, de chaleur et d’humidité dans les structures en façade maritime. L’élaboration de ce modèle s’appuiera sur les travaux sus-cités de l’équipe TDVM du LaSIE. Etant donné que l’eau de mer est composée à la fois d’ions monovalents et divalents [REF 18], une modélisation multi-espèces des transferts réactifs de ces ions dans le matériau non saturé et de leurs conséquences sera effectuée avec prise en considération de la convection et du couplage avec le transfert de chaleur et d’humidité dans un premier temps. Dans un second temps, nous prédirons l’initiation à la corrosion dans ces matériaux non saturés en zones littorales. En parallèle, il est question d’enrichir le modèle physicochimique proposé en termes de cinétiques de lixiviation/précipitation des minéraux dans la porosité. Ces phénomènes sont responsables du maintien de l’équilibre thermodynamique entre les hydrates et la solution porale lors du transfert de ces agents agressifs [QIA 18, CHE 20b]. Pour ce faire, une investigation fine de la précipitation des minéraux dans la porosité 2 et de l’évolution de la microstructure des matériaux non saturés lors du transfert devra être effectuée. Pour cette étude, des matériaux respectueux de l’environnement à base de ciment et d’additions minérales et éventuellement les sédiments seront utilisés (éco-matériaux).

Cette étude permettra d’estimer d’une façon plus réaliste les transferts couplés des agents agressifs et de l’initiation de corrosion dans les structures en béton armé partiellement saturé tenant compte des phénomènes de lixiviation/précipitation et des conditions environnantes. Ceci permettra, par conséquent, d’améliorer les outils numériques utilisés dans la prédiction de la durée de vie des structures en zones littorales (bâtiments et ouvrages d’art).

Références

[AÏT 06] A. A??t-Mokhtar, O. Poupard, P. Dumargue, Relationship between the transfer properties of the coating and impedance spectroscopy in reinforced cement-based materials, J. Mater. Sci. 41 (2006) 6006–6014.

[FIR 20] A. Firouzi, M. Abdolhosseini, R. Ayazian, Service life prediction of corrosion-affected reinforced concrete columns based on time-dependent reliability analysis, Eng. Fail. Anal. 117 (2020) 104944.

[AMI 98] O. Amiri, Modélisation de l'électrodiffusion des ions chlorures dans les mortiers de ciment : intégration des phénomènes d'adsorption électrocapillaire, Thèse de doctorat, Université de La Rochelle, France, 1998.

[CHE 20a] R. Cherif, A. Hamami, A. Aït-Mokhtar, Global quantitative monitoring of the ion exchange balance in a chloride migration test on cementitious materials with mineral additions, Cem. Concr. Res. 138 (2020) 106240.

[CHE 20b] R. Cherif, A. Hamami, A. Aït-Mokhtar, Effects of leaching and chloride migration on the microstructure and pore solution of blended cement pastes during a migration test, Constr. Build. Mater. 240 (2020) 117934.

[FRI 03] H. Friedmann, Modélisation multi-espèces de l’électrodiffusion instationnaire des ions chlorures dans les mortiers de ciment : intégration de la double couche électrique, Thèse de doctorat, Université de La Rochelle, France (2003).

[GUO 18] B. Guo, Y. Hong, G. Qiao, J. Ou, Z. Li, Thermodynamic modeling of the essential physicochemical interactions between the pore solution and the cement hydrates in chloride-contaminated cement-based materials’, J. Colloid Interface Sci. 531 (2018) 56–63.

[NGU 14] P-T. Nguyen, Étude multiphysique du transfert de chlorures dans les bétons insaturés : Prédiction de l’initiation de la corrosion des aciers, Thèse de doctorat, Université de La Rochelle, France (2014).

[POU 01] O. Poupard, Etude du transfert de chlorures et de l’initiation de la corrosion d’un acier au sein d’un matériau cimentaire sature : suivi par spectroscopie d’impédance, Thèse de doctorat, Université de La Rochelle, France, 2001.

[QIA 18] C. Qiao, P. Suraneni, J. Weiss, Damage in cement pastes exposed to NaCl solutions, Constr. Build. Mater. 171 (2018) 120-127.

[REF 18] Ph. Refait, A.M. Grolleau, M. Jeannin, E. François, R. Sabot, Corrosion of mild steel at the seawater/sediments interface: Mechanisms and kinetics, Corros. Sci. 130 (2018) 76?84.

[SAN 18] T. Sanchez, Etude comparative de la diffusion d'espèces anioniques et cationiques dans les matériaux cimentaires : étude expérimentale et numérique, Thèse de doctorat, Université de La Rochelle, France, 2018.

[SLE 08] H. Sleiman, Etude du transport des chlorures dans les matériaux cimentaires non saturés : Validation expérimentale sur bétons en situation de marnage, Thèse de doctorat, Université de La Rochelle (2008).

Profil recherché :

La/Le candidat.e devra être titulaire d’un master ou d’un diplôme d’ingénieur en Génie Civil, Sciences des matériaux, Physique ou Mécanique. Elle / il devra être attiré.e à la fois par la modélisation numérique et les investigations expérimentales en laboratoire.

Modalités de candidature :

Fournir les documents suivants :

- Un CV détaillé, lettres de motivations et de recommandation, notes de L3, M1 et M2.

Contacts : M. Rachid CHERIF : rachid.cherif@univ-lr.fr

M. Abdelkarim AÏT-MOKHTAR : karim.ait-mokhtar@univ-lr.fr