Le béton est le matériau le plus utilisé dans le monde. Son succès vient de son accessibilité et ses performances mécaniques, surtout lorsqu'il est renforcé par de l'acier. Dans le béton, l'acier doux est naturellement protégé par la formation d'une couche d'oxyde protectrice. Ceci est possible avec l'alcalinité du béton résultant de l'hydratation du ciment Portland.Cependant, la fabrication du ciment Portland est responsable de 5 à 7% des émissions anthropiques mondiales de CO2. Le développement du ciment Belite-Ye'elimite-Ferrite (BYF) comme liant alternatif est une solution prometteuse avec une diminution de 20 à 30% des émissions de CO2 par rapport à la production de ciment Portland. Les propriétés sont en cours d'évaluation et la possibilité d'utiliser l’acier doux en renfort sans corroder en fait partie.Cette thèse traite de la corrosion de l'acier incorporé dans des matériaux à base de ciment BYF sous différents angles. Tout d'abord, une étude d'hydratation détaillée a été effectuée pour comprendre l'évolution de l'électrolyte, c'est-à-dire de la solution interstitielle et de l'assemblage de phases. Ensuite, la passivation des barres d'armature d'acier ordinaire intégrées dans des mortiers renforcés a été étudiée. De plus, des analyses ont été effectuées avec des échantillons d'acier immergés dans des extraits aqueux de pâtes de ciment équivalentes pour caractériser la structure et l'épaisseur du film passif. Enfin, l'impact des chlorures initiaux sur la corrosion des mortiers renforcés a été évalué.L'hydratation a été caractérisée par plusieurs techniques, au jeune âge et pendant un an, avec des techniques telles que la calorimétrie isotherme, la spectroscopie d'émission optique par plasma à couplage inductif, la thermogravimétrie, la diffraction des rayons X et la porosimétrie par intrusion au mercure. L'évolution de l'acier dans les mortiers a été évaluée avec des techniques électrochimiques. L'applicabilité des techniques non destructives courantes (potentiel de demi-cellule, résistance à la polarisation linéaire, et l'impédance électrochimique) a été validée par des mesures de polarisation potentiodynamique large et une inspection visuelle. Le film passif formé dans des extraits aqueux des mortiers a été caractérisé par des techniques électrochimiques couplées aux mesures de spectroscopie de photoélectrons aux rayons X. Une fois que la passivation établi, l'impact des chlorures initiaux sur les mortiers renforcés a été évalué.Pour le BYF, le processus d'hydratation et les assemblages de phases hydratées sont différents du ciment Portland, mais la solution interstitielle est finalement très basique après un jour (pH de 13). La principale différence est le pH qui est inférieur (10.6) avant la prise. Les mesures ont montré que l'acier se passive avec le même niveau de protection qu’avec le ciment Portland. La différence est le temps nécessaire pour atteindre le meilleur niveau de protection (28 jours avec le ciment BYF au lieu de 7 jours avec le ciment Portland). Les échantillons d’acier immergés dans des extraits aqueux de ciment Portland et BYF après 28 jours d’hydratation ont présenté une épaisseur et une composition similaires, indiquant que le milieu BYF est aussi protecteur que celui de Portland. L'acier passive dans les mortiers BYF (E/C = 0.5) contenant 0.4% de chlorures par masse de ciment, ce qui ne remet pas en question, pour ce nouveau ciment, la limite imposée par la norme européenne EN-206 aux bétons armés. / Concrete is the most widely used material in the world. The success lies on its affordability and mechanical performance, especially when reinforced with steel. Once embedded in the concrete, mild steel is naturally protected by the formation of a protecting oxide layer. This is possible thanks to the alkalinity of the concrete which results from the hydration of the Portland cement.However, Portland cement manufacturing is responsible of about 5 to 7% of the global anthropogenic CO2 emissions. The development of Belite-Ye’elimite-Ferrite (BYF) cement as alternative binder is a promising solution with a decrease of 20 to 30% in CO2 emissions compared to Portland production. The properties are being evaluated and the possibility of using mild steel reinforcement without corroding is part of it.This thesis approaches the corrosion of steel embedded in BYF cement based materials from various angles. First, a detailed hydration study was performed to understand the evolution of the “electrolyte”, i.e. of the pore solution and of the phase assemblage. Second, the passivation of ordinary steel rebar embedded in reinforced mortars was investigated. In addition, analyzes were carried out with steel samples immersed in aqueous extracts of equivalent cement pastes to characterize the structure and the thickness of the passive film. Finally, the impact of the initial chlorides on corrosion of reinforced mortars was evaluated.The hydration was characterized by several techniques, at early-age and then over one year, with techniques such as isothermal calorimetry, inductively coupled plasma optical emission spectroscopy, thermogravimetry, X-ray diffraction and mercury intrusion porosimetry. The evolution of steel embedded in mortars was evaluated with several electrochemical techniques. The applicability of current non-destructive techniques (half-cell potential readings, linear polarization resistance and electrochemical impedance spectroscopy) has been validated by large potentiodynamic polarizations and visual inspection. The passive film formed in aqueous extracts of the mortars was characterized with electrochemical techniques coupled to X-ray photoelectron spectroscopy measurements. Once the passivation understood, the impact of the initial chlorides on the reinforced mortars was evaluated.For the BYF, the hydration process and the hydrated phase assemblages are different from Portland cement, but the interstitial solution is finally very basic after one day (pH of 13). The main difference is the pH that is lower (10.6) before setting. The measurements showed that steel was effectively passivated in BYF mortars with the same level of protection as with Portland cement. The difference between the BYF and Portland cement is the time required that to reach the greatest level of protection (28 days instead of 7 days), probably because of initial lower pH value. The steel immersed in Portland and BYF aqueous extracts obtained after 28 days of hydration exhibited similar thickness and composition of protective layer, indicating that BYF media was as protective as Portland ones. Steel passivates in BYF mortars (W/C = 0.5) containing 0.4% chlorides by cement mass which is in agreement with the limit imposed by the European Standard EN-206 to reinforced Portland concretes.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:theses.fr/2017GREAI023 |
| Date | 01 June 2017 |
| Creators | Koga, Guilherme Yuuki |
| Contributors | Grenoble Alpes, Nogueira, Ricardo |
| Source Sets | Dépôt national des thèses électroniques françaises |
| Language | French |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation, Text |
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