Durability of Low-Carbon Cementitious Materials Subjected to Single and Coupled Degradation Phenomena

Durabilité des matériaux cimentaires bas carbone soumis à des phénomènes de dégradation simples et couplés La durabilité des matériaux cimentaires dans des environnements agressifs est une considération essentielle pour la construction durable, en particulier à mesure que l'industrie du ciment évolue vers des alternatives à faible empreinte carbone. Cette thèse explore la résistance de divers liants à faible teneur en carbone, allant des ciments composés aux géopolymères, face aux principaux mécanismes de dégradation tels que l'attaque sulfatique externe, la fixation des chlorures, les interactions couplées sulfate-chlorure, ainsi que d'autres problématiques de durabilité. Un programme expérimental mené à l’échelle de la pâte a été mis en place pour étudier l'évolution chimique et microstructurale de ces matériaux, en établissant des liens entre leur composition, leurs conditions de cure et leur performance à long terme. La première phase a évalué la résistance aux sulfates des matériaux cimentaires intégrant des ajouts tels que le laitier de haut-fourneau, les cendres volantes et le métakaolin. Les résultats ont montré que ces ajouts améliorent la résistance aux sulfates en réduisant la quantité d'hydroxyde de calcium disponible et en raffinant la microstructure. Quatre formulations ont alors été sélectionnées pour une analyse approfondie : un ciment CEM I, un liant binaire, un ternaire et un quaternaire. La deuxième phase a permis d’étudier les effets couplés des ions sulfate et chlorure, un processus courant dans les milieux marins et agressifs. Les résultats ont révélé une interaction complexe : les chlorures retardent l’ettringite, tandis que les sulfates déstabilisent le sel de Friedel, facilitant la pénétration des chlorures. Ces observations soulignent la nécessité de prendre en compte les processus de dégradation multifactoriels. La troisième phase a examiné l’influence de la durée de cure sur la résistance des matériaux à l’attaque couplée sulfate-chlorure. Une cure prolongée a amélioré la fixation des chlorures et l’hydratation, mais aussi accentué la formation de produits induits par les sulfates, mettant en évidence le rôle ambivalent de la cure. Cette étude remet en question l’idée selon laquelle une cure prolongée améliore systématiquement les performances, et insiste sur l’optimisation des protocoles selon les conditions environnementales. La dernière phase s’est concentrée sur les géopolymères comme alternative aux liants cimentaires à faible empreinte carbone, en comparant leur durabilité à celle d’un ciment à faible teneur en clinker (CEM III). Contrairement à d’autres travaux basés sur la cure thermique ou l'ajout de nanomatériaux, cette recherche s’est focalisée sur des géopolymères curés à température ambiante. Les résultats ont confirmé leur excellente résistance aux attaques sulfatiques, acides et à la carbonatation grâce à leur matrice aluminosilicatée sans calcium, mais ont révélé des limites concernant la fixation des chlorures et le cycle gel-dégel. Dans l’ensemble, cette thèse propose un cadre détaillé pour comprendre la durabilité des matériaux cimentaires à faible teneur en carbone dans des milieux agressifs. Les résultats mettent en évidence l'importance du choix des formulations, des stratégies de cure et des méthodes d’évaluation adaptées aux conditions d’exposition. Cette étude souligne aussi la nécessité de passer de l’échelle de la pâte à celle du mortier et du béton, pour assurer la validité des résultats en conditions réelles. Les conclusions contribuent au développement d'infrastructures plus durables, tout en approfondissant la compréhension des mécanismes de dégradation des nouveaux systèmes cimentaires