Multiphysics evaluation of low CO2 and low pH cementitious matrices exposed to Mg-bearing environments

Étude multi-physique des matrices cimentaires bas carbone et bas pH exposées à des environnements contenant du magnésium L’IRSN est en charge d’évaluer la sûreté de la conception du projet de stockage en couche géologique profonde des déchets radioactifs (Cigéo). L’un des grands enjeux de sûreté de ce dossier concerne les dispositifs de fermeture. Les matériaux cimentaires utilisés dans les ouvrages de génie civil (stockage géologique souterrain de déchets radioactifs, barrages etc.) sont conçus pour résister à diverses agressions ou sollicitations pendant plusieurs dizaines voire centaines d'années. Cependant, en contact d’eau douce ou d’eau de mer, la lixiviation de la matrice cimentaire s’accompagne d’un enrichissement en magnésium conduisant à la formation de brucite (comblant la porosité et formant une couche protectrice) et/ou de silicate de magnésium hydratés (M-S-H) dont les propriétés sont peu étudiées. Avec l’émergence de nouveaux liants, la composition minéralogique des bétons hydratés change et les mécanismes d’altération en présence de magnésium sont différents de ceux rencontrés dans des ciments ordinaires riches en portlandite. La formation des M-S-H est favorisée vis-à-vis de celle de la brucite. Cette thèse a pour objectif : (i) de comprendre les mécanismes réactionnels de l’attaque magnésienne et de la formation des M-S-H au sein des matrices cimentaires à faible teneur en calcium, (ii) d’étudier l’influence de la formation des M-S-H sur les propriétés micro-structurelles et mécaniques et (iii) de proposer des données microstructurales et mécaniques des M-S-H intégrables dans des modèles chemo-mécaniques.Dans un premier temps, l’influence de la composition de la pâte cimentaire sur les phases formées lors de l’attaque magnésienne a été étudiée. La présence de portlandite implique la formation de brucite. Une hydratation non complète des liants à faible C/S, même en l’absence de portlandite, peut aussi provoquer la formation de brucite. Les M-S-H se forment au sein de la pâte et correspondent à un enrichissement en magnésium en profondeur. Dans un second temps, une caractérisation des M-S-H a été réalisée sur des pâtes de M-S-H afin d’acquérir des données sur les propriétés physiques et mécaniques intrinsèques aux M-S-H et ainsi pouvoir, via une modélisation chemo-mécanique à petite échelle, comprendre les mécanismes d’altération des propriétés sous ces attaques. Enfin, une étude multi-physique, à l’échelle mésoscopique, de l’altération de matrices à faible teneur en calcium par des eaux contenant du magnésium a été réalisée. Deux pâtes cimentaires à bas C/S (pâte modèle à base de silice colloïdale et pâte réelle à base de fumée de silice et de laitier – T3) ont été exposées à des solutions avec des concentrations en Mg différentes (5 et 50 mM). La caractérisation chimique et minéralogique a permis de mettre en évidence qu’une profonde décalcification a lieu en parallèle d’un fort enrichissement en magnésium de la pâte, correspondant à la formation de M-S-H. Les caractérisations micro-structurelles et mécaniques (par indentation), réalisées pour observer l’évolution le long de ce front de dégradation, ont montré une augmentation de la porosité et une forte perte de propriétés élastiques locales malgré la formation des M-S-H. Une homogénéisation mécanique, à partir des données déterminées précédemment sur les pâtes de M-S-H, confirment que les M-S-H issus de dégradation possèdent de faibles propriétés élastiques. L’augmentation de la concentration en Mg ne modifie pas la minéralogie et la chimie de la zone dégradée mais uniquement la profondeur dégradée. Les résultats sur la pâte réelle (T3) sont similaires à ceux de la pâte modèle, validant les résultats sur celle-ci. En complément, la pâte modèle a aussi été étudiée en lixiviation pure pour comparer l’impact de la lixiviation à celle de l’attaque magnésienne sur les liants bas C/S. Une étude via un code de transport réactif a été réalisée pour mieux comprendre les différences de cinétique et de phénoménologie. Elle confirme que la présence de magnésium accélère la dégradation.