Transferts aqueux à travers les matériaux cimentaires partiellement saturés
Institution:
Toulouse 3Disciplines:
Directors:
Abstract EN:
The diffusivity properties are of great importance as far as the durability of a construction made of cement-based materials, such as a particular solution for radioactive waste disposal, is concerned. Besides, the influence of material microstructure on transfer properties is recognized and ensues both from the characteristics of the material itself as well as from its history and environment conditions. In service conditions, cement-based materials are seldom at a fully saturated state. The scientific community has long since ascertained the lack of experimental data on aqueous diffusion in non-saturated medium. The main purpose of this work is to determine de diffusion coefficient of an ionic species through partially saturated cement-based materials. An approach has been proposed on the basis of the analogy between ionic diffusion and electrical conductivity - given by the Nernst-Einstein relationship - and the formation factor concept. Accordingly, an experimental programme based on the electrochemical impedance spectroscopy test, together with a data analysis procedure using an electrical model of material microstructure, have been developed. A first validation study has been carried out by means of an electrokinetic test on saturated materials. The geometric character of the formation factor, reflecting the pore network configuration whatever the pore solution ionic force or composition, has been shown. As a consequence, the diffusion coefficient of chloride ion has been calculated, highlighting the suitability of the proposed method. This method has allowed to determine the diffusion coefficient of an ionic species through several partially saturated materials. It has been observed that the formation factor depends also on the material saturation level. Thus, the diffusion coefficient turns out to be an intrinsic parameter of the material, through its pore network and its solution content. The shapes of evolution of the diffusion coefficient as a function of saturation level have shown the existence of leading paths for ionic species transfer through materials. In a logical way, these paths seem to be related to the main pore modes, but also to the total open porosity of the material.
Abstract FR:
Les propriétés de diffusivité ont une importance capitale dès lors que la durabilité de tout ouvrage fait à base d'un matériau cimentaire est concernée. A son tour, l'influence de la microstructure des matériaux cimentaires sur les propriétés de transfert est avérée et dépend à la fois des caractéristiques du matériau lui-même mais aussi de son vécu et des conditions d'environnement. En conditions de fonctionnement, le matériau cimentaire n'est que très rarement dans un état de saturation complète. Depuis de nombreuses années la communauté scientifique a mis en exergue le manque de données expérimentales sur la diffusion aqueuse en milieu insaturé. L'objectif essentiel de ce travail de recherche consiste en la détermination du coefficient de diffusion d'une espèce ionique à travers des matériaux cimentaires partiellement saturés. Une approche fondée sur l'analogie entre diffusion ionique et conduction électrique - établie par la relation de Nernst-Einstein - et sur le concept de facteur de forme, a été ici mise en oeuvre. Ainsi, un protocole expérimental basé sur l'essai de spectroscopie d'impédance électrochimique, ainsi qu'une procédure d'analyse des mesures, par application d'un modèle électrique de la microstructure des matériaux, ont été développés. Une étape de validation a été effectuée au moyen d'un essai électrocinétique sur des matériaux saturés. Le caractère géométrique du facteur de forme qui reflète la configuration du réseau poreux, indépendamment de la force ionique et de la composition de sa solution porale, a été mis en évidence. Le coefficient de diffusion de l'ion chlorure a été calculé en conséquence, montrant la pertinence de la méthode proposée. Cette méthode a permis de déterminer le coefficient de diffusion d'une espèce ionique au travers de différents matériaux partiellement saturés. Il a été montré que le facteur de forme dépend aussi du degré de saturation du matériau. De même, le coefficient de diffusion s'avère une grandeur intrinsèque du matériau, via son réseau poreux et son état hydrique, et de l'espèce diffusante. Les profils d'évolution du coefficient de diffusion en fonction du degré de saturation ont montré l'existence de voies préférentielles pour le transfert d'espèces ioniques à travers les matériaux. Ces voies semblent être associées, en toute logique, aux principaux modes poraux ainsi qu'à la porosité ouverte totale du matériau.