Alternant HF Suivi en continu des processus physico-chimiques d’altération de matériaux du génie civil

Date de début du contrat

2023 10 01

Durée du contrat

2 ans

Descriptif de la mission

I - Contexte de l'apprentissage
Notre unité conduit des études, des expertises et des recherches sur les matériaux du génie civil, et notamment leur durabilité. Parmi ces recherches, certaines portent sur la détermination et la compréhension de certains processus d'altération de ces matériaux du génie civil telles que l'attaque sulfatique, la carbonatation, la migration des chlorures et d'autres encore. L'analyse de ces phénomènes nécessite l'analyse croisée de résultats donnés par plusieurs techniques analytiques conventionnelles, telles que l'analyse thermogravimétrique, la microscopie optique et celle à balayage ou encore la diffraction de rayons X. Des approches spectroscopiques apportent une vision plus continue de l'évolution de ces processus physico-chimiques. Ces nouvelles approches non conventionnelles en génie-civil nécessitent un renforcement des compétences de notre équipe technique.

II- Objectif et positionnement dans le laboratoire
L'objectif est d'impliquer l'étudiant.e dans les différents sujets de recherche afin qu'il s'imprègne de nos approches, de nos moyens d'essai et de nos techniques d'analyse. Son implication doit conduire l’étudiant.e à disposer d'un niveau de responsabilité croissant au cours de son contrat. L’étudiant.e fait à la fois partie de l'équipe technique et de l'équipe des chercheurs. L’étudiant.e participe dès lors aussi bien à l'élaboration des éprouvettes qu'à la réalisation de certains essais et à l'analyse et interprétation des résultats. A l'issue de la première année, un point sera fait pour la positionner sur certaines thématiques seulement, en cohérence à la fois avec ses aspirations et avec les orientations scientifiques de notre unité.
Son contrat doit voir aboutir l’étudiant.e à disposer de davantage de connaissances scientifiques sur nos domaines de recherche, mais aussi à développer ses compétences en matière de techniques d'analyse.

III- Programme scientifique

III.1- Carbonatation
La carbonatation affecte les matériaux cimentaires à des degrés divers. Elle est étudiée au travers de plusieurs prismes distincts dans le laboratoire :
- la recherche de formulations, notamment bas carbone, susceptibles de ralentir cette réaction qui conduit à la corrosion des armatures métalliques dans les structures armées ;
- l'appréciation de la cinétique de carbonatation de manière non destructive et l'impact sur les propriétés mécaniques du matériau ;

Le travail consiste à mettre en oeuvre différents formulations et à apprécier leur comportement vis à vis de la carbonatation lors de tests accélérés selon un protocole normalisé. Il s'agit à la fois d'apprécier la sensibilité de la formulation (vitesse et profondeur de carbonatation, mais aussi d'analyser l'évolution des propriétés mécaniques et des caractéristiques intrinsèques du matériau (porosité, perméabilité ...).

III.2- Processus d'altération des matrices cimentaires
Les matériaux cimentaires sont utilisés dans des ouvrages soumis à des environnements agressifs (milieu présentant une concentration élevée en ions chlorures, en sulfate ou les deux, milieu biologique générateur d'acide sulfurique ...).
Ainsi, pour les chlorures, Les matériaux cimentaires présentant une porosité, ces ions pénètrent dans la matrice cimentaire et réagissent avec la portlandite, des CSH et du C3A. Il existe plusieurs manières de réduire ce phénomène comme l'accroissement de la compacité, la réduction de la teneur en C3A et l'adjonction de produits (cendres volantes, pouzzolanes, laitier de haut fourneau) en remplacement de la portlandite.
D'autre part, la présence d'ions sulfate ou d'H2S en contact avec une matrice cimentaire ou des pierres naturelles provoque une réaction chimique entraînant l'apparition de gypse et d'ettringite. La croissance de cristaux de ces matériaux au niveau de fissures est susceptible de les aggraver. Cette croissance cristalline est à l'origine de phénomènes de gonflement d'engendre une augmentation de volume et une détérioration de la matrice cimentaire ou de la pierre. Ces deux phénomènes constituent l'attaque sulfatique externe. On la rencontre en présence d'ions sulfate (sols, eau de mer), mais aussi dans les réseaux d'assainissement en raison de la présence bactéries générant des sulfates ou de l'H2S.

Enfin, dans le cas des éléments azotés, les stations d’épurations doivent limiter leurs rejets en azote dans le milieu naturel. Pour cela, ils utilisent des processus biologiques de nitrification qui permettent d’oxyder l’ammonium en ions nitrites puis nitrates grâce à l’utilisation de bactéries nitrifiantes. Les concentrations en composés azotées dans les effluents à traiter ne sont pas considérés comme étant agressif pour les matériaux cimentaires selon la norme EN 206. Cependant le biofilm se formant à la surface produit des modifications locales de l’environnement, entrainant une décalcification de la matrice cimentaire. A ce jour, très peu de recherches ont été menées sur cette thématique et les mécanismes de dégradation reste à être mieux compris pour proposer des solutions pérennes aux exploitants.

Objectifs des études et des recherches :
- comprendre les phénomènes physico-chimiques impliqués
- comprendre de rôle des différents constituants dans le processus d'attaque
- appréhender la cinétique de l'attaque
- contribuer à la création d'un essai normalisé

Le programme scientifique consistera à évaluer le front d'altération de ces altérations, en cohérence avec les approches normatives en vigueur. Elle s'appuie sur des analyses visuelles, des observations au microscope optique et en microscopie électronique à balayage, des mesures par DRX et des mesures ATG.
A ces approches conventionnelles vont s'ajouter des approches spectroscopiques à la fois sur le matériau, mais aussi sur le fluide auquel le matériau cimentaire est soumis. Cette approche nécessitera une adaptation du dispositif expérimental actuel pour intégrer une sonde Raman à immersion

III.3- Géomatériaux alcali-activés
Les géomatériaux alcali-activés constituent une alternative au ciment de Portland. Cependant, les réactions chimiques en jeu diffèrent significativement de celles rencontrées dans le cadre de l'hydratation d'un ciment.
Certains géomatériaux alcali-activés présentent des changements de couleur pendant la phase de prise mais aussi après cette étape. Il semble que cette situation résulte à la fois de l'exposition à l'air et de l'exposition à la lumière, sans que le rôle de chaque facteur soit bien défini. Il s'agira alors d'explorer quelques formulations et de définir des essais afin d'apprécier quels sont les facteurs affectant l'évolution de couleur, et ainsi parvenir à orienter le phénomène.

Profil recherché 

Master physique-chimie des matériaux