Description sommaire de STADIUM®

STADIUM® est un modèle numérique conçu pour la prédiction de la pénétration des ions chlorure et d’autres contaminants dans les matériaux cimentaires. Cet outil permet aux propriétaires, aux gestionnaires, aux ingénieurs et aux entrepreneurs de réduire les coûts initiaux de construction, d’éviter des coûts d’inspection et d’entretien non requis, et de définir les priorités des dépenses en immobilisations. STADIUM® est aussi utile pour optimiser la sélection de matériaux et élaborer des stratégies de réhabilitation efficaces qui permettra de prolonger la durée de vie utile des ouvrages..

Contrairement aux modèles de pénétration des ions chlorure de première génération, tels que Life-365^TM et Duramodel^TM, STADIUM® intègre les plus récents développements en matière de modélisation de transport ionique et de solutions numériques. Le code de calcul par éléments finis peut modéliser la pénétration des ions chlorure et d’autres espèces chimiques dans des structures soumises à divers types de conditions d’exposition. STADIUM® prend également en compte les interactions complexes entre les contaminants externes et les phases hydratées de la pâte de ciment, de même que la composition chimique des ciments locaux et des ajouts cimentaires, comme le laitier de haut-fourneau, les fumées de silice et les cendres volantes.

STADIUM® prend aussi en considération l’incidence des variations de température et d’humidité relative sur la vitesse de pénétration des ions chlorure. En effet, STADIUM® permet aux ingénieurs de considérer des conditions d’exposition variant avec le temps afin de simuler l’effet des cycles de mouillage  et séchage sur la pénétration des ions chlorure, de façon à recréer des cas d’exposition complexes, mais réalistes. La prise en compte de conditions d’expositions plus proches de la réalité fournit une évaluation plus précise de l’ampleur de la pénétration des ions chlorure et d’autres contaminants dans une structure au cours de sa vie utile.

Puisque STADIUM® requiert la connaissance de paramètres relatifs aux matériaux, des méthodes expérimentales ont été élaborées à partir de procédures normalisées existantes. Ces méthodes permettent d’évaluer la qualité du béton, et mesurer l’incidence des différents types de ciments et d’ajouts cimentaires et de tenir compte des proportions du mélange de béton.

 

Comparaison entre STADIUM® et les modèles basés sur la loi de Fick

Le tableau ci-dessous met en lumière les différences entre STADIUM® et les approches de modélisation simplifiées fondées sur la seconde loi de Fick.

ASPECT	STADIUM®	Loi de Fick
Équation de transport	Basée sur le modèle Nernst-Planck étendu, qui prend en compte les facteurs suivants : Diffusion Couplage électrochimique Effets des activités non linéaires Niveau de saturation en eau dans les pores Température Incidence des espèces chimiques, comme les alcalis, les sulfates, le calcium et le magnésium	Seconde loi de diffusion de Fick, valable selon les hypothèses suivantes : La diffusion est le seul mécanisme de transfert Liaison des ions chlorure selon isotherme linéaire Matériaux saturés Matériaux isothermes Diffusion simultanée des ions chlorure libres et liés
Réactions chimiques	Prises en charge par un module séparé aux caractéristiques suivantes : Modèle de Pitzer pour le calcul de l’activité chimique à un haut niveau de pH et à de fortes concentrations d’alcalis Dissolution/précipitation traitée selon la loi de conservation de la masse formation de sels de Friedel à partir des phases d’AFm par mécanisme de solution solide Constantes d’équilibre tirées de la base de données CEMDATA07 v1c (2013) Liaison physique par les C-S-H traitée séparément à l’aide de l’isotherme de Freundlich	Aucun terme ne considérant les réactions chimiques Réactions chimiques incluses dans le coefficient de diffusion apparent sur la base d’une liaison linéaire des ions chlorure (qui n’est pas démontré par des observations expérimentales)
Propriétés du matériau	Porosité Coefficient de diffusion intrinsèque Perméabilité à l’eau Isotherme d’humidité relative Composition initiale de la solution interstitielle Proportions initiales des phases minérales de la pâte de ciment hydratée	Toutes les propriétés sont amalgamées dans le coefficient de diffusion apparent Le coefficient de diffusion apparent n’est pas une propriété du matériau, mais est fonction des conditions spécifiques dans lesquelles il a été mesuré
Conditions aux limites	Concentration des espèces ioniques dans l’environnement (chlorure, sulfate, magnésium, etc.) Température (peut varier en fonction du temps) Humidité relative (peut varier en fonction du temps)	Les conditions aux limites sont toutes incluses dans le terme de concentration de surface Co Co inclut les ions chlorure dans l’environnement et les ions chlorure liés près de la limite Co ne constitue pas une représentation réelle de l’environnement

Comparaison des capacités prédictives

Il est possible d’établir une comparaison directe entre les deux approches. Dans l’exemple qui suit, les deux modèles ont été utilisés pour prédire la pénétration des ions chlorure dans une structure de stationnement où du sel de déglaçage a été appliqué pendant 20 ans en hiver.

• Des échantillons de béton ont été prélevés de la structure. Une analyse pétrographique a révélé que le béton en place était un mélange à base de ciment Portland présentant un rapport eau-ciment (E/C) d’environ 0,45.
• Un mélange identique a été préparé en laboratoire et des cylindres ont été confectionnés. On a ensuite laissé les cylindres mûrir pendant 28 jours dans des conditions humides.
• Après 28 jours de mûrissement, une série de cylindres ont été testés à l’aide des méthodes d’essai de SIMCO :
  • Porosité : norme ASTM C642
  • Coefficient de diffusion : essai de migration (norme ASTM C642 modifiée)
  • Perméabilité : essai de séchage (norme ASTM C1792)
  • Isotherme d’humidité relative : norme ASTM C1792 modifiée
• Une autre série de cylindres ont été immergés dans une solution à 0,5 M de NaCl. Après 80 jours, les profils de teneur en ions chlorure ont été mesurés à différentes profondeurs à l’aide d’une technique d’extraction acide (norme ASTM C1152). Ces profils ont ensuite été utilisés pour estimer le coefficient de diffusion apparent D_app en fonction de la seconde loi de Fick.
• En ce qui concerne la détermination des conditions aux limites utilisées dans STADIUM®, des échantillons de solution, extraits directement de la surface du béton au cours de tout un hiver, ont été analysés. Des données relatives à la température et à l’humidité relative, recueillies par une station météorologique locale, ont également été utilisées dans STADIUM®.
• Pour mesurer la valeur de C_o dans le cadre de l’analyse fondée sur la loi de Fick, des profils de teneur en ions chlorure ont été mesurés sur des carottes extraites de la structure analysée, avec des mesures aux mêmes incréments de profondeur.

Les données ont ensuite été utilisées comme paramètres d’entrée pour chacun des deux modèles afin de prédire la pénétration des ions chlorure après 20 ans. Les résultats sont présentés à la figure 1. Dans le cas considéré, l’approche simplifiée de la loi de Fick surestime énormément le taux de pénétration des ions chlorure.

 

Figure 1 – Chloride ingress in a parking slab after 20 years of exposure to deicing salts

Validation de STADIUM

Au fil des ans, le modèle STADIUM® a été validé de façon exhaustive sur la base de données obtenues en laboratoire ou sur le terrain. La présente section présente quelques exemples d’essais de validation effectués par SIMCO ayant été publiés dans des revues scientifiques, présentés lors de conférences ou générés dans le cadre de différents projets d’ingénierie. Dans tous les cas, la procédure était la même :

• Des échantillons de béton (mûris en laboratoire ou extraits d’éléments en béton) sont testés à l’aide des méthodes d’essai de SIMCO, afin de déterminer les propriétés de transport :
  • Porosité : norme ASTM C642
  • Coefficients de diffusion : essai de migration (norme ASTM C642 modifiée)
  • Perméabilité : norme ASTM C1792
  • Isotherme d’humidité relative : norme ASTM C1792 modifiée
• Les profils de teneur en ions chlorure obtenus ont été mesurés à différentes profondeurs à l’aide d’une technique d’extraction acide (norme ASTM C 1152).
• Les paramètres calculés lors de la première étape ont été saisis dans STADIUM® afin de déterminer si le modèle reproduisait les profils de teneur en ions chlorure mesurés.

 

Figure 2 – Mélange à base de ciment Portland avec rapport eau-ciment de 0,45 exposé à 0,5 M de NaCl [tiré de : Samson, E. et Marchand, J. « Multiionic Approaches to Model Chloride Binding in Cementitious Materials », Proceedings of the 2nd International Symposium on Advances in Concrete Through Science and Engineering (Québec, Canada), Marchand et al., RILEM Proceedings 51 (2006), p. 101-122.]

 

Figure 3 – Mortier à base de ciment Portland avec rapport eau-ciment de 0,65 exposé pendant 2 ans à 0,5 M de NaCl en condition saturée et selon des cycles de mouillage/séchage [présentée lors de la rencontre Advances in Cement-Based Materials de l’American Ceramic Society, Nashville (États-Unis), 2011]

 

Figure 4 – Profil de teneur en ions chlorure  mesuré sur une structure de béton âgée de 100 ans et exposée à l’eau de mer (écluses côté Pacifique du canal de Panama)

Informations techniques