Caractérisation du réseau poreux des bétons

La durabilité des bétons est leur capacité à garantir dans le temps une durée de vie ciblée de la structure en prenant en compte l’environnement dans lequel ils se trouvent. Cette durabilité dépend du matériau (porosité, connectivité, tortuosité, etc.) et des conditions d’exposition qui dépendent de la température, de l’humidité, de l’agressivité chimique du milieu environnant et des sollicitations mécaniques.

2.3.1 Porosité et distribution porale du béton

Elle représente les vides (pores) d’un matériau solide. Elle correspond au rapport entre le volume total des vides et le volume total du matériau.

𝜑 = ^{𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑑𝑒𝑠 𝑣𝑖𝑑𝑒𝑠}_{𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙} (2-1)

La porosité est un facteur affectant les propriétés mécaniques et diffusives des matériaux cimentaires. Le protocole de la mesure de la porosité ouverte du béton ou la « porosité accessible à l’eau » obéit à la

norme NF-P18-459. Elle donne une bonne approximation de la porosité interconnectée en mesurant le volume apparent du matériau par pesée hydrostatique et le volume des vides par différence entre la masse de l’éprouvette saturée et celle mesurée après séchage à 105°C jusqu’à avoir une masse constante. On s’intéresse à la porosité dite « ouverte interconnectée ». Les matériaux cimentaires possèdent un réseau poreux complexe dans lequel se trouvent les phases liquide et gazeuse. Il existe deux types de porosité : la porosité capillaire (les macropores et les mésopores) et la porosité de gel (les micropores). La porosité capillaire représente le volume de vides dans la pâte de ciment autour des hydrates et des anhydres alors que la porosité de gel représente le volume de vides au sein des CSH. La distribution porale est liée à la composition et l’hydratation du béton et aux conditions de cure. La distribution de pores (pores capillaires et pores de gel) dépend du rapport e/c. Pour une pâte de ciment de rapport e/c de 0,3, la porosité du gel représente d’après Powers [19] environ 28% du volume total des hydrates formés. Cette répartition entre les pores influe sur le comportement diffusif des espèces chimiques dans le matériau.

2.3.2 Tortuosité

La structure poreuse d’un matériau cimentaire est complexe. Pour caractériser la géométrie de cette structure, la tortuosité est définie comme le carré du rapport entre la longueur réelle du pore Le (m) et la longueur du pore mesurée dans la direction macroscopique de l’écoulement L (m) (cf. figure 2-3).

Figure 2-3 : Schéma illustrant la tortuosité d’un milieu poreux.

C’est une propriété importante de transfert dans un matériau. Elle est alors calculée par la relation suivante :

τ = (^𝐿𝑒

La tortuosité n’est pas mesurable car ce n’est pas possible de mesurer la longueur Le mais elle peut être calculée dans certains cas en modélisant la pâte de ciment comme un matériau homogène [20].

2.3.3 Constrictivité

Afin de considérer les effets de la variation des sections des pores, la constrictivité est définie comme le rapport entre la plus grande et la petite section efficace des pores. Ce paramètre est aussi difficile à mesurer. Différents modèles [21] ont proposé une estimation de la constrictivité en modélisant le réseau poreux du milieu comme une association de n types de pores qui ont pour longueurs L (m) et pour sections S (m²). La constrictivité est alors définie par :

t = (∑ ¹ 𝑞𝑖𝑛 𝑛 𝑖=1 )² ∑ ¹ 𝑞𝑖𝑛𝑚𝑖𝑛^∑ 𝑚𝑖𝑛² 𝑞𝑖𝑛 𝑛 𝑖=1 𝑛 𝑖=1 (2-3) où m_ij =^Sj S_i et q_ij= ^Lj

L_i sont respectivement le rapport des surfaces et des longueurs des pores i et j.

2.3.4 Propriétés de transfert

La perméabilité est un indicateur de durabilité qui évalue la capacité du matériau à se laisser traverser par un fluide liquide ou gazeux sous un gradient de pression. Il existe différents modèles qui estiment cette perméabilité et qui dépendent de la microstructure du matériau : porosité, distribution des pores, rapport e/c, etc.

Le coefficient de diffusion est un indicateur de durabilité qui désigne le processus de transport d’une espèce liquide ou gazeuse dans un matériau sous un gradient de concentration. Ce coefficient dépend des caractéristiques du matériau (formulation, porosité, rapport e/c, etc.). Expérimentalement, on distingue deux types de coefficient de diffusion.

- Le premier est le coefficient de diffusion effectif d’une espèce ionique diffusant dans la solution porale saturant un matériau cimentaire poreux défini par la première loi de Fick (cf. eq (2-4)) :

𝐽⃗ = −𝐷_𝑒𝑔𝑟𝑎𝑑𝐶⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ (2-4)

où J (Kg.m-2.s-1) est le flux massique diffusant de l’espèce par unité de temps et de surface, De (m2.s-1) est le coefficient de diffusion effectif et C (Kg.m-3) est la concentration massique de l’espèce diffusive.

Par exemple pour les ions chlorure, ce coefficient de diffusion peut être déterminé expérimentalement par un essai de diffusion en régime permanent (cf. figure 2-4). Le matériau est placé entre deux compartiments remplis d’une solution basique (NaOH). Le compartiment amont contient aussi du sel (solution NaCl). Le dosage des chlorures se fait par prélèvement chaque jour d’une solution du compartiment aval. Le renouvellement de la solution aval est fait toutes les 24h.

Figure 2-4 : Schéma de l’essai de diffusion naturel.

Ce coefficient de diffusion effectif considère indirectement l’interaction entre les ions et la matrice cimentaire. Par exemple pour les chlorures, une fois que la capacité de fixation des chlorures de l'échantillon est saturée, tous les chlorures qui entrent dans l'échantillon ressortent : le régime permanent est établi. Pour atteindre ce régime il faut donc attendre la fin du régime transitoire pendant lequel les sites de fixation des chlorures se saturent progressivement. Comme la diffusion est un essai très lent, le courant électrique permet d’accélérer la pénétration des ions d’où l’utilisation d’essais accélérés pour retrouver ce coefficient de diffusion effectif même s’il peut induire quelques artefacts.

Le coefficient de diffusion effectif est exprimé à partir de l’équation (2-5) :

𝐷_𝑒 = 𝐷₀𝜏^𝜑

𝑡 ^(2-5)

D’après l’équation (2-5), De est le coefficient de diffusion effectif, exprimé en fonction du coefficient de diffusion dans l’eau D0 en tenant compte des effets de la géométrie des pores (tortuosité, porosité, constrictivité). Or cette décomposition du coefficient de diffusion effectif est liée à une description du réseau poreux par des pores en forme de tubes en parallèle ou en série (voir paragraphes 2.3.2 et 2.3.3). Par ailleurs elle suppose que le coefficient de diffusion dans l’eau D0 est égal à celui dans les pores, ce que l’on remet en question dans le chapitre 4.

section 2.4). Il peut être obtenu par un essai de diffusion en régime transitoire en mesurant la profondeur de pénétration des ions chlorure dans le matériau cimentaire qui dépend des interactions entre les chlorures et la matrice cimentaire (NT Build 443).