Coefficient de diffusion des ions chlorure

La diffusion des ions chlorure (Cl-_{) caractérise le transfert d’espèces sous gradient de} concentration. Là encore, comme pour la perméabilité, il existe plusieurs essais (diffusion, migration…) dont certains permettent de déterminer le coefficient de diffusion effectif et d’autres

78 le coefficient de diffusion apparent. Il faut donc être vigilant lors de l’analyse. Nous allons analyser l’impact de l’introduction de différentes additions minérales sur l’évolution du coefficient de diffusion.

 avec du laitier

[Page et al., 1981] constatent que substituer du ciment par environ 65% de laitier de haut-

fourneau, avec un rapport E/C égal à (0,50) sur une pâte, conduit à une diminution d’un ordre de grandeur des valeurs du coefficient de diffusion des ions chlorure. Des résultats similaires ont été obtenus par [Kumara et al., 1987 ; Ozyildirim et Halstead, 1988].

[Messad, 2009] observe expérimentalement que l’introduction de 30% de laitier ne modifie pas

le coefficient de migration des ions chlorure mesuré à partir de l’essai (NT Build 492) par rapport à un béton de CEM I. En revanche, une teneur de 60% de laitier conduit à une diminution de ce coefficient de 50 % par rapport au béton de référence.

[Ortega et al., 2013] comparent la diffusion des chlorures de bétons à partir de ciment portland

ordinaire avec celle de bétons courant incorporant 80% de laitier à 28 jours. Il ressort de leurs études que les bétons à base de laitier conduisent à une réduction de la diffusion des chlorures de moitié par rapport au témoin 100% de ciment CEM I.

 avec des cendres volantes

[Salta, 1994] a constaté que la substitution de 50% de ciment par des cendres volantes

conduisait à une diminution de la diffusion des chlorures de moitié dans le cas d’une immersion dans une solution de chlorure de sodium.

[Hassan et al., 2000] ont étudié l’évolution des coefficients de diffusion de bétons à 1, 3, 7, 28

et 365 jours contenant 30% de cendres volantes par l’essai de migration des ions chlorure sous champ électrique. La diffusivité des bétons avec 30% des cendres volantes diminue quel que soit l’âge des bétons. Selon [Hassan et al., 2000 ], ce bon comportement du point de vue de la durabilité s’explique par deux facteurs : la réaction pouzzolanique (qui conduit à plus de C-S-H) et l’effet filler qui augmente la compacité du squelette granulaire et ainsi diminue la porosité totale de ces bétons même si les mesures de porosité à l’eau de bétons courants avec des cendres volantes de la littérature sont contradictoires ([Messad, 2009]).

Un coefficient de diffusion des ions chlorure sensiblement identique entre un béton contenant 30% des cendres volantes et un béton témoin est obtenu par [Messad, 2009].

79  avec le métakaolin

Le coefficient de diffusion apparent des ions chlorure a été déterminé sur des bétons incorporant respectivement 8 et 12% de métakaolin hautement réactif (avec des rapports E/L de 0,30 et 0,40). Les mesures ont été réalisées à 28, 90 et 365 jours [Grûber et al, 2001]. Les résultats montrent que le coefficient diminue de 50 à 60% pour les formulations avec 8 et 12% de métakaolin comparativement à un béton témoin aux trois échéances.

Des résultats comparables ont été obtenus sur des mortiers contenant 15% de métakaolin à partir d’un essai de diffusion simple des chlorures. Il faut remarquer, néanmoins, que ce pourcentage de 15% est un optimum favorable comparativement à des mortiers avec 5, 10 et 20% de métakaolin [Courard et al, 2003].

[San Nicolas et al., 2014] montrent que le béton contenant 25% de métakaolin possède un

coefficient de diffusion des ions chlorure équivalent à celui obtenu sur béton de référence (100% de ciment CEM I).

 avec du filler calcaire

[Bonavetti et al., 2000] observe que la profondeur de pénétration des ions chlorure pour des

bétons immergés à 45 jours dans une solution de NaCl à 3% augmente de 40 à 115% respectivement avec l’augmentation du taux de substitution de filler calcaire de 10 à 20%. Selon les auteurs, ce résultat s’explique par le simple effet de dilution.

Conclusion :

Comme pour la perméabilité au gaz, les protocoles expérimentaux permettant de quantifier la diffusion des chlorures au travers d’un matériau cimentaire sont nombreux. Il faut donc analyser avec prudence les résultats de la bibliographie.

Néanmoins, de nombreuses études confirment que les additions pouzzolaniques ont un effet bénéfique sur la diffusivité de bétons courants [Short et Page, 1982 ; Browne, 1982] à condition, toutefois, de respecter une cure humide prolongée.

De manière générale, l’influence du liant sur la pénétration des ions chlorure dans une matrice cimentaire s’explique par :

80  la capacité de fixation des chlorures,

Cette capacité de fixation est fonction de la concentration en C3A et en C4AF du liant. Or, la présence d’additions minérales pouzzolaniques dans une matrice cimentaire diminue la teneur de ces composés. Ceci implique une diminution de la quantité de chloroaluminates formée et une augmentation de la teneur en chlorures libres [Duval, 1992]. Contrairement aux expériences de Duval, certains auteurs [Arya et al., 1990 ; Byfors, 1987] montrent que la quantité de chlorures liés est plus élevée dans les ciments composés au laitier de haut fourneau et aux cendres volantes que dans les ciments Portland. Cette grande capacité de fixation serait la conséquence de la forte adsorption des chlorures sur les pores du ciment hydraté. Cela expliquerait alors les coefficients de diffusion apparents plus faibles pour des matériaux avec additions réactives comparativement aux matériaux avec ciment Portland.

 Le pH,

Le pH de la solution interstitielle de ciments composés aux additions minérales pouzzolaniques est inférieur à celui obtenu pour des ciments Portland (CEM I) [Short et Page, 1982]. Cette diminution conduit à une concentration plus faible en chlorures au niveau de l’armature et donc un risque de corrosion minimisé. Notons, néanmoins, que ce paramètre n’a pas d’incidence directe sur l’indicateur de durabilité lui-même.

 La modification des réseaux poreux,

Avec les additions potentiellement réactives, on observe un raffinement de la structure poreuse des matrices cimentaires. Alors que la perméation est sensible non seulement à la taille des pores capillaires mais aussi et surtout à la tortuosité du réseau, la diffusivité est une propriété de transfert qui varie en fonction du diamètre moyen des pores. Or, de nombreuses études ont mis en évidence une structure poreuse plus fine lors de la substitution partielle de ciment par les cendres volantes [McCarthy et Dhir, 1999], des laitiers [Ortega et al., 2013] ou encore du métakaolin

[Badogiannis et Tsivilis, 2008].