Diffusion dans le béton sain

Comme pour la perméabilité et l’absorption, la porosité est l’un des paramètres importants gouvernant la diffusion des chlorures dans le béton sain. Les travaux de Caré (2008) traitent, entre autres, de la relation entre la porosité du béton et la diffusion des chlorures dans ce dernier. Trois mélanges de béton différents (E/C de 0.35, 0.45 et 0.60) ont été utilisés dans cette étude et les spécimens étaient soumis à différentes températures (20 °C, 45 °C, 80 °C et 105 °C) afin de voir l’effet de la température sur la microstructure et la diffusion des chlorures. La détermination du coefficient de diffusion se faisait avec un essai de diffusion en régime non-permanent (sans application d’un courant électrique) avec détermination de la position du front avec une solution de nitrate d’argent. Ces travaux ont indiqué une forte corrélation entre la porosité du béton et la profondeur de pénétration des chlorures tel qu’illustré à la Figure 2-35, surtout pour des porosités supérieures à 15 %. Une analyse plus approfondie de la porosité des bétons étudiés a montré que les pores influençant le plus la diffusion des chlorures sont, tout comme pour la perméabilité et l’absorption, les pores capillaires. Le volume des pores de gel et des pores supérieurs à 1 mm montrant une faible corrélation avec la diffusion des chlorures (Caré, 2008).

Figure 2-35: Influence de la porosité sur la pénétration des chlorures dans le béton (Caré, 2008)

2.4.2.2 Influence du rapport eau sur ciment

Étant donné son effet sur la porosité de la pâte de ciment, le rapport E/C influence directement la diffusion des ions de chlorures dans les bétons non fissurés. Une étude réalisée par Conciatori (2005) a comparé les coefficients de diffusion obtenus dans les essais de plusieurs recherches sur des bétons de divers rapports E/C. Cette comparaison a permis de mettre en évidence la relation entre le rapport E/C et le coefficient de diffusion des chlorures qui augmente exponentiellement avec ce rapport (Figure 2-36). Cet étroit lien entre le rapport E/C et la diffusion des ions chlorures peut s’expliquer par la plus faible densité des hydrates formés lorsque le rapport E/C augmente, ce qui mène à une porosité plus importante et plus connectée qui facilite la migration des ions au sein du béton.

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Figure 2-36: Influence du rapport E/C sur le coefficient de diffusion des ions chlorures (Conciatori, 2005)

2.4.2.3 Influence de l’utilisation d’ajouts cimentaires

Les travaux de Thomas et Bamforth (1999) sur des blocs de béton exposés aux éclaboussures au bord de l’océan ont permis de mieux comprendre l’effet des ajouts minéraux sur la diffusion à long terme des ions chlorures. Les blocs étaient composés de trois mélanges différents de béton de rapport E/L de 0.66, 0.54 et 0.48, le premier sans ajout, le second avec 30 % de remplacement massique par des cendres volantes et un troisième avec 70 % de remplacement massique par du laitier. Les blocs ont ensuite été disposés en bord de mer et des carottes ont été extraites à six reprises en huit ans. Ces essais ont permis de déterminer les coefficients de diffusion des trois mélanges pour différentes maturités à partir d’une analyse chimique de poudres extraites du béton à diverses profondeurs. À court terme, les bétons avec ajouts minéraux ont présenté un coefficient de diffusion semblable (cendres volantes) ou même supérieur (laitier) à celui du béton de référence, alors qu’à long terme (après environ 4 mois), les bétons avec ajouts minéraux ont présenté un coefficient de diffusion plus faible que celui du béton de référence (Figure 2-37). L’effet des cendres volantes et du laitier de haut-fourneau sur la diffusion des chlorures à l’échelle de la durée de vie des structures en béton armé est donc positif puisque la progression des chlorures jusqu’à l’armature sera moins rapide que pour un béton comparable sans ajout. Par contre, l’ampleur de l’influence des ajouts dépend du type d’ajout utilisé et de la quantité utilisée.

Figure 2-37: Variation du coefficient de diffusion dans le temps pour des bétons avec et sans ajouts minéraux (Thomas & Bamforth, 1999)

Les travaux de Plante et Bilodeau (1989) sur 18 mélanges de bétons (E/L entre 0.21 et 0.71) avec de la fumée de silice, du laitier et des cendres volantes ont aussi montré l’apport bénéfique des ajouts sur la réduction du coefficient de diffusion.

2.4.2.4 Influence des granulats

L’ajout de granulats agit de deux façons majeures sur la diffusion des chlorures. Les granulats ralentissent généralement la migration des chlorures en étant plus dense et en ajoutant de la tortuosité, par contre l’ajout de granulat génère une interface pâte-granulat qui facilite le passage des chlorures (Yang, C. C. & Su, 2002). Les résultats obtenus par Yang, C. C. et Su (2002), avec un essai similaire à Truc et al. (2000)(cf. section 2.4.1), sur des mortiers de rapport E/C de 0.39 et contenant différents pourcentages de granulats (0 à 40 % vol.) montrent qu’une augmentation de ce pourcentage entraine une diminution du coefficient de diffusion (Figure 2-38). Globalement, l’ajout de granulats dans la pâte de ciment permet donc de réduire le coefficient de migration.

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Figure 2-38: Influence de la fraction de granulat sur le coefficient de diffusion (Yang, C. C. & Su, 2002)

2.4.2.5 Influence de la cure

Par son influence sur la porosité du béton exposé, la cure joue un rôle important pour limiter l’entrée des ions chlorures dans le béton. En soumettant des prismes de béton conventionnel de rapport E/C de 0.56 à trois types de cures différentes (24 h sous une feuille de polythène, 28 jours sous une feuille de polythène et 28 jours de cure à l’eau) puis en les exposant à une solution contenant des chlorures, Mangat et Limbachiya (1999) ont pu déterminer les coefficient de diffusion des prismes des trois conditions à 28, 90 et 180 jours. Ces données ont permis de développer un modèle afin de prédire les valeurs des coefficients de migration à n’importe quel âge pour les trois types de cure. Ce modèle a ensuite été utilisé pour prédire la teneur en chlorure du béton à 30 mm de la surface pour un spécimen exposé aux chlorures pendant 10 ans. Des teneurs en chlorures de 0.132 %, 0.430 % et 0.499 % de la masse du béton ont été obtenues pour des cures de 28 jours à l’eau, 28 jours sous une feuille de polythène et 24 heures sous une feuille de polythène

respectivement (Mangat & Limbachiya, 1999). L’utilisation d’une méthode de cure adéquate avec un apport en eau permet donc de limiter de façon importante l’entrée des ions chlorures dans le béton et permet donc de retarder la corrosion des barres d’armature qui y est associée.