Diffusivité hydrique dans le béton

Dans les structures des bâtiments, les transferts internes d’humidité peuvent se développer en phase gazeuse et/ou liquide [65], [66], [67]. La nature et l’intensité de ces transferts à l’échelle macroscopique dépendent des propriétés intrinsèques des matériaux utilisés qui peuvent induire des phénomènes particuliers. Néanmoins, trois mécanismes prédominants de migration de l’eau se dégagent [68] :

a) La diffusion moléculaire

Les matériaux poreux peuvent être définis par leur capacité à adsorber, retenir et désorber l’eau (capacité hygroscopique). Selon l’état hydrique du matériau poreux, les mécanismes d’adsorption peuvent se produire soit par adsorption surfacique (chimisorption ou physisorption), soit par condensation capillaire. L’adsorption se poursuit jusqu’à ce que la couche de molécules d’eau soit en équilibre thermodynamique avec la phase gazeuse. La quantité adsorbée sur les parois des pores dépend de la température et de la pression partielle de la vapeur d’eau contenue dans les pores. Selon l’état hydrique du matériau poreux, le transfert d’humidité peut être engendré par les actions indépendantes ou simultanées des

39

processus de perméation (écoulement liquide et/ou gazeux) et de diffusion (liquide ou vapeur) (§ I.2.5). En état de saturation l’écoulement est conditionné par l’existence d’un gradient de pression hydrostatique. En conditions insaturées, la phase gazeuse et la phase liquide cohabitent, et les deux modes de transport (écoulement et diffusion) peuvent se superposer. Ces deux modes de transport sont décrits respectivement par les lois de Darcy et de Fick.

▪ Flux d’humidité dans un matériau saturé

Lorsque le degré de saturation atteint 100 %, le réseau poreux connecté forme une phase capillaire continue. En admettant que la phase liquide soit incompressible, le transport ne sera que de type Darcéen (mouvement Darcéen de l’eau liquide). Par ailleurs, dans les matériaux cimentaires ayant une faible porosité, la vitesse des fluides dans le réseau poreux est faible et l’écoulement peut être supposé laminaire (§ I.3.5.2).

▪ Flux d’humidité dans un matériau insaturé

Lorsque le matériau est soumis au séchage, le matériau passe dans un état d’insaturation. La présence simultanée d’eau liquide et d’eau vapeur provoque le transport d’eau par perméation et/ou diffusion. Selon le degré de saturation du matériau (lorsque de l’air ambiant augmente de 0 à 1), l’adsorption d’eau peut être divisée en 3 étapes : une étape d’adsorption monomoléculaire, une étape d’adsorption multimoléculaire et une étape de condensation capillaire (Figure. I.13). Avec la condensation capillaire, des chercheurs comme Goual et coll. [69], Tranle [70] et Collet et coll. [71]) pensent que l’adsorption de molécules d’eau sur la paroi des pores joue un rôle important dans la sorption de matériaux poreux lorsque l’humidité relative n’est pas très importante ( ).

Pore Molécule d’eau Surface du pore Absorption moléculaire Condensation capillaire Absorption multimoléculaire

40

Figure I.13 : Schématisation du processus d’adsorption lorsque l’humidité relative ambiante augmente [71]

- Etape d’adsorption monomoléculaire

Lorsque l’humidité relative est faible ( ), la phase liquide n’existe que par l’adsorption physique d’un film d’eau sur les parois des pores. Les molécules de vapeur d’eau sont fermement adsorbées sur la paroi des pores sous l’effet des forces de Van der Waals. Une migration des molécules d’eau du film s’ajoute donc à la diffusion gazeuse. Pour des humidités relatives encore plus faibles (moindres que 10 %), le film d’eau se réduit à l’adsorption d’une couche uniquement monomoléculaire et dans ce cas seulement la diffusion gazeuse est possible.

- Etape d’adsorption multimoléculaire

Lorsque l’humidité relative est plus importante ( ), les molécules d’eau se forment sur la paroi des pores en multicouches : la deuxième couche de molécules d’eau s’adsorbe sur la première couche, ensuite, la troisième couche s’adsorbe sur la deuxième couche, etc. Alors, il se produit une adsorption pluri-moléculaire. On estime à 6 couches, le maximum de couches adsorbées les unes sur les autres [72].

- Etape de condensation capillaire

Lorsque l’humidité relative est très importante (plus que 75 %), un ménisque se forme à chaque extrémité des cols reliant les macropores (Figures. I.13 et I.14). Ce ménisque sur l’interface entre l’eau liquide et l’air, donne la condensation capillaire à cause de la différence entre l’humidité relative au-dessus du ménisque et l’humidité relative de l’air ambiant. Alors, les multicouches se joignent et forment un pont liquide jusqu’à remplir l’espace poreux. Il y a alors saturation et écoulement dans la phase condensée (Figure. I.14).

41

Figure I.14 : Schématisation du processus de désorption lorsque l’humidité relative ambiante diminue [04]

Par ailleurs, lorsque le nombre de couches d’eau adsorbée augmente, l’espace disponible à la vapeur d’eau pour diffuser diminue et donc la résistance au transport augmente. D’autre part, les forces d’attraction de la surface du solide diminuent et donc la résistance au transport diminue. Étant donné qu’une partie du transport de l’eau se fait sous phase vapeur, lorsque l’humidité relative dépasse une valeur seuil, les processus de condensation et d’évaporation aux extrémités des cols accélèrent fortement le processus de diffusion. Ce mécanisme est dominant pour des pores de dimension 50 nm – 10 μm [68], ce qui correspond typiquement à la taille des pores capillaires.

b) La diffusion de Knudsen

Les nanopores (de dimension inférieure à 50 nm) constituent une grande partie des pores de la pâte de ciment [47]. Les dimensions de ces pores sont plus faibles que le libre parcours moyen des molécules d’eau (environ 80 nm). Donc cette situation limite apparaît lorsque le libre parcours moyen est supérieur au diamètre du capillaire. On parle alors d’écoulement libre des molécules (free molecular flow) ou plus communément de « débit de Knudsen » [17]. Les collisions entre les molécules, ainsi que les collisions contre les parois des pores constituent alors la principale source de résistance à la diffusion des molécules d’eau (Figure. I.15a).

42

Ce mécanisme a lieu aussi dans les nano-pores, où les molécules d’eau sont soumises aux champs de force des parois des pores. Certaines molécules gazeuses entrent en collision avec la paroi des pores, restent ainsi adsorbées un certain temps et se désorbent par la suite [74]. Le processus de transport est gouverné par les sauts des molécules d’eau entre les sites d’adsorption (Figure. I.15b). Ce mécanisme a lieu principalement lorsque l’eau présente est essentiellement adsorbée, ce qui est le cas lorsque l’humidité relative est faible [68]. L’influence de cet écoulement sur le débit permanent de masse et de glissement est souvent négligée du fait du faible volume de cette couche adsorbée par rapport au volume poreux total [75]

Figure. I.15 : La diffusion de Knudsen (a) et la diffusion surfacique (b) [68]