Ions chlore dans les matériaux cimentaires

Les chlorures dans un matériau cimentaire peuvent se trouver sous plusieurs formes : libres en solution, physiquement liés à la matrice, chimiquement liés et éventuellement cristallisés.

3.3.1 Chlorures libres

Ces ions sont capables de se déplacer dans la phase liquide sous gradient de concentration, tout comme la vapeur dans l’air. Leur mouvement dans un milieu poreux non saturé sera intimement lié à celui de la phase liquide. En particulier, la disparition de la continuité de la phase liquide (annulation de la perméabilité au liquide), sera également un seuil de transfert pour les ions qui resteront prisonniers dans les îlots. Les chlorures libres sont considérés comme les principaux acteurs dans les processus de corrosion des armatures.

3.3.2 Chlorures liés

Les chlorures se fixent à la matrice cimentaire soit physiquement par adsorption sur les gels de C-S-H soit chimiquement par réaction chimique avec les phases aluminates. Plusieurs facteurs peuvent influencer cette fixation [110-111-112] :

• La concentration en chlorures libres : plus la concentration en chlorures dans la solution des pores est élevée, plus la fixation des chlorures est importante.

• La quantité de liant : la quantité de chlorures fixée est fonction de la quantité de liant. • La surface spécifique : plus la surface spécifique du ciment est grande, plus le nombre de

sites de fixation est grand.

• La présence d’autres espèces ioniques : particulièrement les hydroxydes et les alcalins. L’augmentation du pH diminue la fixation des chlorures. De plus, la quantité de chlorures fixée est différente selon le type des cations associés aux chlorures.

Fixation des chlorures dans les gels de C-S-H

Les chlorures se fixent sur les gels de C-S-H par adsorption et peuvent être piégés au sein des feuillets de cette phase. L’adsorption possédant une faible énergie d’activation et une faible chaleur de réaction, elle est très facilement réversible. Les chlorures intercalés dans les feuillets sont probablement beaucoup plus fermement liés.

Fixation des chlorures par réaction avec les aluminates

Les chlorures dans une matrice cimentaire peuvent réagir avec les aluminates de calcium de la pâte de ciment durcie [110]. D’après certains chercheurs [112-113-114], la fixation chimique des ions chlore dépend des caractéristiques du ciment utilisé, principalement de la proportion d’aluminate C₃A et d’alumino-ferrite C₄AF présents dans le clinker. Le pourcentage de C₃A et C₄AF peut être un facteur important qui influe sur la fixation chimique des chlorures : le C₃A réagit avec les chlorures pour produire en général le sel de Friedel (Equation 1.9) ; le C₄AF réagit avec les chlorures en donnant un chloro-ferrite, analogue au sel de Friedel (Equation 1.10). Cette hypothèse est claire dans le cas où les ions chlore sont présents dans les matériaux au moment du coulage (chlorures internes) du fait qu’ils peuvent réagir rapidement avec le C₃A et le C₄AF [112-114]. Cependant, dans le cas où les ions chlore pénètrent ultérieurement à l’intérieur du béton (chlorures externes), il existe des contradictions [115-116] dans la littérature.

äwà C ä.ä*C 10%å æ äwà. ä.ä*. 10%å [Eq. 1-48]

ämà_ C ä.ä*C 10%å æ äm_. ä.ä*. 10%å [Eq. 1-49]

Chlorures cristallisés

Localement dans le milieu poreux, la concentration en chlorures de la solution interstitielle peut atteindre la limite de solubilité de cristaux tels que NaCl ou CaCl₂. Il y a donc possibilité de précipitation de sels dans le réseau. On peut considérer ces chlorures comme « fixés », à condition qu’on puisse effectivement les considérer comme immobiles et liés au squelette solide.

4 Perméabilité

La perméabilité d'un milieu poreux correspond à son aptitude à se laisser traverser par un fluide (liquide ou gaz) sous l'effet d'un gradient de pression. La perméabilité représente le deuxième indicateur de durabilité de béton. Elle dépend fortement du réseau poreux et de sa connectivité. En 1856, Henri Darcy [117], a formulé la loi de la vitesse d’écoulement de l’eau dans un corps poreux, à la suite de travaux sur l’écoulement de l’eau dans une couche filtrante de sable. D’après Darcy, cette loi se traduit par l’équation :

ç  è. }^`b;_; [Eq. 1-50]

Où :

S : Surface de la couche filtrante.

e: Epaisseur de couche.

H : Hauteur de la colonne d’eau au-dessus de la couche filtrante.

K : Coefficient lié à la nature du sable, lorsque la pression sous le filtre est égale à la pression atmosphérique.

Considérons l’ensemble du matériau poreux de section apparente A, siège d’un écoulement établi en régime laminaire. Le débit volumique ç du fluide de viscosité μ dans la direction å sous un gradient de pression est donné sous forme différentielle par la loi de Darcy, (Figure 1-32).

ç ^éê

ë . à^©ì_© [Eq. 1-51]

Avec :

è ^{: Perméabilité au fluide du matériau dans la direction} å ^{considérée (m²).}

μ: Viscosité du fluide (Pa.s).

A : Section (m²). P : Pression (Pa). x : Longueur (m).

ç ^{: Débit volumique du fluide (m³/s).}

Des écarts avec la loi de Darcy sont observés expérimentalement [118-119]. En effet, pour une mesure de perméabilité sur un matériau donné (âge et préconditionnement fixés), la nature du fluide s’écoulant à travers le matériau et la pression appliquée pendant la mesure influence les résultats car il existe des interactions fluide-milieu poreux. Enfin, l’état hydrique du matériau influence sa perméabilité.

5 Couplages endommagement - propriétés de transfert

L’endommagement dans les matériaux cimentaires, par la création de micro ou macrofissures, aboutit à une augmentation de leurs propriétés de transfert. Quelques auteurs se sont penchés sur ce sujet et ont pu l’étudier et le quantifier.