Chapitre I Analyse Bibliographique
I.2. Propriétés de transferts et de stockage dans les matériaux cimentaires
I.2.3. Isotherme d’adsorption et de désorption de la vapeur d’eau
température. La courbe, représentant pour une température donnée, la variation de la teneur en eau en fonction de l'humidité relative du milieu à l'équilibre est appelée :
- Isotherme d’adsorption si le matériau est placé dans des humidités croissante. Dans ce cas, la teneur en eau de ce matériau augmente ;
- Isotherme de désorption si l’humidité relative environnante diminue et la teneur en eau du matériau diminue également.
L’isotherme de sorption est un instrument commode, préférable à la caractéristique capillaire, pour l’étude de l’équilibre et des transferts dans de nombreux matériaux finement divisés, dans lesquels le transport de vapeur est susceptible en outre de jouer un rôle appréciable [4]. La Figure I. 4 montre les différents régimes de stockage de la vapeur d’eau en fonction de l’humidité relative environnante. Le régime hygroscopique (Régions A-C) : il exprime la teneur en eau à l’équilibre du matériau à partir de son état sec jusqu’à environs 98% d’humidité relative, dans cette région le transfert est régi principalement par l’adsorption. A noter que, d’après Daïan [4], L’adsorption devient le phénomène dominant lorsque le « diamètre de pore » approche de quelques épaisseurs moléculaires, c’est à dire pour des taux de saturation de la vapeur inférieurs à 0,5 environ. Dans le cas d’une eau à température ambiante, cette valeur correspond à une pression capillaire de l’ordre de 100 MPa.
Selon la théorie B.E.T., due à [8], qui est une généralisation d’une théorie monomoléculaire plus ancienne de Langmuir [19], les molécules d’eau se déposent sur le solide en plusieurs couches superposées, en recouvrant à chaque fois une surface inférieure à celle de la couche précédente. L’énergie de liaison à partir de la deuxième couche est égale à la chaleur latente de vaporisation [20]. La teneur en eau volumique est alors déterminée en connaissant la surface de solide disponible (surface spécifique), le nombre de couches déposées et l’épaisseur d’une couche monomoléculaire par la relation I.5.
I. 5 Avec est l’épaisseur d’une couche moléculaire ; est la surface spécifique du solide ; HR est l’humidité relative et est un coefficient dépendant de la température et de l’énergie de liaison des molécules au solide. Il s’exprime sous la forme :
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I. 6
Avec est l’énergie de liaison de la première couche de molécules ; est la chaleur latente molaire de vaporisation ; est la constante des gaz parfaits et est la température absolue.
Nous retrouvons, ensuite, la région de sorption capillaire (zone D) qui se termine à la saturation du matériau. Dans cette zone, la sorption se fait par capillarité. Ce phénomène résulte des propriétés particulières de mouillabilité de l’eau par rapport aux solides constituant la matrice poreuse. Il en résulte des formations d’interfaces courbes entre le fluide mouillant (eau) et le fluide non-mouillant gazeux (l’air humide). L’analyse des conditions d’équilibre d’une telle interface montre que la pression capillaire est la différence entre la pression de l’air et la pression du liquide (I.7). Elle est aussi appelée pression de succion qui peut être exprimée théoriquement si l’on considère des pores capillaires de forme cylindrique selon la loi de Laplace (I.8). Elle est exprimée en fonction de la tension superficielle du couple air-liquide, des rayons de courbures et de l’interface ainsi que de l’angle de mouillage qui est défini par la tangente entre la phase solide et l’interface, du point de contact fluide-solide.
I. 7
I. 8
Figure I. 4. Diagramme schématique d’une courbe de sorption [21]
La succion totale dans le domaine hygroscopique est souvent exprimée par la pression de succion obtenue par la loi de Kelvin dont l’expression est la suivante (I.9):
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I. 9
Avec est la constante molaire des gaz parfaits ( ) ; est l’accélération due à la pesanteur ; est la masse volumique de l’eau ; est la masse molaire de l’eau ; HR [%] est l’humidité relative et est la température thermodynamique.
Enfin, la troisième et dernière région est dite "super-saturée". Ce régime ne peut être atteint dans le régime capillaire. Dans la pratique, ce régime se produit par diffusion sous un gradient de température, et dans le laboratoire, par succion sous pression [21]. Dans cette région, l’humidité relative est toujours à 100% quel que soit la teneur en eau du matériau. De plus, les isothermes d’adsorption et de désorption peuvent être classées selon l’allure de la courbe représentant ce phénomène. Basé sur les travaux de Brunauer, Demming, Demming et Teller (BDDT) [22] et Selon la classification de l’International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) [23], il existe six formes d’isotherme de sorption (Figure I. 5).
Figure I. 5. Classification des isothermes de sorption selon l’IUPAC [23]
- Isotherme de type I : caractérisée par une horizontale traduisant une saturation du matériau malgré l’augmentation de l’humidité relative environnante. Elle est obtenue pour des matériaux poreux ayant uniquement des micropores qui se remplissent à des pressions d’autant plus basses que leur largeur est plus faible.
- Isotherme de type II et III : caractérisée par une augmentation très progressive de l’adsorption. Ces isothermes sont obtenues pour des matériaux non poreux et macroporeux. Dans ce cas, l’adsorption est multimoléculaire.
- Isotherme de type IV et V : elles ont la même allure que les isothermes de type II et III, respectivement, dans la plage des humidités les plus faibles. De plus, elles sont
35 caractérisées par un pallier de saturation dans la plage des fortes humidités relatives. Ces types d’isothermes sont obtenus pour des matériaux mésoporeux dans lesquels se produit une condensation capillaire. Dans ce cas, nous observons généralement une hystérésis de la désorption par rapport à la sorption.
- Isotherme de type VI : l’adsorption dans ce cas se manifeste par une formation une à une des couches adsorbés caractérisé à chaque fois par un point d’inflexion qui caractérise le passage à la couche suivante. Dans ce cas, le matériau étudié est non poreux.
La courbe d’isotherme d’adsorption et de désorption de la vapeur d’eau constitue une carte d’identité hydrique du matériau [18]. D’après quelques résultats de la littérature [18], [24], [25] et [26], il faut s’attendre à un changement de la microstructure des matériaux cimentaires lors des essais de désorption dans la plage des humidités relatives les plus faibles et ont fixé la valeur de HR=40% comme limite. D’après Baroghel-Bouny [18], l’étude de l’isotherme de sorption permet aussi une analyse de la structure porale du matériau et l’évaluation de la porosité des C-S-H des matériaux cimentaires. Cet auteur a étudié les deux premières courbes de désorption de différents types de pâtes de ciment, il a observé un changement de microstructure dans certains de ses échantillons caractérisés par une teneur en eau plus importante lors de la deuxième désorption dans les plages des humidités relatives les plus faible (plus particulièrement entre 33 et 12% d’humidité relative). Dans ce même article [18], Baroghel-Bouny a conclu que la présence des granulats dans les matériaux cimentaires n’a pas d’impact sur l’isotherme d’adsorption et de désorption. Jennings et al. [27] ont exploité les isothermes de sorption pour suivre l’évolution de la microstructure des pâtes de ciment qui se produit au cours du séchage, pour comprendre le retrait dû au séchage et dans le développement d’une nouvelle méthode pour connaitre le rapport Eau/Ciment (E/C) des matériaux. Wu et al. [28] ont conclu qu’il n’existe presque aucun effet de la désorption sur la microstructure des matériaux cimentaires. Ce constat a été fait en comparant une courbe d’isotherme de désorption d’une pâte de ciment après un cycle de sorption désorption avec la courbe originale.
En ce qui concerne l’effet de la température sur le comportement en sorption, Les isothermes d’adsorption mesurées par Daïan [4] à 20 et 55°C montrent qu’à une humidité relative donnée, la quantité adsorbée diminue quand la température s’accroît. En revanche, cette différence est très faible. Radjy et al. [29] ont mesurée l’isotherme d’adsorption d’une pâte de ciment durcie à 0 et 60 °C et l’isotherme de désorption à 0 et 40 °C. Leurs résultats ne montrent aucun effet de la température sur le taux de sorption. Ishida et al. [30] ont étudié les isothermes de sorption d’une pâte de ciment durcie à un âge de 80 jours à 20, 40 et 60°C. Une fine différence est enregistrée dans le comportement en adsorption. En revanche,
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une différence plus prononcée des isothermes de désorption a été observée [30]. Ils ont conclu aussi, qu’en plus de la diminution du taux de sorption avec l’augmentation de la température, la forme de la courbe de sorption change aussi. Un comportement similaire, c.à.d. pas d’effet prononcé de la température, est enregistré dans [28], [31] et [32]. Poyet [31] a observé pour un béton à haute performance maintenu à 60% d'humidité relative, que l'augmentation de température de 30 à 80°C a conduit à une réduction de la teneur en eau (en masse) à l'équilibre de 3% à environ 1%. Le changement du comportement en sorption des matériaux cimentaires en fonction de la température peut être attribué à deux mécanismes différents [28, 33, 34, 35] : (i) le grossissement de la structure porale, par exemple, la dissolution de l’ettringite et l'altération des C-S-H; et (ii) la dépendance en température des propriétés physiques de l'eau (densité et tension superficielle).