Isothermes de désorption de vapeur d’eau

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Pour des HR importantes (HR = 75,5%), le temps nécessaire pour atteindre l’équilibre est plus rapide. Le critère d’équilibre est atteint en 6 mois quelle que soit la formulation. Dans ce cas, les transferts hydriques ont principalement lieu en phase liquide et beaucoup de pores sont remplis d’eau capillaire.

On peut donc considérer que plus l’humidité relative baisse et plus le transport hydrique va ralentir. Cela s’explique par le fait que le transport liquide va se restreindre et que le flux capillaire va s’interrompre par les pores déjà vidés. Ainsi en baissant l’humidité relative, seule la migration des couches d’eau adsorbées contribuera au transport d’humidité.

3.2.2 Isothermes de désorption de vapeur d’eau

3.2.2.1 Classes d’isotherme

Les isothermes de désorption sont déduites à partir des humidités ambiantes après 24 mois d’équilibrage pour chaque disque.

Elles ont été classifiées par [BRUNAUER et al. , 1938] et, plus récemment par l’International Union of Pure and Applied Chemistry [IUPAC, 1985] selon 6 formes distinctes. Même si les isothermes réelles, obtenues expérimentalement, ne sont généralement pas directement attribuables à une seule classe, on considère que dans le cas des matériaux cimentaires, on se place souvent dans le cas des classes II et IV (Figure 3 - 6) ([MAINGUY et al., 1999], [DELMI, 2004]).

Figure 3 - 6 : Allures des isothermes selon le classement IUPAC pour les matériaux cimentaires

Ces isothermes peuvent être dissociées selon trois zones distinctes qui s’apparentent aux modes d’adsorption de l’eau.

• Zone 1 (HR < 25%) : formation d’une couche mono-moléculaire à la surface des pores, • Zone 2 (25% < HR < 75%) : formation d’une couche multimoléculaire,

• Zone 3 (HR > 75%) : présence d’eau sous forme liquide dans les capillaires.

Dans les isothermes de classe IV, l’aplatissement visible aux fortes humidités relatives s’appelle « palier de saturation » et correspond à des phénomènes de condensation capillaire [DROUET, 2010].

Pour les isothermes de classe II, l’absence du « palier de saturation » caractéristique des matériaux méso à macroporeux.

Ainsi, à partir des valeurs à l’équilibre des différentes pertes de masse, nous avons pu construire les isothermes des pâtes (Figure 3 - 7) obtenues après 24 mois de pré conditionnement.

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Figure 3 - 7 : Isotherme de désorption des pâtes – Teneur en eau en fonction du HR (masse sèche obtenue à 105°C)

Les sections des courbes entre 75,5% et 100% de HR ont été tracées en pointillés car la teneur en eau à l’équilibre à HR = 100% a été déduite de la teneur en eau obtenue à saturation (sous vide lors de la mesure de la porosité).

3.2.2.2 Influence de l’état sec de référence

Il est important de noter que la teneur en eau à 100% d’humidité relative de l’ambiance n’est pas nécessairement égale à la teneur en eau calculée à partir de la masse sèche en particulier si le matériau contient des pores de grandes dimensions (comme des bulles d’air occlus) qui ne sont pas saturés par condensation capillaire. En fait, il est important de considérer qu’il n’existe pas d’état sec de référence absolu. On considère en général qu’un séchage à 105°C va permettre de retirer l’eau libre de la porosité bien que pour les essais d’ATG, la littérature propose une valeur oscillant entre 105°C et 145°C ([MOUNANGA et al., 2004], [HAMAMI, 2009] et [OMIKRINE-METALSSI, 2006]).

Or sur cette plage de valeur, le séchage va induire des modifications sur la microstructure. Par exemple, la décomposition de l’ettringite commence à 60°C, à 80°C le gypse se déshydrate et les AFm et AFt commencent aussi à se décomposer ([BAROGHEL-BOUNY, 1994], [ZHOU et GLASSER, 2001]). Il n’existe pas encore de consensus clair concernant la température de décomposition des CSH mais la littérature montre qu’elle commence vers 60°C et atteint un pic à 125°C ([VILLAIN et PLATRET, 2006], [BORGES et al., 2010]).

Pour tenter de voir l’influence de l’état sec de référence sur les isothermes, nous avons aussi séché des éprouvettes à 80°C pour en déduire la masse sèche de ce nouvel état sec de référence.

La Figure 3 - 8 présente les nouvelles isothermes ainsi obtenues. Nous constatons que la forme des isothermes ne change globalement pas si ce n’est que la zone 3 des isothermes, qui présente un « palier de saturation », est plus marquée.

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Figure 3 - 8 : Isotherme de désorption des pâtes – Teneur en eau en fonction du HR (masse sèche obtenue à 80°C)

3.2.2.3 Comparaison pâte/mortier

Dans les cas des mortiers (Figure 3 - 9), on constate une chute significative de la teneur en eau pour les fortes HR alors que cette chute est moins marquée pour les pâtes. Ainsi les isothermes des mortiers s’apparentent plus à des isothermes de classe II.

Figure 3 - 9 : Isotherme de désorption des mortiers – Teneur en eau en fonction du HR (masse sèche obtenue à 105°C)

Ce type de comportement a été aussi observé par [BRUE et al., 2012] et [CHEN et al., 2012]. Il est possible d’expliquer ce comportement par :

• la présence de pores plus grossiers due à l’introduction de bulles d’air lors du gâchage avec le sable,

• et l’existence d’une possible microfissuration à l’interface granulats/pâte.

Cependant [DROUET, 2014] n’observe pas ce résultat en comparant les morphologies de pâte et de béton pour une même formulation.

3.2.2.3 Influence du liant sur les isothermes

Les figures 3-7 et 3-8 montrent, comme pour les figures de pertes de masses, une bonne hiérarchie entre les courbes en fonction de la quantité de liant. Cela est évidemment lié à la porosité de chaque formulation.

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Pour tenter de « normaliser » l’influence de la porosité sur la teneur en eau, on peut tracer les isothermes selon le degré de saturation (Figure 3 - 10 et Figure 3 - 11) en faisant l’hypothèse que le matériau est censé être totalement saturé pour HR = 100%.

Figure 3 - 10 : Isotherme de désorption des pâtes – Degré de saturation en fonction du HR (masse sèche obtenue à 105°C)

Figure 3 - 11 : Isotherme de désorption des mortiers – Degré de saturation en fonction du HR (masse sèche obtenue à 105°C)

Ce mode de représentation des isothermes est intéressant pour comparer les différences de morphologie de la structure poreuse. Nous constatons donc que les isothermes des six formulations de type OPC (pâtes et mortiers) sont relativement semblables. Il en est de même pour les six formulations de type BFS. Par contre, il y a bien une différence importante en ce qui concerne la morphologie des isothermes des ciments ordinaires et des ciments au laitier. La différence s’observe surtout sur la plage d’humidité relative comprise entre 33% et 75,5% c’est-à-dire aux HR intermédiaires. Dans cette plage, les isothermes des ciments ordinaires présentent une forte linéarité alors que celles des ciments au laitier sont fortement incurvées. Nous observons aussi un « palier de saturation » relativement moins étendu pour les OPC contrairement aux BFS certainement dû à la présence d’un réseau de pores moins fin. La littérature confirme nos observations ([AUROY, 1014], [DROUET, 2010]), et précise que dans les matériaux macroporeux, la condensation capillaire n’a lieu qu’au voisinage de 100% d’humidité relative. Ainsi, tant que la saturation n’est pas atteinte, une partie importante du réseau poreux reste non remplie d’eau.

Dans le Chapitre 2, nous avons montré que nos matériaux de type BFS avaient une structure poreuse plus fine, ce qui explique donc la présence d’un « palier de saturation » plus important.

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