Mesure de la perméabilité à la vapeur

La perméabilité à la vapeur d’un matériau de construction, à une température donnée, est une notion utilisée, surtout dans le domaine du bâtiment, lorsque l’on cherche à apprécier les risques de condensation dans les parois. Il faut cependant signaler que parler dans ce cas de "perméabilité" constitue un abus de langage, puisque ce paramètre est lié à des processus diffusionnels.

La méthode la plus courante pour mesurer ce coefficient est la méthode dite de la "coupelle". Plusieurs protocoles normalisés existent : EN ISO 12572 (2001), (ASTM Annual book of standards E96, 2005) [96]. Elle s’obtient en imposant un gradient de pression partielle de vapeur ΔPv constant et unidirectionnel, au travers d’un échantillon d’épaisseur e. Comme indiqué sur la Figure I. 21, ce gradient de pression est obtenu grâce à une solution saline saturée, qui permet de maintenir une humidité relative donnée et en gardant la température constante, nous obtenons une pression de vapeur partielle constante sur la base de l’échantillon. De même pour l’autre côté de l’échantillon, la température et l’humidité relative sont fixées et gardées constantes grâce à une chambre climatique (système le plus courant). La mesure demande plusieurs jours, voire plusieurs semaines. Pour que la mesure soit significative, l’écart entre les humidités relatives régnant sur chacune des faces de l’échantillon doit être modéré, afin que l’état de saturation soit relativement uniforme dans l’échantillon [4].

Si par exemple p1>p2 ; dans ce cas, le matériau est traversé, en régime permanent, par un flux massique de vapeur d’eau allant du milieu où règne une pression partielle p1 au milieu de pression p2. Pour déterminer ce flux de vapeur, il est nécessaire de peser régulièrement la coupelle. Le taux de variation de masse entre deux pesées successives des échantillons est donné par la relation suivante :

I. 28

Où est le taux de variation de masse ; est la masse à l’instant ti ; est la masse à l’instant ti+1. ti et ti+1 sont les temps correspondants à deux pesées successives.

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Figure I. 21. Schéma représentatif de la coupelle [20]

Lorsque la masse de l'ensemble de la coupelle varie linéairement, alors on est en régime permanent. L’accès au débit de vapeur d’eau est déterminé par la pente de la droite de l’évolution de la masse au cours du temps. Ensuite, la densité de flux de vapeur jv est calculée comme suivant :

I. 29 Où A [m2] est la surface de l’échantillon.

La perméabilité à la vapeur est définie par la loi de diffusion de Fick :

I. 30

Où est la différence de pression de vapeur.

La mesure de la perméabilité à la vapeur d’eau se heurte à plusieurs difficultés. En effet, la relation I.36 n’est valable que lorsque l’on considère un mélange parfait de l’air humide sur les deux faces de l’échantillon. Or, dans la réalité, il est difficile d’atteindre ce type de condition aux limites notamment sur la face intérieur de l’échantillon. Il est cependant nécessaire de corriger le flux de vapeur par des termes qui représentent les résistances à la vapeur d’eau [20]. Il s’agit notamment, de la résistance à l’intérieur du matériau noté Zp, des résistances à la surface de l’échantillon Z1 et Z2 et la résistance de la couche d’air à l’intérieur de la coupelle Za. La résistance totale Z [m2.s.Pa/kg] est donnée par la relation suivante [20] :

I. 31

Les résistances à la diffusion surfacique se déterminent de la façon suivante en utilisant la loi de Lewis [20, 97] :

63 De plus, la relation entre le coefficient de transfert d’humidité à la surface et le coefficient de convection hc est donnée par la formule de Lewis :

I. 33

Où est le coefficient de transfert de chaleur par convection ; est la masse volumique ; est la chaleur massique de l’air.

Figure I. 22. Représentation des résistances à la vapeur d’eau introduites dans la méthode de la coupelle [20]

La couche d’air entre la base de l’échantillon est la solution saline saturée contribue fortement dans l’évolution de la résistance à la diffusion Za, surtout dans le cas des matériaux hautement perméables [20]. Elle augmente de manière non linéaire avec l’augmentation de l’épaisseur de la couche d’air et la perméance du matériau.

I. 34

Où est l’épaisseur de la couche d’air en question et est la perméabilité à la vapeur dans l’air, donnée par la norme EN ISO 12572 :

I. 35

La densité de flux de vapeur dans ce cas, après introduction du facteur de résistance à la vapeur μ, est donnée par :

I. 36

Avec, μ représentant le rapport entre le coefficient de diffusion de la vapeur d’eau dans l’air et celui dans le matériau ; est la teneur en vapeur. La perméabilité à la vapeur corrigée s’exprime alors comme suit [20] :

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I. 37

D’après Duforestel [37], la non prise en compte de ces corrections peut engendrer des erreurs de mesure non négligeables. Ces erreurs concernent donc plus particulièrement les matériaux très perméables à la vapeur que sont les isolants thermiques, notamment les isolants fibreux de faible densité. Et c’est aussi pour ces matériaux de faible conductivité thermique que l’impact de cette erreur a le plus d’effet en matière énergétique. A cet effet, Duforestel [37] suggère d’adopter les précautions suivantes afin de limiter ces erreurs systématiques :

- Mesurer l’épaisseur d’air entre l’échantillon et la coupelle pour en évaluer la résistance à la diffusion et pouvoir ainsi la soustraire à la résistance totale ;

- Pratiquer la mesure dans une chambre climatique fortement ventilée (en pratique, des vitesses d’air supérieures à 7 m/s) de façon à limiter la résistance de surface. Dans ces travaux de recherche, Duforestel [37] insiste que lors d’un essai de la coupelle, la pression totale du gaz ne peut pas être uniforme. Alors le flux de vapeur isotherme ne peut plus s’exprimer sous la seule influence d’un gradient de pression de vapeur, mais sous la double influence d’un gradient de pression de vapeur et d’un gradient de pression totale. De plus, Il résume dans le Tableau I. 11 les erreurs relatives qui peuvent être observées si l’on ne prend pas en compte la part advective du flux de vapeur et la non uniformité de la pression totale.

Tableau I. 11. Erreur relative sur la mesure de la perméabilité à la vapeur sans prise en compte de la part advective du flux de vapeur et la non uniformité de la pression totale [37]

Matériau Erreur relative sur la

perméabilité à l vapeur (%) Laine de verre 1,01 Polystyrène expansé -86,71 Bois -0,65 Béton cellulaire 1,00 Plâtre -1,21 Béton -5,32

Il existe aussi quelques techniques permettant de remonter au coefficient de diffusion. Nous retrouvons l’approche dite classique. Dans ce cas l’équation de diffusion ou encore de Fick est écrite dans le cas unidirectionnel qui considère que les échantillons testés sont de longueur très grande devant l’épaisseur (voir Figure I. 23).

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Figure I. 23. Schéma du matériau modélisé [94]

Le coefficient de diffusion dans le cas d’une approche classique peut être exprimé comme suit [94] :

I. 39

Avec W+ est la teneur en eau adimensionnelle globale qui s’exprime comme suit :

I. 40

A partir du suivi de la quantité d’eau échangée avec l’ambiance dans le temps pour un pallier d’humidité relative donnée et en exploitant la partie linéaire de la courbe , le coefficient de diffusion hydrique peut être déterminé pour ce palier.

Une deuxième approche, développée au LaSIE par Trabelsi [94], est présentée ci dessous : Cette technique à l’avantage de pouvoir déterminer à la fois et la teneur en eau du matériau en sorption et le coefficient de diffusion.

La teneur en eau adimensionnelle W+ peut être exprimée en fonction de deux paramètres : (i) le coefficient de diffusion, Dm, déduit expérimentalement des essais de sorption-désorption et (ii) le coefficient de transfert par convection massique d’humidité, , obtenu à l’aide de corrélation issues de la littérature [94].

I. 41

La teneur en eau peut être exprimée par les équations équivalentes suivantes :

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Le calcul du coefficient de diffusion hydrique est réalisé en se basant sur les résultats expérimentaux obtenus durant les essais de sorption. En effet, grâce au suivi temporel du poids des échantillons, effectué dans l’enceinte climatique et pour chaque palier d’humidité relative, les grandeurs B et , peuvent être calculées en utilisant les deux expressions suivantes :

I. 43

I. 44