Perméabilité à la vapeur d’eau-Coefficient de diffusion d’humidité

Dans le domaine de la construction, la perméabilité à la vapeur d’eau est une des propriétés les plus utilisée. En effet, dans le domaine technique et notamment en Génie Civil lorsque l'on cherche à apprécier les risques de condensation dans les parois, on utilise la perméabilité à la vapeur des matériaux [36]. Elle nous informe sur les propriétés "d’étanchéité/fuite" d’un matériau vis-à-vis d’un fluide et dans notre cas de la vapeur d’eau. C’est la quantité de gaz transmise à travers une surface par unité de temps, de pression et d’épaisseur.

Vu la complexité des mécanismes mis en œuvre lors de la mesure de cette propriété, elle est toujours sujette à de nombreuses critiques de la part de la communauté scientifique. Tant sur son appellation, d’après Daïan [4], Cette dénomination a le mérite d’exister, mais elle est doublement impropre. Il ne s’agit pas d’une «perméabilité» car la vapeur transite par diffusion et non par filtration. De plus, dans les conditions d’équilibre local, le transport de vapeur condensable s’accompagne toujours d’un flux couplé de liquide. Le coefficient mesuré par cette méthode est donc global et ne peut être attribué au transport de vapeur seul [4]. Souvent, certains auteurs l’appel "diffusivité". Et tant sur sa méthode de détermination, Duforestel [37] évoque dans son mémoire d’HDR que lors de la mesure de cette propriété, les expérimentateurs ne se soucient pas de la précision de la mesure et se contentent d’une mesure approximative. Dans ces travaux, Duforestel a insisté sur la méthode de mesure la plus courante qui est "la méthode des coupelles", il a à cet effet évoqué la problématique de la pression totale. Ce volet expérimental va être discuté dans la suite de ce chapitre quand nous aborderons les différentes techniques de mesures de la perméabilité à la vapeur.

37

Figure I. 6. Perméabilité à la vapeur d’un contreplaqué et d’un isolant de cellulose [38]

Trechsel [39] a montré que la perméabilité à la vapeur d’eau ne dépend pas seulement de la nature du matériau mais également de la pression de vapeur appliquée sur le matériau. La Figure I. 6 présente l’évolution de la perméabilité à la vapeur en fonction de l’humidité relative de deux types de matériaux : Une plaque de contreplaqué et un isolant de cellulose [38]. Ce résultat montre que la perméabilité à la vapeur dépend de l’humidité relative du matériau testé et de son pouvoir hygroscopique. McLean & Galbraith [40] ont en effet conclu que la perméabilité à la vapeur des matériaux non-hygroscopiques est peu affectée par l’humidité relative contrairement aux matériaux fortement hygroscopique. Le Tableau I. 2 résume les résultats de perméabilité à la vapeur d’une plaque de contreplaqué et de plâtre en fonction des conditions d’humidité en amont et en aval de l’échantillon [40]. De ce résultat, nous distinguons une grande variabilité en fonction de l’humidité relative de la perméabilité à la vapeur du contreplaqué en comparaison avec celle du plâtre. Clarke et Yaneskeb [41] suggère de présenter les résultats de perméabilité à la vapeur en fonction de l’humidité relative environnante et ont proposé de séparer les données de la perméabilité à la vapeur de la zone hygroscopique des autres gammes d’humidité relative.

Tableau I. 2. Résultat expérimentaux de perméabilité à la vapeur d’une plaque de contreplaqué et de plâtre [40]

Conditions

Perméabilité à la vapeur : plaque de contreplaqué

(kg.m.N-1.s-1 x 10-12)

Perméabilité à la vapeur : plaque de plâtre

(kg.m.N-1.s-1 x 10-11) HR intérieure

(%)

HR extérieure

(%) ^{Moyenne sur 5 résultats Écart type}

Moyenne sur 5 résultats Écart type 0 60 1,02 0,21 2,13 0,05 45 60 1,35 0,14 1,18 0,04 90 60 3,49 0,61 2,28 0,06 100 60 6,87 0,55 2,66 0,07 100 80 11,5 0,72 2,48 0,2

38

De plus, cette propriété varie en fonction de la norme expérimentale adoptée lors des essais. Le Tableau I. 3 présente une comparaison des résultats de perméabilité à la vapeur en fonction des normes internationales. Des écarts importants, allant de 0,94x10-12 à 3,50x10-12, sont enregistrés quant à l’évaluation de cette grandeur.

Tableau I. 3. Perméabilité à la vapeur d’une plaque de contreplaqué en fonction de la norme adoptée [40]

Norme Régime HR (%) ^{Perméabilité à la vapeur} (kg.m.N-1.s-1 x 10-12) Britannique Coupelle sèche 75

88

Française Coupelle sèche 88,5 Allemande Coupelle sèche

Coupelle humide 50 50

La perméabilité à la vapeur des matériaux cimentaires évolue avec l’évolution de leur microstructure. Kearsley et Wainwright [42] ont mesuré la perméabilité à la vapeur d’eau de plusieurs bétons cellulaires en fonction de leurs masses volumiques sèches (Figure I. 7) et leurs porosités (Figure I. 8). Les résultats obtenus montrent que plus la porosité du matériau testé est élevée (ou la masse volumique est faible) plus la perméabilité à la vapeur augmente.

39

Figure I. 8. Perméabilité à la vapeur vs porosité [42]

Bray [43] a entrepris des mesures de perméabilité à la vapeur d’eau sur des pâtes de ciment avec deux différents rapports E/C (0,35 et 0,45) et en fonction de la teneur en eau du matériau (Figure I. 9). Il a, en effet, observé que la diffusivité est maximum dans les teneurs en eau les plus faibles. De plus, Nilsson [44] a mesuré la diffusivité sur trois mortiers avec trois rapport E/C (0,4 ; 0,6 et 0,8) et en fonction de l’humidité relative (Figure I. 10). Ces mesures ont été réalisées suivant la méthode de la coupelle. Les échantillons avaient une épaisseur de 5 et 10 mm et le diamètre maximal des agrégats utilisés était de 1mm. Les matériaux ont été conservés dans l’eau avant d’être placés dans les coupelles. La durée de la mesure était de six mois pour balayer toutes les gammes d’humidités relatives. Ce résultat illustre que dans la plage d’hygrométrie allant de 40 à 90%, et pour les matériaux avec un E/C de 0,4 et 0,6, l’effet de ce dernier est quasi négligeable. La comparaison des deux résultats de la Figure I. 9 et la Figure I. 10 dévoilent des effets différents du rapport E/C sur les pâtes de ciment et des mortiers. La forme des courbes d’évolution de la diffusivité en fonction de l’état hydrique du matériau diffère. De ce fait, l’effet du rapport E/C sur la perméabilité à la vapeur est évident.

40

Figure I. 9. Variation du coefficient de diffusion d’humidité (diffusivité) en fonction de la teneur en eau de la pâte de ciment pour différents rapport E/C (0,35 et 0,4) [43]

Figure I. 10. Variation de la diffusivité en fonction de l’humidité relative du mortier pour différents rapports E/C (0,4 ; 0,6 et 0,8) [44]

Il est aussi possible de déduire le coefficient de diffusion d’humidité à partir de la perméabilité à la vapeur d’eau. Pendant l’essai de perméabilité à la vapeur, l’évolution du débit massique traversant l’échantillon a été suivi jusqu’à l’état stationnaire, ce qui correspond à un débit massique constant où est le taux de flux massique à l’instant . Le débit massique à l’équilibre est ensuite introduit dans la relation suivante pour obtenir le flux de vapeur :

I. 10

Avec,

représente la densité du flux de vapeur à l’instant ; est le taux de flux massique a l’instant ;

est la surface de l’échantillon.

Le flux de vapeur à l’équilibre dans des conditions isothermes s’écrit :

I. 11

est le coefficient de diffusion d’humidité ; est la teneur en vapeur.

La densité de flux de vapeur peut encore s’écrire en termes de gradient de pression ou en fonction de l’humidité relative comme suit :

41

I. 12

est la perméabilité à la vapeur d’eau ; est la pression de vapeur ;

est la pression de vapeur saturante.

Donc, la relation entre la perméabilité à la vapeur d’eau et le coefficient de diffusion d’humidité est :

I. 13

Où