Porosité du béton

La description géométrique d’un réseau poreux fait appel à plusieurs concepts : — la porosité volumique totale

— la distribution des tailles de pores

— la tortuosité et la constrictivité du réseau poreux — la connectivité du réseau poreux

2.1.1.1 Distribution des tailles de pores

La porosité d’un béton est très complexe, cependant, la connaissance de sa distribution est importante. Les pores de grande taille vont influencer principalement la perméabilité et la résis-tance mécanique alors que celles de plus petite taille jouent un rôle important dans l’explication des déformations différées (retrait et fluage). Plusieurs familles de pores sont généralement dis-tinguées dans le béton :

— les pores capillaires. — les pores des hydrates. — les pores dues à l’air occlus. — les fissures.

2.1.1.1.1 Les pores capillaires À l’état frais, le béton est très poreux. Le volume global des produits hydratés est supérieur à celui du ciment anhydre consommé par la réaction d’hydra-tation. Cependant, le bilan volumique de la réaction est négatif : le volume des hydrates est inférieur à celui des réactifs (eau + ciment) [Chatelier, 1900]. Dès lors, dès que la pâte de ci-ment s’est solidifiée, un réseau de vides se crée dans la pâte que l’on nomme réseau capillaire. Le volume de ces pores augmente avec le rapport e/c. Selon Powers et Brownyard (1947), ce réseau capillaire n’existe plus pour e/c<0.4. Le diamètre de ces pores est compris entre 10nm et 1000nm [Mehta et Monteiro, 2005]. Les valeurs minimum et maximum ainsi que la distribution des diamètres de ces pores sont dépendantes du moyen de mesure utilisé. En effet, histori-quement, la porosimétrie mercure est le moyen le plus utilisé mais cette mesure comporte de nombreux biais [Diamond et Leeman, 1994].

Les pores capillaires sont généralement séparés en deux catégories :

— les macropores ont un diamètre supérieur à 50nm et influencent les propriétés de per-méabilité et de résistance mécanique.

— les mésopores ont un diamètre inférieur à 50nm et l’eau qu’elles contiennent est en partie à l’origine des phénomènes de retrait et de fluage.

Grandeurs et facteurs d’intêret du réseau poreux dans la dessiccation du béton 43

2.1.1.1.2 Les pores des hydrates Les hydrates comme les C-S-H ont une structure poreuse. La taille de cette porosité est de l’ordre de la dizaine d’Å. Sa description varie, dans le modèle de Feldman et Sereda (1970), les C-S-H ont une structure en feuillets et la porosité représente l’espace entre ces feuillets. Elle est considérée comme une propriété intrinsèque des hydrates : la structure des C-S-H serait caractérisée par un espace inter-lamellaire de 18 Ået une porosité de 28% selon Powers, Feldman et Sereda propose une taille comprise entre 5 et 25 Å. Plus récemment, un modèle colloïdal a été introduit où la densité de ces hydrates n’est plus uniforme et où la porosité est soit surfacique soit interne [Thomas et Jennings, 2006][Jennings, 2008]. Cette porosité est sans effet sur la perméabilité du béton mais l’eau qu’elle contient joue un rôle dans les mécanismes de fluage et de retrait.

2.1.1.1.3 La porosité due à l’air occlus Durant le malaxage, un volume d’air réduit est emprisonné dans la matrice cimentaire. Cette porosité a une taille importante (comprise entre 100µm et quelques milimètres) et n’a donc pas d’impact sur les mécanismes à l’origine des déformations différées. Par contre, les propriétés de transfert peuvent être impactées.

2.1.1.1.4 La porosité due à la fissuration Au cours de son histoire, le béton se fissure. Un matériau endommagé n’a donc pas la même porosité qu’un matériau sain ; cette fissuration a-t-elle un impact sur les propriétés des déformations différées du béton ?

Les cinétiques de séchages sont notablement accélérées si le matériau présente des fissures avec une ouverture supérieure à 0.1mm [Bazant et al., 1987]. Cependant, la valeur de ce seuil est également dépendante du nombre de fissures dans la structure. Un béton multi-fissuré verra sa cinétique de dessiccation accélérée même si la taille des fissures est inférieure à 100 µm. Sur ce sujet, une étude expérimentale a été conduite (chapitre 8).

Les mécanismes de fluage du béton sont parfois expliqués par la micro-fissuration [Rossi et al., 2012]. Si l’on admet ces hypothèses, le développement de ces fissures est fondamental dans la compréhension des déformations différées.

2.1.1.2 Porosité volumique totale

Dans la description de la dessiccation naturelle du béton, la porosité volumique totale p d’un béton caractérise le volume de stockage de l’eau dans le béton qui est susceptible de migrer vers le milieu extérieur. Elle est exprimée selon l’expression suivante :

p = 100.^Vp

V_tot (2.1)

où V_p est le volume poreux de l’échantillon et V_tot est le volume total. Le modèle de Powers

[Powers et Brownyard, 1947] permet d’exprimer la porosité capillaire de la pâte de ciment en fonction du rapport e/c (Fig 2.1). Une pâte de ciment avec un rapport e/c ≈ 0.55 a une porosité capillaire supérieure à 20%. En comparaison, la porosité des granulats courants est beaucoup plus faible (comprise 0.6 et 5 % [Lamond et Pielert, 2006]), celle des granulats du béton B11 est égale à 3.68 % [Baroghel-Bouny, 1994].

ciment. Cependant, le volume poreux d’un béton n’est pas l’addition des volumes poreux de la pâte de ciment et des granulats. En effet, la pâte de ciment autour des granulats est plus poreuse et n’est pas homogène [Ollivier et al., 1995]. Une nouvelle forme de porosité se développe donc dans ces zones appelées auréoles de transition. Un béton ordinaire aura une porosité volumique totale de l’ordre de 10%. Celle du béton B11 est égale à 13.8% [Reviron, 2009], cette mesure est effectuée selon le protocole dit de la porosité accessible à l’eau.

0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 10 20 30 40 w/c (-) capillary porosity (%)

FIGURE2.1: Évolution de la porosité capillaire en fonction de e/c [Powers et Brownyard, 1947]

2.1.1.3 Autres paramètres

Le séchage naturel des bétons implique que l’eau contenue dans béton migre vers le mi-lieu extérieur. Le parcours (ou chemin) associé à ce mécanisme de transfert est décrit à l’aide plusieurs paramètres.

2.1.1.3.1 La tortuosité À partir de l’observation d’écoulements dans un volume de sable, Carman définit la tortuosité, To, comme le carré du rapport entre la longueur moyenne de

l’écou-lement dans le milieu poreux, L_{e f f}, à la longueur du matériau mesurée dans la direction

macro-scopique de l’écoulement L [Carman, 1937]. To =L_{e f f}

L

2

(2.2) Par ce paramètre, la longueur effective du parcours est considérée. Le calcul de cette grandeur ne fait pas consensus pour des réseaux poreux complexes.

2.1.1.3.2 La constrictivité Le transfert de l’eau dans le béton se fait selon un parcours dont la section varie. Ces variations de section sont décrites qualitativement à travers la notion de constrictivité. Cette grandeur est inférieure à 1.

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