Principaux paramètres influençant la diffusion gazeuse

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Ainsi, dans les matériaux cimentaires et suffisamment hydratés, nous serons surtout dans un régime de diffusion mixte (Figure 1 - 8).

1.2.2.5 Principaux paramètres influençant la diffusion gazeuse

Les paramètres affectant la diffusion de gaz dans le réseau poral des matériaux cimentaires peuvent être groupés en deux classes : des paramètres intrinsèques, qui correspondent aux caractéristiques et propriétés physico-chimiques des matériaux, et des paramètres extrinsèques relatifs à l’environnement entourant ces matériaux.

1.2.2.5.1 Paramètres intrinsèques Rapport eau/liant

Plusieurs auteurs ([PAPADAKIS et al., 1991], [HOUST et WITTMANN, 1994] et [JUNG et al., 2010]) ont constaté que les coefficients de diffusion effectifs du CO2 et de l’O2 dans les matériaux cimentaires augmentaient avec leur rapport eau/liant. [KLINK et al., 1999] arrivent à la même conclusion en étudiant la diffusion du radon 222.

Cela peut être expliqué par le fait qu’un rapport E/L élevé conduit à des matériaux cimentaires contenant une importante quantité d’eau évaporable. En s’évaporant, cette eau laisse une forte porosité qui favorise ainsi la diffusion des gaz dans le réseau poral.

Plus récemment, les travaux de [NAMOULNIARA, 2015] montrent un effet notable du rapport E/L sur le coefficient de diffusion du CO2 en testant des pâtes de ciment C3, C4 et C5 avec un rapport E/L respectivement de 0.3, 0.4 et 0.5 (Figure 1 - 13).

Figure 1 - 13 : Coefficient de diffusion effectif du CO2 en fonction du rapport E/C (0,3, 0,4 et 0,5) de pâtes de ciment étuvées à 105°C [NAMOULNIARA, 2015]

Cependant, d’autres travaux de la littérature ([SERCOMBE et al., 2007], [VU, 2009] et [BOHER, 2012]) ne montrent pas de lien significatif entre le rapport E/L et le coefficient de diffusion effectif de l’hydrogène H2. Pour ces auteurs, le coefficient de diffusion gazeuse est surtout influencé par le degré de saturation en eau du matériau.

Type de liant et son dosage

Les travaux de [KLINK et al., 1999] montrent que le coefficient de diffusion effectif du radon 222 de bétons et mortiers à base du ciment au laitier CEM III est plus faible que celui des matériaux au ciment Portland.

Par ailleurs, [SERCOMBE et al., 2007] trouvent que le coefficient de diffusion effectif de l’hydrogène H2 de pâtes au ciment Portland est plus élevé que celui de pâtes au ciment composé CEM V (ciment contenant du laitier de haut-fourneau et des cendres volantes). En effet, la présence des additions affine la microstructure des matériaux, ce qui ralentit la diffusion du gaz dans leur réseau poral.

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Les travaux de [NAMOULNIARA, 2015] vont dans le sens de [KLINK et al., 1999]. Comme montré sur la Figure 1 - 14, pour un même rapport E/L, les coefficients de diffusion de pâtes avec 75% de substitution du CEMI par un laitier (notées L3 et L5 en fonction du rapport E/L) sont moins élevés que ceux de pâtes au ciment Portland (notées C3 et C5).

Figure 1 - 14 : Coefficient de diffusion effectif du CO2 en fonction de la nature du liant (C : 100% CEMI et L : 25% CEMI + 75% laitier) de pâtes de ciment étuvées à 105°C [NAMOULNIARA, 2015]

Il est à noter aussi qu’un fort dosage en liant réduit la porosité et ralentit par conséquent la diffusion du CO2 dans le réseau poral des matériaux cimentaires ([VENUAT et ALEXANDRE, 1968], [PARROTT, 1987], [DUVAL, 1992]).

Granulats

Les travaux de [WONG et al., 2009] montrent une sensibilité notable du volume de granulats sur le coefficient de diffusion de l’oxygène. Cette sensibilité provient de trois phénomènes :

• la dilution du volume de pâte où peut circuler le gaz, • l’augmentation de la tortuosité du réseau poreux,

• l’apparition d’auréoles de transition entre les grains et la pâte dont les propriétés de transport seront différentes de celles de la pâte « pure ».

Les travaux de [BAJA, 2016] sur la diffusion liquide en milieu saturé par de l’eau tritiée montre que l’effet de la dilution induit par l’ajout de granulats non poreux est dominant devant l’interconnexion des couches d’ITZ, qui l’emporte à son tour sur la tortuosité de la pâte due à la présence du sable.

De plus, [BAJA, 2016] constate que l’utilisation d’une granulométrie fine augmente le nombre de granulats introduits dans le mélange de mortier et permet d’améliorer la dispersion des additions éventuelles des mortiers. Cependant à fortes teneurs en granulats, l’ajout de sable fin provoque l’apparition d’air occlus (bulles d’air de grand diamètre) dans le matériau et une interconnexion « précoce » des couches d’ITZ.

Figure 1 - 15 : Effet de la fraction volumique d’agrégat sur le coefficient de diffusion de l’oxygène sur des mortiers (M) et sur des béton (C)

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Saturation des pores

L’eau liquide présente dans les pores va limiter la diffusion gazeuse [TUUTTI, 1982]. Ainsi, plusieurs auteurs ont mesuré une chute du coefficient de diffusion effectif de l’hydrogène H2 lorsque le degré de saturation en eau liquide dépasse environ 50% ([SERCOMBE et al., 2007], [VU, 2009] et [BOHER, 2012]). Cela est expliqué par le fait que le H2 diffuse plus vite dans un réseau poral sec (diffusion dans l’air) ou faiblement saturé que dans une porosité remplie d’eau (Figure 1 - 16).

Figure 1 - 16 : Coefficient de diffusion de H2 en fonction du degré de saturation en eau de pâtes ciment [VU et al., 2009]

1.2.2.5.2 Paramètres extrinsèques Cure des matériaux

Une conservation sous eau des bétons diminue le coefficient de diffusion effectif de l’oxygène [KOBAYASHI et SHUTTOH, 1991] et cet effet sera d’autant plus marqué que la durée de cure sera grande. De la même manière, [KLINK et al., 1999] trouvent que le coefficient de diffusion effectif du radon 222 baisse sur des bétons et des mortiers conservés dans l’eau.

Ainsi, en favorisant l’hydratation, la conservation dans l’eau réduit et affine la porosité des matériaux cimentaires et ralentit ainsi la diffusion des gaz dans leur réseau poral.

Humidité relative

Le coefficient de diffusion effectif du dihydrogène chute lorsque l’humidité relative de l’ambiance de conservation dépasse 50% ([SERCOMBE et al., 2007], [BOHER, 2012]). [KOBAYASHI et SHUTTOH, 1991] montrent aussi qu’augmenter l’humidité relative ambiante diminue le coefficient de diffusion effectif de l’oxygène O2. [JUNG et al., 2010]. [PAPADAKIS et al., 1991] arrivent au même résultat quant à la diffusion du CO2. L’explication est la même que pour l’influence du degré de saturation.

Type de gaz

Le coefficient de diffusion effectif de l’oxygène est supérieur à celui du CO2 [HOUST et WITTMANN, 1994]. De même, le coefficient de diffusion effectif du dihydrogène H2 est plus élevé que celui du xénon Xe [SERCOMBE, et al., 2007]. L’explication réside dans la différence de taille du rayon atomique. Un plus grand rayon limite la diffusion du gaz dans le réseau poral des matériaux cimentaires.

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