Fig. 4.1 – Structure du ciment durci selon le mod`ele de Feldman et Sereda [Feldman68]
4.2
Structure poreuse du b´eton
On a donc vu que le b´eton est un mat´eriau composite caract´eris´e par une microstructure poreuse avec des pores de diff´erentes tailles et de distribution al´eatoire. La structure poreuse et la distribution des pores au sein du b´eton jouent un rˆole tr`es important non seulement sur la r´esistance m´ecanique, mais aussi sur les ph´enom`enes de transport et d’interaction avec le milieu ext´erieur. Cette interaction a lieu `a travers les pores interconnect´es. Le r´eseau poreux est aussi le r´ecipient de l’eau liquide, de l’eau en forme de vapeur et de l’air sec (fig.4.2). Pour ces raisons, la porosit´e (et sa distribution) devient un param`etre tr`es important pour la caract´erisation du b´eton. La forme et la taille des pores changent dans chaque type de b´eton. L’eau en exc`es, utilis´ee pour la fabrication du b´eton et la manipulation que l’on fait lors de sa fabrication, forme des bulles d’air dans le b´eton. Ces bulles constituent le premier squelette du r´eseau poreux. Ensuite, le contenu et le type du ciment ainsi que les agr´egats, contribuent `a la taille et `a la distribution du r´eseaux poreux. Les conditions du b´eton pendant sa maturation ont une influence tr`es forte sur le r´eseaux poreux. Dans la pˆate de ciment, les parois d’un pore sont form´ees essentiellement par le C-S-H, mais dans les pores on trouve aussi de l’ettringite et de la portlandite.
4.2.1
D´etermination de la porosit´e
La porosit´e (ou le volume poreux) est d´efinie comme le volume cumul´e des pores par unit´e de volume de milieu poreux. Sa d´etermination est g´en´eralement une technique destructive. Les techniques les plus usuelles utilis´ees sont :
– Porosit´e `a l’eau : la porosit´e totale est mesur´ee avec cette m´ethode. Elle permet de connaˆıtre la quantit´e d’eau totale contenu dans le b´eton apr`es le s´echage et la saturation de l’´echantillon.
– Porosit´e au mercure : permet de connaˆıtre la porosit´e en poussant du mercure `a travers les r´eseaux de pores ouverts du b´eton. La quantit´e de mercure qui entre dans le b´eton `a diff´erentes pressions permet de lier la pression aux diff´erentes tailles des pores et d’obtenir donc la distribution de la taille des pores. Avec cette m´ethode on peut
Solide
Gaz
Liquide
Fig. 4.2 – Description du milieu poreux avec les trois phases
La principale limite des m´ethodes de d´etermination de la porosit´e est li´ee au fait que, ind´ependamment du fluide utilis´e pour la percolation, tous les pores ne vont pas ˆetre remplis par la phase mouillante. En plus, il faut aussi prendre en compte le fait que certains liquides (notamment l’eau) ne sont pas inertes vis-`a-vis de la matrice cimentaire i.e. ils entraˆınent une changement de la microstructure. L’utilisation de la technique de p´en´etration au mercure est alors tr`es r´epandue vu le fait que la plage des pores qui sont remplis par ce fluide correspond aux pores capillaires i.e. les pores qui sont les plus concern´es par les ph´enom`enes de transport et qui, donc, nous int´eressent pour l’´etude du mat´eriau b´eton.
4.2.2
Distribution des pores
La porosit´e n, d´efinie comme le rapport du volume des pores sur le volume total, est le param`etre normalement utilis´e pour la caract´erisation du r´eseau poreux du b´eton. Mais ce param`etre n’est pas suffisant car c’est plutˆot la distribution des pores qui influence les propri´et´es physiques du milieu, notamment la r´esistance m´ecanique et la perm´eabilit´e. On d´efini comme courbe porosim´etrique S(r) la courbe donnant la proportion de volume poreux dont la taille caract´eristique de pore est inf´erieure `a r. En particulier, on peut donner une classification des pores selon leur taille de la mani`ere suivante :
– Micropores : avec un diam`etre < 26˚A. Ces pores de tr`es petite taille n’ont pas une
influence n´egative sur la durabilit´e du b´eton, mais peuvent avoir une influence sur le fluage et le retrait.
– M´esopores : ou pores capillaires, avec une diam`etre de 26-500˚A. Le volume total du
m´elange ciment-eau ne change pas de mani`ere significative pendant l’hydratation. Par contre, la place occup´ee au d´ebut par l’eau et le ciment est remplac´ee progres- sivement par les produits hydrat´es. L’espace qui n’est pas occup´e par les hydrates et le ciment anydre forme le r´eseaux poreux. La porosit´e capillaire d´epend donc du rapport eau/ciment (e/c) et du degr´e d’hydratation du ciment. En ce qui concerne les capillaires, on peut faire une distinction suppl´ementaire entre les petits pores ca-
pillaires (<50˚A) et les grands pores capillaires (50-500˚A). Les pores capillaires sont
g´en´eralement consid´er´es comme les plus importants dans la microstructure du b´eton : du point de vue de la durabilit´e, l’influence qu’ils ont sur les m´ecanismes de transport est tr`es importante.