La perméabilité et la diffusivité hydrique sont les principaux paramètres caractérisant l’aptitude des bétons à véhiculer un fluide (en phases liquide et/ou vapeur). Ces deux paramètres sont considérés comme des “ indicateurs de durabilité ”. Ils dépendent fortement du réseau poreux, de sa connectivité et de la teneur en eau du matériau. De nombreux travaux ont été développés pour mesurer directement ces paramètres ou pour établir et appliquer des modèles au matériau considéré comme sain et homogène. Or, dans une structure en béton le matériau est rarement “sain”. En service, l’endommagement du matériau est lié aux diverses agressions extérieures, mécaniques et/ou chimiques, subies. Indépendamment des agressions d’origine chimique, les sollicitations mécaniques créent et développent une fissuration qui modifie la structure poreuse du matériau et par suite ses paramètres de transfert.
Caractéristiques microstructurales
Distribution de taille des pores
Si les pores sont considérés comme des entités distinctes du réseau, la distribution de taille reflète la répartition des volumes formés par les pores de rayon rp. Elle est généralement représentée par une courbe : ∆Vp/∆rp = ƒ(rp), où Vp est le volume des pores de rayon rp. Le diamètre critique dc, ou seuil de percolation, correspond au maximum de cette courbe de distribution et trouve son application dans le relation de Katz-Thompson, pour la détermination de la perméabilité intrinsèque du milieu.
Pour déterminer la distribution de tailles de pore, plusieurs méthodes expérimentales existent parmi lesquelles l’adsorption / condensation ou thermoporométrie et la porosimétrie mercure. La méthode d’intrusion au mercure constitue l’un des principaux outils d’investigation de la microstructure ou texture des matériaux poreux [BAR 94]. Elle permet généralement une investigation du réseau poreux dans une plage étendue de tailles de pore (de la macro à la mésoporosité), entre 40 Å, et 60 µm .
Diamètre hydraulique moyen
Dans la majorité des structures poreuses, la taille des pores est distribuée selon un large spectre de diamètre. Le premier moment de distribution est la taille moyenne des pores [DUL 79] (qui peut être différente du diamètre caractéristique dc précédemment défini).
Spécificités de la microstructure des bétons
Description de la phase solide
Le béton est par sa composition un matériau présentant une forte hétérogénéité. Par la suite, sont distingués les granulats de la pâte de ciment qui, lorsqu’elle est durcie, forme la matrice “cimentaire” du matériau.
Pâte de ciment
La phase solide de la pâte de ciment est formée de grains de ciment plus ou moins bien hydratés. Parmi les produits de l’hydratation il y a :
❖ Les silicates de calcium hydratés ou C-S-H. Ils sont les principaux produits de cette hydratation (au moins 50% d’une pâte de ciment ordinaire) et sont aussi appelés gel. Ils sont quasiment amorphes et forment un composé à structure colloïdale dont la composition en eau est variable et dépend de la pression de vapeur saturante au sein du matériau.
❖ Les autres hydrates qui se présentent sous forme de cristaux ont une évolution et une sensibilité à l’hygrométrie moindre. Ces derniers sont principalement :
– La portlandite Ca(OH)2, qui cristallise en plaquettes hexagonales essentiellement.
– Les aluminates de calcium hydratés, dont la forme la plus stable C3AH6, cristallise sous forme cubique.
– La géhlénite hydratée C2ASH8, qui cristallise en cristaux lamellaires.
– Les sulfo-aluminates de calcium hydratés, parmi lesquels l’ettringite (C3A, 3CS, H32) qui cristallise sous forme d’aiguille.
Lors de l’hydratation du ciment, ces différents hydrates se forment et se développent dans les espaces situés entre les grains de ciment anhydres initiaux. Ce mode de remplissage des vides originels crée un réseau poreux très complexe [BAR 94]. Les pores présents dans la pâte de ciment durcie ont donc une géométrie très complexe et des dimensions très étalées. Ils peuvent être répertoriés en deux catégories :
– Les pores “capillaires”, vestiges des espaces intergranulaires de la pâte fraîche. Ils sont directement liés au rapport E / C et sont détectables par porosimétrie mercure.
– Les pores relatifs aux hydrates, inter et intra-cristallites (ou espaces inter-feuillets) [BAR 94]. Ils sont nettement plus petits que les précédents, et sont inhérents à la formation des hydrates et indépendants du rapport E / C .
Granulats et interface pâte-granulats
Pour un béton, la liaison qui s’établit au cours de l’hydratation entre la pâte de ciment et les matériaux qu’elle enrobe, se traduit par une zone de pâte particulière appelée “auréole de transition” ou interface pâte granulats [MAS 80]. Son épaisseur augmente avec la taille du granulat mais est toujours inférieure à 50 µm. Dans cette zone, la pâte de ciment présente une cohésion plus faible, due à un excès local d’eau, car au moment du gâchage, un film liquide s’adsorbe sur la surface du granulat. Tant du point de vue mécanique que du point de vue de la durabilité ou perméabilité, ces zones constituent les “maillons faibles” du matériau [BUI 92].
Les granulats peuvent être d’origine siliceuse ou calcaire. Dans le premier cas, l’interface pâte-granulat constitue une zone où les hydrates sont faiblement liés aux granulats et s’en détachent facilement. Lorsque les granulats sont plus poreux, “l’auréole de transition” se caractérise par une première couche, intimement liée au granulat par des liaisons de type physique et peut-être même chimique à la suite d’une dissolution superficielle du granulat et une deuxième couche avec une porosité plus grande mais constituée de produits d’hydratation mieux cristallisés et orientés [BAR 94]. Ainsi avec des granulats calcaires, le matériau présente de meilleures caractéristiques mécaniques et une perméabilité faible malgré la porosité des granulats.
Concernant la porosité des bétons, il convient d’ajouter à la porosité de la pâte de ciment précédemment décrite, les pores dus aux inclusions d’air durant le malaxage et/ou dus à l’air entraîné par les adjuvants, qui sont le plus souvent des cavités sphériques d’un rayon compris entre 1 et 50 µm environ. Il faut aussi tenir compte des fissures inhérentes au béton lui même. Ces dernières sont dues principalement aux retraits, retrait endogène lié à l’hydratation du ciment mais surtout au retrait de dessiccation lorsque le béton subit un séchage. Ces fissures ont des tailles de l’ordre de quelques µm mais peuvent être plus grandes dans la mesure où leurs ouvertures sont relatives au volume de matériau coulé.
L’eau dans les bétons
L’eau étant constitutive du matériau, il est parfois difficile d’évaluer le degré de liaison de l’eau avec la matrice solide. Trois degrés peuvent être distingués :
– l’eau chimiquement liée : c’est l’eau consommée au cours des réactions d’hydratation, combinée avec d’autres composants dans les hydrates ;
– l’eau adsorbée : c’est l’eau fixée à la surface de la matrice solide sous l’action de forces intermoléculaires de type force de Van der Waals ;
– l’eau capillaire et l’eau libre : l’eau capillaire est l’eau en phase condensée en phase condensée remplissant un capillaire sous l’effet de la condensation capillaire, Un cas particulier de l’eau capillaire est l’eau libre contenue dans les pores les plus gros et qui ne subit pas d’influence particulière des forces superficielles (elle est en équilibre avec la phase gazeuse par l’intermédiaire d’une interface plane).
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Table des matières
Introduction
Partie I : Aspects théoriques et synthèse bibliographique
Chapitre I. Caractéristiques microstructurales des bétons
I.1. Caractéristiques des milieux poreux
I.1.1. Volume des différentes phases
I.1.1.1. Paramètres d’état
I.1.1.2. Porosité du matériau
I.1.1.3. Teneur en eau
I.1.1.4. Volume élémentaire représentatif
I.1.2. Caractéristiques microstructurales
I.1.2.1. Distribution de taille des pores
I.1.2.2. Diamètre hydraulique moyen
I.1.2.3. Tortuosité et connectivité
I.2. Spécificités de la microstructure des bétons
I.2.1. Description de la phase solide
I.2.1.1. Pâte de ciment
I.2.1.2. Granulats et interface pâte-granulats
I.2.2. L’eau dans les bétons
Chapitre II. Transferts isothermes dans les bétons
II.1. Lois phénoménologiques
II.1.1. Loi de Darcy
II.1.2. Loi de Fick
II.2. Ecoulements en milieu poreux
II.2.1. Caractéristiques des fluides d’infiltration
II.2.1.1. Viscosité
II.2.1.2. Fluide en phase gazeuse
II.2.2. Ecoulement dans un tube capillaire
II.2.3. Mouvement de la phase gazeuse en milieu poreux
II.2.3.1. Ecoulement visqueux
II.2.3.2. Transport par diffusion classique
II.2.3.3. Transport par effusion ou écoulement de Knudsen
II.2.3.4. Ecoulement par glissement
II.2.3.5. Ecoulement de diffusion de surface
II.3. Perméabilité des bétons
II.3.1. Fluide incompressible
II.3.2. Fluides compressibles
II.3.2.1. Percolation d’un gaz à travers un échantillon
II.3.2.2. Détermination de la perméabilité apparente
II.3.2.3. Détermination de la perméabilité intrinsèque dans le cadre d’écoulements laminaires
II.3.2.4. Détermination de la perméabilité intrinsèque dans le cadre d’écoulements turbulents
II.4. Diffusivité hydrique dans un béton
II.4.1. Eau et milieux poreux
II.4.1.1. Adsorption
II.4.1.2. Capillarité
II.4.1.3. Imbibition
II.4.1.4. Isothermes de sorption et de désorption
II.4.1.5. Phénomène d’hystérésis
II.4.2. Equations de transfert
II.4.2.1. Transfert d’eau en phase liquide
II.4.2.2. Transfert d’eau en phase vapeur
II.4.2.3. Transfert de chaleur
II.4.3. Modèle simplifié
II.4.3.1. Equations de conservation
II.4.3.2. Système général d’équations
II.4.3.3. Diffusivité hydrique : définition
II.4.3.4. Détermination de la diffusivité hydrique
II.4.3.5. Calcul de la diffusivité hydrique
II.5. Paramètres de transfert dans les bétons non-endommagés
II.5.1. Incidences des caractéristiques structurelles
II.5.1.1. Composition
II.5.1.2. Confection des bétons
II.5.1.3. Résistance mécanique
II.5.2. Influence du pré-conditionnement des échantillons sur la perméabilité
II.5.2.1. Influence de l’état hydrique sur la perméabilité
II.5.2.2. Influence du mode séchage sur la perméabilité au gaz
II.5.2.3. Ecarts entre la perméabilité à l’eau et la perméabilité au gaz des bétons
Chapitre III. Couplage hydro-mécanique
III.1. Endommagement mécanique des bétons
III.1.1. Comportement mécanique des bétons sous contraintes uniaxiales
III.1.1.1. Paramètres mécaniques globaux
III.1.1.2. Effet des sollicitations sur la microstructure
III.1.2. Variable d’endommagement
III.1.2.1. Définition
III.1.2.2. Hypothèse de l’endommagement isotrope
III.1.2.3. Notion de contrainte effective
III.1.2.4. Principe d’équivalence en déformation
III.1.3. Evaluation de l’endommagement
III.1.3.1. Indicateurs micostructuraux
III.1.3.2. Variation du module d’élasticité, méthode statique
III.1.3.3. Variation du module d’élasticité, méthode dynamique
III.1.4. Modèles d’endommagement
III.2. Couplage endommagement – perméabilité
III.2.1. Etudes expérimentales
III.2.1.1. Perméabilité à l’eau
III.2.1.2. Perméabilité au gaz
III.2.2. Modélisation
III.2.2.1. Milieux discrets
III.2.2.2. Milieux continus
III.3. Couplage endommagement – diffusivité hydrique
Partie II : Etude expérimentale
Chapitre IV. Programme expérimental
IV.1. Confection des éprouvettes
IV.1.1. Composition
IV.1.2. Cure appliquée aux bétons
IV.1.3. Caractéristiques mécaniques
IV.2. Application des sollicitations mécaniques
IV.2.1. Compression uniaxiale
IV.2.1.1. Programmation des sollicitations
IV.2.1.2. Champs de contraintes et de déformations générés dans l’éprouvette 79
IV.2.1.3. Mesure des contraintes et des déformations axiales
IV.2.1.4. Evaluation de l’endommagement
IV.2.2. Traction par fendage
IV.2.2.1. Mesure des contraintes et des déplacements
IV.2.2.2. Chargement des disques
IV.2.2.3. Evaluation de l’endommagement
IV.3. Mesure de la perméabilité au gaz
IV.3.1. Dispositif expérimental
IV.3.2. Protocole de mesure
IV.3.2.1. Perméabilité apparente comprise entre 10-18 et 10-15 m²
IV.3.2.2. Perméabilité apparente inférieure à 10-18 m² 91
IV.3.2.3. Perméabilité apparente supérieure à 10-15m²
IV.4. Mesure et suivi des profils de teneurs en eau
IV.4.1. Technique expérimentale
IV.4.1.1. Principe de la détermination par gammamétrie
IV.4.1.2. Dispositif expérimental
IV.4.2. Protocole expérimental
IV.4.2.1. Etalonnage et calcul de la teneur en eau
IV.4.2.2. Banc d’imbibition
IV.4.2.3. Programmation d’un essai
IV.5. Mesure de la conductivité hydraulique d’échantillons fissurés
IV.5.1. Dispositif expérimental
IV.5.2. Protocole expérimental
IV.6. Plan d’expérience
Chapitre V. Perméabilité au gaz de bétons endommagés
V.1. Eprouvettes sollicitées en compression uniaxiale
V.1.1. Problématique
V.1.2. Préparation des échantillons
V.1.2.1. Sollicitation des éprouvettes
V.1.2.2. Extraction des disques
V.1.2.3. Préconditionnement
V.1.3. Comparaison des perméabilités
V.1.3.1. Teneur en eau après chaque étape de séchage
V.1.3.2. Partition du flux gazeux dans un échantillon endommagé
V.1.4. Effets des sollicitations mécaniques sur la perméabilité
V.1.4.1. Relation entre la déformation maximale subie et la perméabilité
V.1.4.2. Accroissement de la perméabilité en fonction du rapport ε/εc
V.1.4.3. Evolution des écoulements par glissement
V.1.5. Effets du séchage
V.1.5.1. Accroissement absolu de perméabilité, kV(d) – kVo
V.1.5.2. Rapport d’accroissement de perméabilité, kV(d)/kVo
V.1.5.3. Flux de gaz pour une pression différentielle donnée
V.1.6. Relation endommagement – perméabilité
V.1.6.1. Considérations microstructurales
V.1.6.2. Evaluation de l’endommagement à partir de la courbe contrainte – déformation
V.1.6.3. Evaluation de l’endommagement par méthode ultrasonique
V.1.7. Conclusion
V.2. Eprouvettes sollicitées en traction par fendage
V.2.1. Position du problème
V.2.2. Préparation des échantillons
V.2.2.1. Découpe des disques de bétons
V.2.2.2. Préconditionnement des disques
V.2.2.3. Contrôle des teneurs en eau moyennes durant l’essai
V.2.2.4. Choix des éprouvettes
V.2.3. Effets des déformations latérales maximales sous contrainte, δmax
V.2.3.1. Influence du déplacement latéral maximal sous contrainte sur la perméabilité
V.2.3.2. Relation entre le déplacement latéral sous contrainte et le déplacement latéral résiduel
V.2.4. Evolution de la fissuration des disques
V.2.4.1. Cartographie des fissures
V.2.4.2. Mesure et suivi de l’ouverture de la fissure principale après déchargement, w1
V.2.5. Mesure de la perméabilité au gaz d’échantillons fissurés
V.2.5.1. Evolution du coefficient βk
V.2.5.2. Transition entre écoulement laminaire et écoulement turbulent
V.2.6. Evolution de la perméabilité en fonction du déplacement latéral résiduel
V.2.6.1. Influence de la teneur en eau
V.2.6.2. Formulation théorique de l’accroissement de la perméabilité des disques fissurés
V.2.6.3. Evolution du rapport d’accroissement des perméabilités
V.2.7. Conclusions
Chapitre VI. Perméabilité à l’eau et diffusivité hydrique de bétons endommagés
VI.1. Perméabilité à l’eau des bétons fissurés
VI.1.1. Préparation des éprouvettes
VI.1.2. Evolution dans le temps de la perméabilité à l’eau des échantillons fissurés
VI.1.2.1. Evolution du débit d’eau de sortie sous gradient de pression constant
VI.1.2.2. Observation et analyse du phénomène à l’origine de la diminution de débit
VI.1.3. Comparaison des perméabilités mesurées à l’eau et au gaz
VI.1.3.1. Considération de l’écoulement turbulent
VI.1.3.2. Comparaisons des rapports keau/kgaz selon les disques
VI.1.4. Conclusion
VI.2. Diffusivité hydrique des éprouvettes de béton sollicitées en compression uniaxiale
VI.2.1. Problématique
VI.2.2. Ecoulements liés aux imbibitions sous pression
VI.2.2.1. Equation générale des écoulements non saturés
VI.2.2.2. Transformée de Boltzmann
VI.2.2.3. Calcul de la perméabilité
VI.2.2.4. Calcul de la diffusivité hydrique
VI.2.3. Préparation des éprouvettes
VI.2.3.1. Endommagement des éprouvettes
VI.2.3.2. Découpes des éprouvettes
VI.2.3.3. Séchage des éprouvettes
VI.2.4. Plan d’expérience
VI.2.4.1. Eprouvettes testées
VI.2.4.2. Programmation de l’exécution des profils
VI.2.4.3. Mesures prises en comptes
VI.2.5. Traitement des résultats expérimentaux
VI.2.5.1. Profil des teneurs en eau
VI.2.5.2. Observation des résultats dans le repère θ = ƒ(u)
VI.2.5.3. Lissage des profils types θ(u)
VI.2.5.4. Exploitation des profils types θ(u) obtenus
VI.2.5.5. Comparaison entre les éprouvettes saines et endommagées
VI.2.6. Influence de l’endommagement sur la diffusivité hydrique
VI.2.6.1. Evaluation de la diffusivité hydrique
VI.2.6.2. Comparaison entre le BO et le BHP
VI.2.7. Détermination de la perméabilité à l’eau
VI.2.7.1. Volume d’eau infiltré
VI.2.7.2. Evaluation de la perméabilité
VI.2.8. Etude comparative des résultats obtenus
VI.2.8.1. Diffusivité hydrique
VI.2.8.2. Perméabilité
VI.2.9. Conclusion
Conclusions générales
