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Université de Sherbrooke GCI 714 - Durabilité et réparations du béton 60

2.2 LES PERMÉABILITÉS 2.2.1 L'importance des perméabilités et de l'étanchéité sur la

durabilité des structures en béton.

• La performance et la durabilité d'un ouvrage en béton sont très souvent liées à l'étanchéité de certains éléments de la structure.

° De nombreuses structures sont conçues pour contenir des liquides

(réservoirs d'eau ou de gaz liquéfié) ou des gaz (enceintes de confinement des centrales nucléaires).

° Certaines parties de structures doivent être en mesure de retenir les

agents agressifs pour les empêcher de contaminer et de corroder des éléments structuraux tels que les poutres, les piliers ou les poteaux (conception et entretien des systèmes de joints et de drainage des infrastructures routières par exemple).

• La perméabilité et l'étanchéité d'une structure ou d'un ouvrage en béton

sont contrôlées par deux principaux paramètres:

- La perméabilité du matériau béton. - L'étanchéité des éléments de l'ouvrage ou de la structure.

• L'étanchéité des éléments est principalement fonction des critères de

conception et des techniques de construction.

° Choix du nombre, de la disposition et du type de joints d'expansion ou de construction.

° Choix du type et de la disposition des joints d'étanchéité entre les

murs, les parois ou les dalles. ° Influence du calcul des aciers d'armature et de la post ou

précontrainte de manière à contrôler ou limiter les déformations pouvant entraîner la fissuration des éléments ou la rupture des joints d'étanchéité (déformations engendrées par le retrait ou par des sollicitations physiques ou mécaniques).


Très souvent la mauvaise durabilité des structures en béton n'est pas uniquement liée à une imperméabilité insuffisante du béton mais plutôt à une étanchéité déficiente de l'ouvrage (problèmes de conception, fissuration, problèmes de joints).

• Dans de nombreux cas ce n'est pas uniquement l'étanchéité des éléments

qui contrôle la durabilité des structures mais aussi la perméabilité du matériau béton.

• Plusieurs études et relevés sur le terrain montrent que les causes

principales de la mauvaise performance du béton sont plus ou moins liées à la facilité avec laquelle un fluide ou un ion pénètre dans la porosité du béton.1

La perméabilité du béton est un autre paramètre fondamental contrôlant la durabilité des structures.

• C'est surtout la perméabilité de la peau du béton qui est la plus étroitement

liée à la durabilité. En effet, c'est véritablement cette peau qui bloque ou ralenti le passage des agents agressifs (liquides, gaz, ions) qui peuvent corroder la masse du béton ou les aciers d'armature.

• Les caractéristiques (et le degré de protection) de la peau du béton sont

fonction de très nombreux paramètres.

° Paramètres de composition du béton (E/C, ajouts minéraux, ...) ° Techniques de mûrissement et de mise en place ° Fissuration due au retrait ° Fissuration due aux charges de service.

1 FIGG, J. 1973 Methods of measuring the air and water permeability of concrete, Magazine of Concrete

Research, Vol. 25 N°. 85, p. 213-219.


• En laboratoire, il est relativement facile de déterminer quelle est l'influence des paramètres de composition du béton sur la perméabilité du béton (c'est ce que nous allons voir).

• Cependant, il est assez difficile d'évaluer précisément quels sont les

effets des techniques de mûrissement et de mise en place utilisées en chantier et comment la fissuration peut influencer la perméabilité du béton de peau (mesures in situ).

Kreijger2 a étudié la composition de la peau du béton et a remarqué que le contenu d'air, de ciment et de particules fines y sont plus élevés. Le rapport E/C est aussi différent, le contenu en granulats est moindre. La porosité du béton de peau est généralement plus importante que celle du béton de masse.

2.2.2 Influence des caractéristiques du réseau capillaire sur la

perméabilité du béton • La perméabilité du béton et celle de la pâte de ciment hydraté est liée aux

caractéristiques du réseau de pores capillaire (section 2.1.1). Les principales caractéristiques du réseau de pores capillaires qui influencent la perméabilité sont:

° La porosité ° La tortuosité et la connectivité ° Le degré de saturation

n La porosité • C'est le rapport entre le volume de vides Vv et le volume total Vt d'un corps

donné.

Po = VvVt

• Lorsqu'un fluide occupe une fraction Ve du volume des vides, on définit le degré de saturation du milieu poreux par:

2 Kreijger, P. C. 1984 The skin of concrete: composition and properties, Matériaux et constructions, Vol. 17, N°.

100, p. 275-283.


S = VeVv

Selon la répartition en taille des pores, leur volume respectif et leur interconnectivité, le transfert d'un fluide dans un milieu poreux peut être plus ou moins facile.

• La porosité est une propriété volumétrique représentant le contenu des

pores qui ne sont pas nécessairement interconnectés, alors que la perméabilité est une propriété d'écoulement qui caractérise la facilité avec laquelle un matériau poreux se laisse traverser par un fluide (Fig 2.24).

Fig 2.24 - Illustration de la différence entre la porosité et la perméabilité. [tiré de Nehdi, M. 1993 Mécanismes de transfert de masse dans le

béton comme critère de durabilité: application in situ aux bétons de barrage. Thèse de maîtrise, Département de génie civil, Université de Sherbrooke, 127 p.]

n La tortuosité ou connectivité

• La connectivité est un paramètre topologique qui définit le degré avec lequel une structure poreuse est connectée. La tortuosité To est définie comme la longueur moyenne relative du parcours d'une particule de fluide d'une extrémité à l'autre d'un corps poreux.

T0 = LL e

2

avec L = Longueur moyenne du parcours Le = Longueur de l'échantillon


• Un matériau poreux constitué d'un réseau de pores fortement tortueux et

discontinu est généralement très imperméable aux agents agressifs. • Le degré d'interconnection des pores dépend du rapport E/C et du

degré d'avancement de l'hydratation.

À mesure que progresse la réaction entre l'eau et le ciment, des hydrates se forment à la surface des grains de ciment ou précipitent dans les espaces intergranulaires. Après un certain temps, tous les espaces entre les grains seront segmentés par une paroi d'hydrates (la porosité capillaire devient discontinue), ce qui produit une chute brutale de la perméabilité.

• Le tableau 2.2 présente la durée de l'hydratation nécessaire pour produire

un réseau de pores discontinu, en fonction du rapport E/C de la pâte.

Tab 2.2 - Relation entre le rapport E/C et le temps de segmentation du réseau capillaire des pâtes de ciment Portland.

[tiré de Powers, T.C. 1959 Capillary continuity or dicontinuity in cement paste, Journal of the PCA research and development laboratories, Vol. 1, N°. 2, p38-48]

Rapport E/C

Durée de l'hydratation

0,40 0,45 0,50 0,60 0,70 >0,70

3 jours 7 jours

14 jours 6 mois 1 an

impossible


• Plus le rapport E/C est faible moins il est nécessaire de former des hydrates pour segmenter la porosité capillaire (Fig 2.25)

Fig 2.25 - Degré d'hydratation nécessaire à l'interruption de la continuité capillaire. [tiré de Powers, T.C. 1959 Capillary continuity or dicontinuity in cement

paste, Journal of the PCA research and development laboratories, Vol. 1, N°. 2, p38-48].

n Le degré de saturation

• Le degré de saturation du réseau de pores capillaire exerce une grande

influence sur les perméabilités du béton (Fig 2.26).

° Un réseau de pores capillaires faiblement saturé (stades a, b et c) facilite le passage des gaz par diffusion en phase gazeuse. (diffusion de vapeur, O2 ou CO2). L'écoulement de la phase liquide et la diffusion ionique sont très lents.

° Plus le degré de saturation du réseau de pores s'accroît, plus le

passage des gaz est difficile car, en certains endroits, la diffusion doit se faire à travers la phase liquide. Un réseau de pores fortement saturé (stade e) devient pratiquement imperméable aux gaz.

° Dans les réseaux de pores fortement saturés (stades e, f et g)

l'écoulement de la phase liquide (eau) devient beaucoup plus facile et la diffusion des ions en solution est beaucoup plus rapide en raison de la grande disponibilité de la phase liquide.


Fig 2.26 - Modèles idéalisés du mouvement de l'eau et des ions dans les pores du béton.

[tiré de Report of a Concrete Society Working Party, 1988, Permeability testing of site concrete: a review of methods and experience, Concrete society technical report no 31, London, 131 p.]

2.2.3 Perméabilité et coefficient de diffusion

n La perméabilité • La perméabilité d'un matériau se définit comme son aptitude à se laisser

traverser par un fluide (eau ou gaz par exemple) sous l'effet d'un gradient de pression. Elle s'exprime au moyen de la relation de DARCY qui est valide en régime d'écoulement laminaire.

Q = -K.Aµ

.dPdz


avec Q = débit volumique du fluide de viscosité µ K = perméabilité du milieu (m2) A = aire apparente du matériau

dPdz = gradient de pression

• La perméabilité K est une caractéristique intrinsèque du matériau dans la

mesure où certaines conditions sont satisfaites. Elle s'exprime en m2. L'écoulement doit se faire dans des conditions données (température et caractéristiques constantes du matériau en fonction du temps) et il ne doit pas y avoir d'interactions physiques et chimiques entre le fluide et le matériau (c'est rarement vrai dans le cas du béton!).

• La perméabilité K peut être utilisée pour estimer l'aptitude du matériau à

se laisser traverser par un fluide. Plus la valeur de K est élevée, plus le matériau est perméable et, inversement, plus la valeur de K est faible, plus le matériau est imperméable.

• Dans le cas du béton, on peut mesurer expérimentalement la valeur K en

utilisant des appareils spécialement conçus à cet effet. • En pratique, la perméabilité K peut être utilisée pour caractériser la

perméabilité à l'eau et au gaz du béton. • Très souvent, on utilise, à tort, la notion de perméabilité aux ions

chlore. En fait, le concept de perméabilité aux ions chlore n'existe pas. Dans le béton, la pénétration des ions chlore dans le béton n'est pas le résultat d'un gradient de pression mais plutôt d'un gradient de concentration.

n Le coefficient de diffusion

• Les molécules de gaz peuvent circuler dans la porosité non saturée du

béton sous l'effet d'un gradient de concentration. Les ions en solution peuvent aussi se déplacer dans la porosité saturée du béton sous l'effet d'un gradient de concentration.

• Le processus de diffusion, en régime permanent, est décrit par l'équation de

Fick.


J DeCx

i= −∂∂

avec J = Flux (mol/cm2.s) De = Coefficient de diffusion effectif (cm2/s)

dCdx = Gradient de concentration (mol/cm2)

• Le coefficient de diffusion D permet de caractériser la capacité qu'ont

certains ions à diffuser au travers d'un milieu donné.

• En régime non permanent, la variation de la concentration C, en un point donné dans le béton, varie en fonction du temps. La résolution de l'équation de conservation, appelée deuxième loi de Fick, permet de calculer cette concentration.

∂∂

∂∂

Ct

DCx

ia

i=2

2

avec Da = Coefficient de diffusion apparent

° Cette équation peut aussi être utilisée pour déterminer un

coefficient de diffusion à partir des profils de concentration en chlorure en fonction du temps et de la profondeur sous la surface du béton.

• Lorsqu'on considère la diffusion des ions chlore dans un matériau

cimentaire, il faut apporter des modifications aux expressions précédentes pour tenir compte de l'interaction de l'ion avec le milieu.

° Le coefficient de diffusion est alors un caractéristique

évolutive qui dépend de la concentration en ions chlore, de l'âge, du degré d'hydratation et de la température.

• Les interactions sont décrites par un isotherme d'interaction qui

exprime la quantité d'ions chlore fixés à l'équilibre sur le solide, en fonction de la quantité d'ions chlore en solution.


° La deuxième loi de Fick doit alors modifiée pour tenir compte

de ces interactions (il s'agit en fait de la capacité de la pâte de ciment à fixer les chlorures qui y pénètre).

∂∂

ρ∂∂

∂∂

Ct

D

p pCC

Cx

i e

ss

i=+ −

( )1

2

2

avec ∂∂CC

s = Capacité de fixation (pente de l'isotherme d'interaction)

De = Coefficient de diffusion effectif P = Porosité ρs = Masse volumique

° Des modèles mathématiques sont actuellement en cours de

développement pour tenter de simuler le processus de pénétration des ions chlore en fonction du temps. Ces modèles sont basés sur la connaissance du coefficient de diffusion du béton exposé aux ions chlore: Ils prennent aussi en compte:

- La concentration initiale (à la surface) - La température - Les interactions chlore-pâte de ciment - Etc.

2.2.4 La perméabilité au gaz du béton (air ou O2)

• Pour certaines applications, la perméabilité au gaz du béton peut être une

propriété importante. Par exemple, elle constitue une propriété cruciale dans le cas des réservoirs de gaz naturel ou des enceintes de confinement des centrales nucléaires. On utilise aussi la perméabilité au gaz pour caractériser la perméabilité des matériaux réactifs avec l'eau (béton) ou très faiblement perméables (béton à hautes performances).

• Si un gaz pénètre à une pression P1 dans un échantillon de béton sec de

longueur L, et s'échappe à une pression P2 < P1, alors le flux de gaz Q est


régi par l'équation de DARCY en y ajoutant un terme qui tient compte de la compressibilité des gaz. Pour une discussion détaillée de la perméabilité au gaz du béton, on peut consulter l'ouvrage de Perraton [1992].

Q = -K.Aµ

.∆PL

.(P2 +P1)

2P1

avec Q = débit volumique du gaz de viscosité µ K = Perméabilité du milieu (s'exprime en m2) A = aire de la section d'écoulement ∆P = gradient de pression L = longueur d'écoulement P1 = pression à l'entrée P2 = pression à la sortie

n Paramètres d'influence • Le rapport E/C.

Le rapport E/C, en raison de son influence sur la structure du réseau de pores capillaires, exerce une grande influence sur la perméabilité à l'air. À la figure 2.27, on remarque que la perméabilité à l'air est particulièrement sensible à la valeur du E/C pendant les 7 premiers jours de l'hydratation. Ainsi, après 1 jour ou 4 jours, la perméabilité est réduite par un facteur 10 lorsque le rapport E/C passe de 0,70 à 0,40. La perméabilité des bétons avec un E/C faible est beaucoup moins sensible à la durée du mûrissement humide (Fig 2.27). Du point de vue de la perméabilité à l'air, les bétons avec un E/C


faible sont moins pénalisés par des conditions de mûrissement défavorables.

0 1 4 7 28

150

100

50

0

Initial moist curing period (d)

Intr

insi

c pe

rmea

bilit

y —

air

flow

(m2 ×

10-1

7 )W/C

0.70 0.62 0.55 0.47 0.40

Fig. 2.27 - Perméabilité à l'air du béton en fonction du E/C et de la durée du mûrissement humide.

[tiré de Dhir, R. K.; Hewlett, P. C. et Chan, Y. N. Near Surface Characteristics of Concrete: Intrinsic Permeability. Magazine of Concrete Research, Vol. 41, No 147, 1989, pp. 87-97.]

Puisque que la résistance à la compression est étroitement liée à la valeur du E/C, on trouve aussi qu'il existe une relation très nette entre la perméabilité à l'air et la résistance à la compression. La figure 2.28 présente des résultats obtenus avec tout un ensemble de bétons fabriqués avec ou sans ajouts minéraux (fumée de silice, cendres volantes) et avec des rapports E/L compris entre 0,26 et 0,80.

Compressive strength (MPa)

0

0.5

1.0

1.5

2.0

20 40 60 80 100

Oxy

gen

perm

eabi

lity

(m2

× 10

-16 )

2.5W/B = 0.80

W/B = 0.67 - 0.30

W/B = 0.26


Fig 2.28 - Perméabilité à l'oxygène de bétons fabriqués avec et sans ajouts minéraux (fumée de silice et cendres volantes). Note : W/B = E/L.

[tiré de Torrent, R. J. et Jornet, A. The Quality of the 'Covercrete' of Low-, Medium- and High-Strength Concretes. Proceeding of the Second International Conference on Durability of Concrete, ACI SP-126, Montreal, 1991, V.M. Malhotra Editor, pp. 1147-1161.]

Quelle que soit la composition du béton (rapport E/C, fumée de silice, cendres volantes), la résistance à la compression semble un bon indicateur du niveau de perméabilité à l'air. La perméabilité à l'air diminue très peu et semble atteindre une valeur minimale lorsque le rapport E/L devient inférieur à environ 0,30, ou lorsque la résistance à la compression dépasse 60 MPa (Fig 2.28).

• Les ajouts minéraux (fumée de silice et cendres volantes)

Les fumées de silice, utilisées en remplacement du ciment permettent généralement de diminuer la perméabilité à l'air du béton (Fig 2.29). Cet effet peu s'expliquer par le raffinement et la segmentation de la porosité capillaire engendrés par l'hydratation des sphères de fumée de silice (germes de cristallisation). Le taux de remplacement optimal se situe aux environs de 10%. Pour des taux de remplacement plus élevés, l'effet sur la perméabilité devient très faible.


Fig 2.29 - Effet du remplacement du ciment par de la fumée de silice sur la perméabilité à l'air du béton.

[tiré de Nagataki et Ujike 1986 Air permeability of concrete mixed with fly ash and condensed silica fume, ACI SP-91, p. 1049-1068].

Les cendres volantes utilisées en remplacement du ciment peuvent influencer la perméabilité à l'air du béton. On doit s'attendre à obtenir des effets très variables en fonction du type de cendres (type C ou type F). Selon Nagataki et Ujike, les cendres volantes diminuent la perméabilité à l'air si le taux de remplacement du ciment est inférieur à 10% ou 20% (Fig 2.30). Pour des taux de remplacement plus élevés (30% et 50%), les cendres volantes ont plutôt pour effet d'augmenter la perméabilité à l'air.

Fig 2.30 - Effet du remplacement du ciment par une cendre volante sur la perméabilité à l'air du béton.

[tiré de Nagataki et Ujike 1986 Air permeability of concrete mixed with fly ash and condensed silica fume, ACI SP-91, p. 1049-1068].

• La durée du mûrissement

La durée de la période de mûrissement influence fortement la perméabilité à l'air du béton. L'effet est bien visible sur les figures 2.27,


2.29 et 2.30 où on voit bien qu'une période de mûrissement plus longue diminue toujours très significativement la perméabilité à l'air.

Un mûrissement plus long favorise la formation d'une plus grande quantité d'hydrates qui viennent combler et fractionner davantage la porosité capillaire.

• Le degré de saturation du béton / type de mûrissement.

La perméabilité à l'air du béton est très sensible au degré de saturation de la pâte. Les pâtes, avec un degré de saturation élevé sont pratiquement imperméables à l'air ou au gaz. Cette perméabilité est donc très sensible aux conditions de séchage qui précèdent la mesure. Aux figures 2.29 et 2.30, on voit bien l'effet du séchage. Plus celui-ci est intense, plus la perméabilité augmente. Le type de mûrissement influence aussi directement le degré de saturation. Le mûrissement sous eau maintient les pores dans un voisin de la saturation. La perméabilité à l'air est donc plus faible (fig. 2.31). Les modes de mûrissement qui favorisent la désaturation des pores (mûrissement dans l'air par exemple) tendent à produire des bétons plus perméables aux gaz. Plus le rapport E/C est élevé, plus l'effet du mûrissement est important (fig 2.31)

Fig 2.31 - Influence du type de mûrissement sur la perméabilité à l'air du béton.


[tiré de Dhir et al. 1989 Near surface characteristic of concrete: Intrinsic permeability. Magasine of concrete research, Vol. 41, No 147, p. 87-97].

• Le niveau de microfissuration.

L'application de contraintes (traction, compression) peut engendrer une microfissuration qui peut faciliter le passage des gaz (fig 2.32). Cependant, on a déjà montré que seuls les niveaux de contrainte relativement élevés (> 60% de la résistance ultime) ont un effet significatif sur la perméabilité au gaz.

Attention. D'autres types de sollicitations peuvent aussi engendrer une microfissuration. !

- Cycles de mouillage séchage - Gradients thermiques, hydriques, etc. - Fatigue

Fig 2.32 - Influence du niveau de contrainte sur la perméabilité à l'air du béton (béton

léger: LW, béton normal: NW, E/C = 0,4 et 0,6). [tiré de Sugiyama et al. 1993 Effect of stress on chloride permeability in

concrete, Durability of Building Materials and Components 6, E&FN Spon, p. 239-248].


n Procédure et méthodes d'essai

• Il n'existe pas de norme ASTM spécifiquement conçue pour mesurer la perméabilité à l'air du béton. Il existe cependant une norme ASTM pour mesurer la perméabilité à l'air des roches (ASTM D 4525 - 85, Permeability of Rocks by Flowing Air - Fig. 2.33).

• Cette procédure est quelques fois utilisée pour mesurer la perméabilité à

l'air du béton.

• À L'Université de Sherbrooke, on utilise maintenant un perméamètre mis au point par Daniel Perraton. L'appareil permet d'effectuer une mesure sur des échantillons de 38 ou 95 mm de diamètre et de 50 mm de longueur (fig. 2.34).

L'appareil permet de mesurer très précisément le débit d'air sec passant au travers d'un échantillon soumis à une pression d'entrée P1 et une pression de sortie P2.

• L'influence des conditions de séchage de l'échantillon avant la mesure est

très grande.

Le défi consiste à éviter de fissurer l'échantillon lors du séchage. Il faut éviter d'utiliser des conditions de séchage trop violantes (étuve à 100 C° par exemple). À l'université de Sherbrooke on immerge des éprouvettes dans de l'isopropanol pendant 14 jours avant de les mettre sous vide à 60 °C jusqu'à masse constante.

• Pour obtenir la perméabilité K on effectue une série de mesures de Ka à

différentes pressions moyennes et on interpole la valeur K correspondant à une pression moyenne infinie (fig 2.35).


Fig 2.33 - Principe de la mesure de la perméabilité à l'air des roches selon la norme ASTM D4525-85.

Fig 2.34 - Principe de fonctionnement du perméamètre à l'air utilisé à l'Université de Sherbrooke.


KaKa Ka

Ka

K

1 / Pression moyenne

Fig 2.35 - Méthode de calcul pour déterminer la perméabilité K à partir des mesures de Ka.

2.2.5 La perméabilité à l'eau du béton

• Lorsque le fluide s'écoulant à travers le béton sous l'effet d'un gradient de pression est de l'eau, on utilise généralement le coefficient de perméabilité que l'on désigne par Kw. Il est défini par:

Kw = K. we/µe

avec we = poids volumique de l'eau (à 20 °C = 104 N/m3) µe = viscosité de l'eau (à 20 °C = 10-3 N.s/m2)

K = Perméabilité du matériau (équation de DARCY) Kw = Coefficient de perméabilité à l'eau (m/s)


Le rapport E/C exerce une très grande influence sur la perméabilité à l'eau de la pâte de ciment hydraté (Fig 2.36).


Plus le E/C est faible, plus la perméabilité de la pâte diminue. La chute est très rapide entre 0,7 et 0,6 puisque c'est dans cette plage que le réseau de pores capillaires devient discontinu.

Fig. 2.36 - Relation entre le coefficient de perméabilité à l'eau des pâtes de ciment totalement hydraté et le rapport E/C.

[tiré de Powers, T.C., Copeland, L.E., Hayes, J.C. et Mann, H.M. 1954 Permeability of Portland cement paste, Journal of American Concrete Institute, Vol. 51, N°. 3, p. 285-298.]

Comme pour la perméabilité à l'air, il existe un lien entre la perméabilité à l'eau et la résistance à la compression du béton. La figure 2.37 présente un ensemble de résultats obtenus avec un groupe de bétons contenant ou non des ajouts minéraux (FS ou CV). Les rapports E/L sont compris entre 0,25 et 0,45.

Pour les rapports E/C les plus faibles (<0,30), la perméabilté atteint des valeurs très faibles (< 5 x 10-14 m/s). En pratique, on peut considérer que ces bétons sont imperméables à l'eau.

On remarque qu'il y a une relation très nette entre la perméabilité à l'eau et la résistance à la compression. La perméabilité à l'eau diminue rapidement avec l'augmentation de la résistance. Cependant, pour des résistances supérieures à 55 MPa , la perméabilité évolue très peu et atteint un niveau très faible.


Compressive strength (MPa)

Wat

er p

erm

eabi

lity

(m/s

× 1

0-14

)0

5

10

15

20

25

30 40 50 60 70

0.45 0.38 0.33 0.30 0.25

W/B

Fig 2.37 - Perméabilité à l'eau de bétons fabriqués avec sans ajouts minéraux (fumée de silice et cendres volantes). Note : W/B = E/L.

[tiré de Armaghani, J. M.; Romano, D. C. et Larsen, T. J. Strength and Durability of Concrete in Florida. Proceeding of the Second International Conference on Durability of Concrete, Supplementary Papers, Montreal, 1991, V.M. Malhotra Editor, pp. 723-748.]

• La zone d'interface pâte-granulat

Pour un même rapport E/C, la perméabilité à l'eau du mortier ou du béton est généralement supérieure à celle de la pâte en raison de la zone d'interface pâte-granulat (Fig 2.38).

La zone d'interface pâte-granulat est généralement moins dense et plus poreuse que le reste de la matrice formée par la pâte de ciment hydraté. Elle présente souvent une plus grande densité de microfissures. Cette zone offre donc un chemin préférentiel pour le passage de l'eau, des gaz ou des ions.


Fig 2.38 - Influence du E/C et de la taille maximale des granulats sur le coefficient de perméabilité à l'eau des bétons.

[tiré de Concrete Manual, 8th Edition, U.S. Bureau of Reclamation, 1975, p. 37.]

• Les ajouts minéraux (fumée de silice et cendres volantes)

La fumée de silice permet de réduire considérablement la perméabilité à l'eau du béton. Cet effet s'explique, une fois de plus, par le fractionnement de la porosité capillaire. Le remplacement de 10% du ciment par de la fumée de silice rend pratiquement imperméable à l'eau un béton fabriqué avec un rapport E/L de 0,45 3.

Les CV n'ont pas toujours un effet positif sur la perméabilité à l'eau du béton.

Après 28 jours de mûrissement, les CV (20% à 30%) provoquent

généralement une augmentation de la perméabilité à l'eau (par rapport à un béton de référence). Cependant, à plus long terme (quelques mois), la

3 . PERRATON, D.; AÏTCIN, P.C. AND VÉZINA, D(1988) Permeabilities of silica fume concrete. ACI

Special publication SP-108, Detroit, pp. 63-84.


perméabilité des bétons avec CV devient généralement plus faible que celle du béton de référence.

Il faut s'attendre à ce que l'efficacité des CV soit très variable en fonction du taux de remplacement, de l'origine et du type de cendres.


Une période de cure humide plus longue réduit significativement la perméabilité à l'eau du béton (Fig 2.39).

L'influence de la durée du mûrissement devient de moins en moins importante à mesure que le rapport E/C diminue (Fig 2.39).

Fig 2.39 - Relation entre la perméabilité à l'eau , le rapport E/C et la durée de la cure initiale.

[tiré de Whiting, D. 1988 Permeability of selected concretes, Permeability of concrete, ACI SP-108, p. 195-222.]

n Procédure et méthodes d'essai

Il n'existe pas de procédure standardisée pour mesurer la perméabilité à l'eau du béton.


Chaque laboratoire possède sa propre procédure utilisant des appareils différents. Malgré tout, presque toutes les procédures sont basées sur le même principe qui consiste à appliquer une pression hydraulique à une extrémité d'un échantillon cylindrique et à mesurer le débit de percolation en régime permanent (Fig 2.40).

À partir du débit de percolation et des dimensions de l'échantillon, on peut déterminer la perméabilité (K) selon la loi de DARCY et finalement en tirer le coefficient de perméabilité (Kw).

Q

Béton

Diamètre

Longueur

Débit de percolation

P1

P2

Fig 2.40 - Principe de fonctionnement d'un appareil de mesure de la perméabilité à l'eau.

Le perméamètre utilisé à l'Université de Sherbrooke est dérivé d'un appareil similaire couramment utilisé en mécanique des roches. Ce type de perméamètre a l'avantage d'accommoder des éprouvettes de béton (carottes ou cylindres) de 150 ∞ 300 mm (φ ∞ L) (Fig 2.41).

Étant donné que cet appareil utilise des éprouvettes de béton de grande dimension, il permet d'avoir une mesure plus représentative de l'ensemble du béton, particulièrement si celui-ci a été fabriqué en utilisant des granulats relativement gros (diamètre maximal > 30 mm).


L'essai consiste à forcer un écoulement d'eau (radial) au travers de la structure d'une éprouvette de béton, et de mesurer, pour un gradient de pression donné, le débit d'eau percolé (voir le schéma de l'appareil). À partir du débit mesuré et du gradient de pression appliqué, on peut ensuite évaluer le coefficient de perméabilité à l'eau (Kw), en appliquant la formule suivante (dérivée de la formule des puits):

Kw = Q ln

D2D1

2 P Leff ∆P

où: Q = débit d'eau percolé pour une différentielle de pression DP (cm3/s) D2 = diamètre extérieur de l'éprouvette (mm) D1 = diamètre intérieur du trou central (mm) Leff = hauteur effective de l'écoulement (cm) Kw = coefficient de perméabilité à l'eau (cm/s) ∆P = différentiel de pression (cm d'eau)


Fig 2.41 - Principe de fonctionnement de l'appareil de mesure de la perméabilité à l'eau utilisé à l'Université de Sherbrooke.

2.2.6 La "diffusion" accélérée des ions chlore sous champ électrique

(méthode ASTM 1202)

La procédure ASTM C1202 (Electrical indication of concrete's ability to resist chloride pentration) est une des procédures d'essai les plus utilisées en Amérique du Nord pour estimer la capacité du béton à résister à la pénétration des ions chlore.

La résistance à la pénétration des ions chlore est indirectement estimée en mesurant la charge totale (en coulomb) qui passe au travers d'une éprouvette de béton (diam. 95 ∞ 50 mm) maintenue sous une tension électrique de 60 V pendant 6 heures. (Fig 2.42).

Cette procédure, relativement simple et rapide, ne donne qu'une estimation de la résistance à la pénétration des ions chlore en utilisant une mesure indirecte principalement basée sur la conductivité du béton. En dépit de cet inconvénient on a pu montrer que les résultats caractérisent bien le niveau de protection d'un béton contre la corrosion des aciers d'armature puisque la charge totale qui traverse


l'éprouvette est étroitement liée à la mobilité des ions et à la conductivité de la pâte de ciment 4 On a aussi montré qu'il existe une certaine corrélation entre la charge totale et la mobilité des ions chlore.

° En général, la pénétration des ions chlore est plus lente dans les bétons possédant une charge total plus faible (Fig 2.43).

° La pénétration des ions chlore devient très lente dans les bétons

possédant une charge totale inférieure à 1000 Coulombs (Fig 2.43).

Fig 2.42 - Principe de fonctionnement de l'appareil de diffusion accélérée des ions chlore ASTM C1202.

4 GAGNÉ, R.; LAMOTHE, P. AND AÏTCIN, P.-C. 1993Chloride-Ion Permeability of Different Concretes. Comptes

rendus de: 6th International Conference on Durability of Building Materials and Components, Omya, Jap0n, 10p.


Fig 2.43 - Relation entre la charge totale (91 jours) et la teneur en ions chlore dans des BHP avec et sans fumée de silice (4 ans d'exposition à l'extérieur).

[tiré de Gagné, R., Hénault, G et Marchand, J., C. 1998 In-situ and laboratory evaluation of chloride penetration and freeze-thaw durability of high-peroformance concrete slabs, Second International Conference on Concrete under Severe Conditions, June 21-24 1998, Tromso, Norway, 10 p.]

Le niveau de perméabilité peut être estimé en comparant la charge totale après 6 heures avec l'échelle de perméabilité proposée par Whiting. Ces valeurs s'appliquent à des bétons conservés 28 jours dans l'eau.

Charge totale après 6 heures Niveau de perméabilité Supérieure à 4000 Forte Entre 2000 et 4000 Moyenne Entre 1000 et 2000 Faible Entre 100 et 1000 Très faible Inférieure à 100 Négligeable



Ce type de mesure est particulièrement sensible aux faibles valeurs du rapport E/C. Comme le montre la figure 2.44, la charge totale varie relativement peu lorsque le rapport E/C est supérieur à 0,5. Elle chute cependant rapidement pour des rapports E/C inférieurs à 0,4 et devient presque négligeable lorsque le rapport E/C est de 0,25. Même s'il est toujours préférable de maintenir le mûrissement humide le plus longtemps possible, on doit faire remarquer que la charge totale des bétons à faible rapport E/C (< 0,30) est très peu affectée par des conditions de mûrissement défavorables.

0

2000

4000

6000

8000

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

Rapport eau / ciment

Cha

rge

tota

le a

près

6 h

eure

s (c

oulo

mb)

1 jour 7 jours

cure humide

Fig 2.44 Perméabilité rapide des ions chlores (charge totale après 6 heures) en fonction du rapport E/C et de la longueur de la cure humide.

[tiré de Whiting, D 1988. Permeability of Selected Concretes. Permeability of Concrete, ACI SP-108, Detroit, p. 195-224.]

• La résistance à la compression.

Une augmentation de la résistance à la compression provoque généralement une diminution de la charge totale après 6 heures (Fig 2.45). Pour un niveau de résistance inférieur à 50 MPa, on constate que la charge totale est très variable, notamment en fonction du rapport E/L et de la teneur en addition minérale.


Les cendres volantes et la fumée de silice permettent généralement de diminuer considérablement la charge totale après 6 heures. Pour un niveau de résistance supérieur à 50 MPa, la charge totale est beaucoup moins variable et est généralement inférieure à 1000 coulombs.

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

30 40 50 60 70Résistance à la compression (MPa)

Cha

rge

tota

le a

près

6 h

eure

s (c

oulo

mb)

0.45 0.38 0.33 0.30 0.25

E / L

Fig 2.45 - Relation entre la charge totale après 6 heures et la résistance à la compression du béton après 28 ou 91 jours.

[tiré de Armaghani, J. M.; Romano, D. C. and Larsen, T. J. 1991 Strength and Durability of Concrete in Florida. Comptes rendus de Second International Conference on Durability of Concrete, Supplementary Papers, Montreal, p. 723-748.]

• La fumée de silice.

Silica Fume (%)

Cha

rge

pass

ed (

coul

omb)

01000

2000

3000

40005000

6000

0 5 10 15 20

W C+SF

= 0.50

W C+SF

= 0.40

Fig 2.46 - Influence du dosage en fumée de silice sur la charge totale mesurée après 6h.

[tiré de Perraton, D.; Aïtcin, P.C. and Vézina, D. 1988 Permeabilities of silica fume concrete. ACI Special publication SP-108, Detroit, p. 63-84.]


La fumée de silice diminue très significativement la charge totale après 6h (Fig. 2.46). Le taux de remplacement otpimal est d'environ 10% puisque des taux de remplacement supérieurs ne produisent pas de réduction significative de la charge totale après 6h.

2.2.6 La diffusion des ions chlore

La pénétration des ions chlore est un mécanisme très complexe qui fait intervenir un très grand nombre de paramètres (Fig 2.47). Ces principaux paramètres sont :

• Le type d'environnement

- Le type de chlorures - La concentration en chlorures - Température - Humidité relative

• Les paramètres de formulation du béton

- Type de liant - Le dosage en liant --> Caractéristiques de la porosité - Le rapport E/L (volume, taille, tortuosité) - etc. Il existe une assez bonne corrélation entre le coefficient de diffusion et la perméabilité à l'air (Fig 2.48) Ces deux propriétés sont étroitement dépendantes des caractéristiques du réseau de pores capillaires (volume, dimension, connectivité, tortuosité) .


Fig 2.47 - Facteurs qui influencent la pénétration des ions chlore. [tiré de Jones, M. R. et al. 1993 Chloride resistant concrete, Concrete

2000, E&FN Spon, p. 1429-1444.]

Fig 2.48 - Relation entre la perméabilité à l'air et le coefficient de diffusion des ions chlore. [tiré de Tang, L. et Nilsson, L.-O. 1993, A study of the relationship between air

permeability and chloride diffusivity in concrete, Durability of building materials and components 6, E&FN Spon, p. 249-258.]

Les chlorures peuvent pénétrer la surface du béton par deux types de mécanismes de transport (Fig 2.47):


• Sorptivité capillaire

Les chlorures en solution sont d'abord "entraînés" dans la porosité en même temps que l'eau absorbée (lors des cycles de mouillage séchage par exemple).

• Diffusion en phase liquide.

Au-delà de la zone d'absorption la pénétration des chlorures s'effectue par diffusion.

Une partie des ions peuvent être "piégés" dans la pâte de ciment (Fig 2.49). Il existe deux mécanismes de captage des ions:

• Adsorption sur les surfaces internes des hydrates ou des pores.

• Interactions chimiques avec les aluminates pour former des chloroaluminates de calcium (sel de Freidel - C3A.CaCl2.10H2O) qui sont relativement peu dommageables.

Fig 2.49 - Mécanismes contrôlant la pénétration des ions chlore dans le béton. [tiré de Jones, M. R. et al. 1993 Chloride resistant concrete, Concrete

2000, E&FN Spon, p. 1429-1444.]


n Paramètres d'influence

• Le type d'environnement. Les mécanismes de transport sont fonction du type d'environnement (Fig 2.50).

• Les ions chlore pénetrent difficilement les bétons secs (A.1) • Les cycles de mouillage séchage facilitent la pénétration des ions

chlore par succion capillaire (A.2) • Les ions peuvent être entraînés par des gradients hydrauliques (A.3) • On peut retrouver des environnements combinant des gradients

hydrauliques et des gradients hydriques (A.4 et A.5)

Fig 2.50 - Profils de distribution des ions chlore en fonction des mécanismes de transport.

[tiré de Geiker et al. 1993 Design for durability: a case story Concrete 2000, E&FN Spon, p. 63-70.]


• Le rapport E/C

Le coefficient de diffusion augmente d'autant plus vite que le E/C est élevé. L'influence du E/C est particulièrement importante pour les E/C compris entre 0,5 et 0,7 (Fig 2.51).

Fig 2.51 - Influence du E/C et du mûrissement sur la coefficient de diffusion des ions chlore.

[tiré de Dhir, R. K. and Byars, E.A. 1993 PFA Cocnrete: Chloride diffusion rates, Magasine of concrete research, Vol. 45, No. 162, p. 1-9.]


Un mûrissement plus long permet de fractionner davantage le réseau de pores capillaire. On peut diminuer significativement le coefficient de diffusion en maintenant plus longtemps des conditions de mûrissement favorales (Fig 2.52).


Fig 2.52 - Influence du mûrissement sur le coefficient de diffusion relatif. [tiré de Bamforth, P.B. et Price W.F. 1993 Factors influencing chlorides

ingress into marine structures Concrete 2000, E&FN Spon, p. 1103-1118.]

• Les ajouts minéraux

Les cendres volantes, les fumées de silice et les laitiers diminuent très significativement le coefficient de diffusion des ions chlore (Fig 2.53 et 2.54).

Le remplacement de 10% à 20% du ciment par de la fumée de silice peut réduire de coefficient de diffusion par un facteur de 5 à 10, particulièrement si le E/L est relativement élevé.

L'effet des cendres volantes est plus faible. Elles ont néamoins un effet très significatif pour des taux de remplacement supérieurs à 20%. L'effet des cendres volantes est d'autant plus grand que le rapport E/C est élevé (ou la résistance en compression est faible) (Fig 2.54).


Fig 2.53 - Influence des additions minérales sur le coefficient de diffusion relatif. [tiré de Bamforth, P.B. et Price W.F. 1993 Factors influencing chlorides

ingress into marine structures Concrete 2000, E&FN Spon, p. 1103-1118.]

Fig 2.54 - Influence des cendres volantes sur le coefficient de diffusion des ions chlore dans le béton.

[tiré de Jones, M. R. et al. 1993 Chloride resistant concrete, Concrete 2000, E&FN Spon, p. 1429-1444.]

LES PERMÉABILITÉS · Université de Sherbrooke GCI 714 - Durabilité et réparations du béton 60...

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