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2.2 LES PERMÉABILITÉS 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). Université de Sherbrooke GCI Durabilité et réparations du béton 60 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 Methods of measuring the air and water permeability of concrete, Magazine of Concrete Research, Vol. 25 N. 85, p Université de Sherbrooke GCI Durabilité et réparations du béton 61 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). Kreijger 2 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 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: n La porosité La porosité La tortuosité et la connectivité Le degré de saturation C'est le rapport entre le volume de vides Vv et le volume total Vt d'un corps donné. Po = V v Vt 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 The skin of concrete: composition and properties, Matériaux et constructions, Vol. 17, N. 100, p Université de Sherbrooke GCI Durabilité et réparations du béton 62 S = V e Vv 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 Illustration de la différence entre la porosité et la perméabilité. [tiré de Nehdi, M 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. T 0 = L 2 avec L = Longueur moyenne du parcours Le = Longueur de l'échantillon L e Université de Sherbrooke GCI Durabilité et réparations du béton 63 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 Relation entre le rapport E/C et le temps de segmentation du réseau capillaire des pâtes de ciment Portland. [tiré de Powers, T.C 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 Université de Sherbrooke GCI Durabilité et réparations du béton 64 Plus le rapport E/C est faible moins il est nécessaire de former des hydrates pour segmenter la porosité capillaire (Fig 2.25) Fig Degré d'hydratation nécessaire à l'interruption de la continuité capillaire. [tiré de Powers, T.C 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. Université de Sherbrooke GCI Durabilité et réparations du béton 65 Fig 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.] 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. A µ. dp dz Université de Sherbrooke GCI Durabilité et réparations du béton 66 avec Q = débit volumique du fluide de viscosité µ K = perméabilité du milieu (m 2 ) A = aire apparente du matériau dp = gradient de pression dz 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. Université de Sherbrooke GCI Durabilité et réparations du béton 67 J = De C x i avec J = Flux (mol/cm 2.s) De = Coefficient de diffusion effectif (cm 2 /s) dc dx = 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. C t i = D a 2 C 2 x i 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. Université de Sherbrooke GCI Durabilité et réparations du béton 68 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). C t i = De p p ρ Cs + s ( 1 ) C 2 C 2 x i avec Cs C D e = P = ρ s = = Capacité de fixation (pente de l'isotherme d'interaction) Coefficient de diffusion effectif Porosité 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 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 Université de Sherbrooke GCI Durabilité et réparations du béton 69 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. A µ. P L.(P 2 +P 1 ) 2P 1 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 Université de Sherbrooke GCI Durabilité et réparations du béton 70 faible sont moins pénalisés par des conditions de mûrissement défavorables. 150 Intrinsic permeability air flow (m ) W/C Initial moist curing period (d) Fig 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 ] 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, Oxygen permeability (m ) W/B = 0.80 W/B = W/B = Compressive strength (MPa) Université de Sherbrooke GCI Durabilité et réparations du béton 71 Fig 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 ] 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. Université de Sherbrooke GCI Durabilité et réparations du béton 72 Fig 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 ]. 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 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 ]. 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, Université de Sherbrooke GCI Durabilité et réparations du béton 73 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 Influence du type de mûrissement sur la perméabilité à l'air du béton. Université de Sherbrooke GCI Durabilité et réparations du béton 74 [tiré de Dhir et al Near surface characteristic of concrete: Intrinsic permeability. Magasine of concrete research, Vol. 41, No 147, p ]. Le niveau de microfissuration. L'application de contraintes (traction, compression) peut engendrer une microfissuration qui peut faciliter le pas
