Etude de la diffusion des ions chlorures dans les bétons

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DETERMINATION DE LA PERMEABILITE INTRINSEQUE

La perméabilité d’un béton est, pour de nombreuses applications une caractéristique essentielle d’étude de la durabilité d’un matériau. Pour la mesurer, différentes méthodes ayant recours à un fluide percolant liquide ou gazeux existent. Comme elle est en règle générale faible (inférieure à 10-15m²), les mesures directes de perméabilité à l’eau sont délicates à mener, et exigent notamment un temps de mise en œuvre important pour atteindre un régime d’écoulement permanent. Les mesures de perméabilité utilisant un gaz comme fluide de percolation sont par contre, plus rapides et plus souples dans leur mise en œuvre et permettent diverses configurations d’essai s.
Cependant, la mesure de la perméabilité apparente comprise entre 10-18 et 10-15 m2 d’un béton, constitue l’essentiel des mesures. C’est le cas normal d’utilisation d’un perméamètre à charge constante de type CEMBUREAU tel qu’il est envisagé dans les différentes recommandations avec un écoulement visqueux auquel se superpose un effet de glissement.
A cet effet, et à l’issue du préconditionnement recommandée, les mesures de perméabilité au gaz ont été effectuées sur l’échantillon de béton ordinaire, à l’aide d’un perméametre disposant d’une gamme de pressions absolues allant de 1 à 6.105 Pa (1 à 6 bar).
Cependant, si l’on souhaite déterminer la perméabilité intrinsèque du matériau, c’est-à-dire une perméabilité indépendante de la pression de gaz, il est nécessaire de réaliser des mesures à quatre ou cinq pressions différentes comme le préconise l’AFGC (Baroghel et col., 2000).
Ainsi, cinq valeurs de pression d’injection ont été réalisées sur l’échantillon, en procédant par ordre décroissant pendant deux heures d’essai. A l’aide d’un débitmètre, le débit massique est enregistré automatiquement par une acquisition informatisé en (mV).
Le résultat des mesures est compatible avec la loi d’évolution de la perméabilité proportionnelle à l’inverse des pressions moyennes.
La majorité des perméabilités des bétons ordinaires étudiés et présentés dans la littérature s’étalent sur une plage située entre 10-18 m² et 10-17 m². Ainsi, le résultat obtenu de notre béton BO3, Kv = 3.13 10-17 illustre une bonne concordance.
Cette valeur demeure néanmoins conforme à celles obtenues par plusieurs auteurs qui ont utilisés le même dispositif d’essai au laboratoire GeM de l’IUT de Saint-Nazaire, notamment qui ont travaillé sur la perméabilité des bétons aux gaz à savoir : V. Picandet (2001) et Djerbi (2007) qui ont utilisé un béton ordinaire nommé BO45 de rapport E/C= 0.49 et de résistance à 28 jours 45.5 Mpa, ont trouvé respectivement une perméabilité intrinsèque de 1.8 10-17 m2 et 2.2 10-17 m2, aussi plusieurs essais menés par Choinska (2006) sur un béton BO25 de rapport E/C=0.6 et de résistance mécanique à 28 jours 26 Mpa a abouti sur une plage de perméabilité se situant entre 6 10-17 et 12 10-17 m2.
Etant donné que la perméabilité du béton est contrôlée par les propriétés de sa microstructure, celle ci dépend pour l’essentiel de la connectivité de la structure poreuse, tandis que la résistance en compression est essentiellement liée à la porosité globale du matériau.
A ce point, il est important de constater que la perméabilité d’un béton ordinaire à une relation avec la résistance mécanique; Cette constatation se retrouve lorsque l’on compare les résultats des auteurs cités précédemment avec celui de notre béton. En fait, le BO3 étudié à une résistance en compression de 34.50 Mpa avec une perméabilité de 3.13 10-17 m2 ce qui le met entre les deux bétons déjà cités (voir tableau V-4).
Tableau V-4 : Comparaison des perméabilités intrinsèques pour un béton ordinaire
Aussi, on voit que les bétons de faible rapport E/C offrent bien sûr une plus faible perméabilité que les bétons de rapport E/C élevé. aL perméabilité est fortement influencée par la présence de pores capillaires. Les bétons ayant un rapport E/C faible offrent une porosité plus raffinée et moins étalée, d’où une perméabilité plus faible.
Ensuite, afin de caractériser l’évolution de la perméabilité avec la résistance en compression, cette analyse montre bien qu’avec l’augmentation la perméabilité, la résistance mécanique diminue.
Par ailleurs, Abbas et col. (2000) ont démontré expérimentalement que les relations empiriques, qui ont pu être établies par d’autres chercheurs pour certains bétons entre la perméabilité et la résistance mécanique, ne peuvent pas être généralisées.
Cependant, la perméabilité du béton BO3 étudié est supposée supérieure à celle d’un béton d’ouvrage pour deux raisons. La première raison concerne le taux de saturation, qui est plus élevée dans un béton d’ouvrage. La deuxième est liée au processus expérimental du séchage qui peut entraîner un endommagement par effets thermiques Baroghel (1994) et Hearn (1999).
Néanmoins, l’échantillon de béton considéré dans cette étude à un taux de saturation presque nulle, ainsi que le même endommagement de s échage. Etant donné que nous nous intéressons plus particulièrement à la perméabilité intrinsèque, plutôt qu’à sa valeur absolue, la perméabilité de ce béton est considérée pour une valeur de référence dans l’analyse des résultats présentés par la suite.
Enfin, la perméabilité caractérise essentiellement la capacité de transfert dans la porosité capillaire (dimension supérieur à 10 nm) interconnectée d’un béton à traversé par des fluides sous un gradient de pression. Bien que la perméabilité d’un milieu poreux dépend fortement de sa porosité, d’autres paramètres du réseau poreux l’influencent également. Parmi ceux-ci, nous pouvons citer : la connectivité, la tortuosité, ainsi que la constrictivité du réseau poreux liée à la taille des pores (Choinska, 2006).
On constate par ailleurs, que l’essai du perméametre CEMBUREAU répond bien au besoin d’un résultat rapide pour qualifier un béton et pouvoir ainsi l’utiliser pour un ouvrage donné. Seulement le béton étudié doit respecter le critère de traitement thermique avant l’essai de perméabilité.
Cependant la perméabilité ne permet pas plus que la porosité du béton d’expliquer à elle seule les performances des bétons, particulièrement en environnement agressif tel un milieu chloridrique. Comme le montre le paragraphe suivant, une étude plus poussée menée sur la détermination d’un coefficient de diffusion fournit des informations fiables sur la durabilité et performance du matériau béton.

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ETUDE DE LA DIFFUSION DES IONS CHLORURES DANS LES BETONS

Tout comme la perméabilité, la diffusion est liée à la structure poreuse des bétons. Pour mieux comprendre le phénomène de diffusion, nous proposons dans ce paragraphe une prédiction du coefficient de diffusion effectif qui régit le déplacement physique des ions chlorure dans la solution interstitielle. Et d’étudier Les interactions physico-chimiques qui se créent entre les ions chlorures et la matrice cimentaire.

Evaluation du coefficient de diffusion des ions chlorure

L’essai de migration en milieu saturé sous champ électrique permet d’évaluer la diffusivité Dmig des chlorures dans le béton. Le coefficient de diffusion est calculé dans la zone ou la concentration en chlorures du compartiment aval augmente linéairement en fonction du temps (régime permanent). Ceci permet d’éliminer en outre l’influence sur le coefficient de diffusion des interactions des chlorures avec la matrice ciment.
L’évolution de la concentration de la quantité de chlorures arrivant au compartiment anodique en fonction du temps est déterminée par dosage titrimétrique, la pente de la droite de cette variation avec le temps permet de déterminer le coefficient de diffusion effectif Dmig correspondant à chaque type de béton testé, le temps de retard Tmig correspond à l’abscisse de l’asymptote linéaire tracée sur la phase de régime permanent.
La figure V- 4 illustre les résultats obtenus pour les trois bétons à matériaux locaux testés.
Chaque courbe présente deux régimes :
Le premier est un régime non stationnaire qui est défini par une variation non linéaire, la durée de ce dernier dépend de la nature du béton.
Le second est le régime stationnaire pour lequel le flux des ions chlorures devient constant.
A noter que le régime permanent a été considéré comme atteint pour un BO et BAP (respectivement pour un BHP) après environ 50 heures (respectivement 100 heures) d’essai, temps à partir de lequel les variations sur les points de calcul du flux sont inférieures à5%.
Figure V- 4 : Evolution de la concentration des ions chlorures en fonction du temps dans le compartiment aval pour trois types de béton (BO,BAP,BHP).
Les valeurs des coefficients de diffusion mesurés, ainsi que les temps de retard sont reportées dans le tableau V-5.
Tableau V – 5 : Comparaison entre les paramètres physiques des échantillons de bétons.

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