Transfert des chlorures en milieu non saturé

La porosité du béton

Au cours de l’hydratation du ciment, des hydrates se forment dans les espaces situés entre les grains de ciment anhydres initiaux. Ce mode de remplissage original des vides crée un réseau poreux très complexe (Baroghel-Bouny 1994). La durabilité du béton est fortement liée à sa porosité, un béton qui présente une faible porosité est un béton qui offre des caractéristiques mécaniques plus importantes. En plus, la perméabilité et la diffusion qui sont deux processus de transport de la matière dans le réseau poreux dépendent de la porosité du béton et de sa connectivité, qui dit un béton moins poreux dit un béton qui résiste à la pénétration des agents agressifs.
Les pores dans la pâte de ciment durcie ont une géométrie très complexe et des dimensions variables, dans ce sens, nous pouvons distinguer deux grandes catégories de pores :
Pores capillaires : sont des macropores de taille D ›10-2 µm, constitués par des vides entre les hydrates et les anhydres, ils sont liés au rapport E/C.
Pores de gel : sont des micropores de taille D ‹10-2 µm, ils sont constitués par des vides dans les gels hydratés de C-S-H et les autres hydrates. Ils sont de nature très fine. Cette porosité peut se distinguer par trois types de pores selon la connectivité (Vichot, Ollivier et al. 2008) :
Pores interconnectés : Ils participent au transport de la matière dans le matériau, ils forment des chemins continus.
Pores fermés ou bras mort : Ce sont des pores qui communiquent avec l’extérieur, ils sont accessibles aux fluides, mais ils ne participent pas au transport.
Pores isolés :Ce sont des pores qui ne communiquent pas avec l’extérieur et ne participent pas au transport de la matière.

L’eau dans le béton

L’eau utilisée dans la formulation du béton remplit deux rôles essentiels : l’un physique lié à la rhéologie du béton et l’un chimique lié à l’hydratation du ciment. L’eau introduit lors de la confection du béton comme un composant essentiel facilite le coulage et le moulage du béton et aussi elle déclenche le processus d’hydratation du ciment qui ne peut pas avoir lieu en absence d’eau, alors l’eau participe au développement de la résistance mécanique du matériau, néanmoins son excès dans le béton développe des pathologies, par exemple : la baisse de la valeur de la résistance mécanique du béton, le ressuage et le retrait.
Aussi, l’eau dans le béton joue un rôle du pont qui facilite la pénétration des agents agressifs à l’intérieur du réseau poreux, ces agents peuvent affecter par conséquent la durabilité du béton et réduisent d’une manière significative la durée de vie du matériau. L’eau dans le béton peut être trouvée en cinq formes :
L’eau liée chimiquement :C’est l’eau consommée au cours de l’hydratation, elle est combinée avec d’autres composants dans l’hydrate, nous pouvons distinguer deux types ; l’eau hydroxylique où les OH se lient avec les atomes de Si ou Ca et l’eau de cristallisation (Baroghel-Bouny 1994).
L’eau adsorbée :Il s’agit principalement de l’eau adsorbée en couches moléculaires déposées sur la surface solide des pores soit dans une seule épaisseur (adsorption monomoléculaire), soit dans plus de couches (adsorption multimoléculaire). La formation de cette couche résulte de la présence des forces d’attraction exercées par la paroi solide sur les molécules d’eau. L’eau adsorbée peut être perdue par un séchage dans une humidité relative de 30% (Feldman and Sereda 1970).
L’eau interfeuillets :C’est l’eau associée à la structure de CSH, elle se trouve entre leurs feuillets. Elle ne peut être supprimée sauf sous un séchage D (Baroghel-Bouny 1994) vu sa forte fixation. La suppression de cette eau peut modifier la structure de la pâte de ciment.
L’eau capillaire :Elle remplit le volume poreux dont les pores ont un diamètre compris entre 5 et 50nm par une phase condensée au-delà de la couche adsorbée, cette couche est séparée de la phase gazeuse par des ménisques (lois de capillarité de Kelvin-Laplace) (Mehta 2005).
L’eau libre :Elle est constituée de la phase condensée qui n’est plus sous le champ d’influence des forces superficielles (elle est en équilibre avec la phase gazeuse par l’intermédiaire d’une interface plane). Cette eau occupe les pores larges dont le diamètre est supérieur à 50 nm. Selon (Mehta 2005), l’eau libre peut être classée comme une eau capillaire.
L’eau peut être aussi classée selon sa possibilité d’évaporation en deux catégories ; la première relative aux eaux non évaporables, elle comprend : l’eau adsorbée la plus liée, l’eau interfeuillets et l’eau chimiquement liée, une deuxième relative aux eaux évaporables, elle comprend : l’eau capillaire et l’eau adsorbée la moins liée (Baroghel-Bouny 1994).

Détermination d’isotherme de sorption et de désorption

A une température constante, la variation de l’humidité au sein d’une enceinte dans laquelle un échantillon de béton est mis en place conduit à : le matériau s’humidifie en gagnant du poids suite à l’augmentation de l’humidité dans le cas de sorption ou se sèche en perdant un poids suite à la diminution de l’humidité qui provoque une évaporation de l’eau liquide. La stabilisation du poids à chaque changement d’humidité permet de tracer des courbes donnant les teneurs en eau du matériau en fonction de l’humidité relative de l’environnement à une température constante.
Les isothermes d’adsorption et de désorption du même matériau ne sont pas identiques. Les deux cycles présentent une hystérésis (Saeidpour and Wadsö 2015), elle est due selon la littérature à la complexité de la structure des pores et aux plusieurs autres phénomènes. Pour un mortier en ciment portlandite ordinaire CEM I, (Saeidpour and Wadsö 2016) ont observé que le coefficient de diffusion de la vapeur d’eau dans la désorption est plus important que dans l’adsorption.

L’essai d’isotherme de fixation de l’humidité, forme et échelle du matériau utilisé

Plusieurs méthodes existent pour déterminer les isothermes d’adsorption, statique ou dynamique (Sing, Everret et al. 1985). La méthode la plus utilisée est la méthode gravimétrique, elle présente beaucoup d’avantages, elle est simple et fiable ; mais la durée de l’essai présente un inconvénient vu qu’elle nécessite une longue durée. En absence d’une normalisation qui définit les dimensions utilisées dans cette méthode, plusieurs chercheurs ont réduit la taille de l’échantillon afin de réduire la durée de l’essai.
L’auteur (Baroghel-Bouny 2007) a effectué des essais sur des échantillons dont l’épaisseur est de 3 mm et de diamètre qui varie entre 70-110 mm, avec une masse qui ne dépasse pas les 40 g. (Espinosa and Franke 2006) a utilisé des échantillons prismatiques dont l’épaisseur est de 5 mm. (Poyet 2009) a utilisé des disques de béton (4Ø×4) cm où la stabilisation de la masse à une température de 30°C a nécessité plus de 1200 jours. (Moreira, António et al. 2014) a utilisé des échantillons cylindriques d’un poids de 10g . (Ranaivomanana, Verdier et al. 2011) a utilisé des échantillons prismatiques de 7×3.5×0.5 cm.

L’influence de l’âge du béton

Une étude a été réalisée sur des pâtes de ciment de différents âges a montré que l’âge du matériau n’a pas une influence significative sur les isothermes, les courbe des trois durées de la cure 28 jours, 12 mois et 26 mois sont superposées (Espinosa and Franke 2006).
Les auteurs dans (Baroghel-Bouny, Perrin et al. 1997) ont préféré travailler sur des échantillons à l’âge d’un an, pour assurer la stabilité du matériau vis-à-vis des réactions de l’hydratation. Le choix de la durée de la cure est pertinent dans l’étude du matériau cimentaire, généralement la durée la plus optée dans les travaux de recherche est de 90 jours.

L’influence de la présence des chlorures

Lorsque les chlorures pénètrent à l’intérieur du réseau poreux du béton, ils peuvent réagir avec la matrice cimentaire, soit physiquement, soit chimiquement. La présence des chlorures peut modifier les propriétés de la solution interstitielle, qui influe par incidence l’équilibre vapeur liquide.
Dans le travail de recherche réalisé par (Bonnet and Perrin 1999), les auteurs ont étudié l’influence de la présence des chlorures de sodium dans la solution sur les isothermes d’adsorption d’humidité. Des courbes ont été tracées pour un mortier contenant différentes concentrations de chlorures. Les résultats ont montré qu’il y a un décalage entre les courbes présentant les isothermes pour un milieu neutre et les autres milieux . Ce décalage a été aussi observé par (Ben Fraj 2009). La présence des chlorures aussi provoque des fluctuations des pesées au cours de l’essai (Bonnet and Perrin 1999).

L’effet des ajouts minéraux (pouzzolane) sur la microstructure du béton

L’utilisation des additions minérales au ciment devient une nécessité pour confectionner les bétons modernes et durables à la fois. Plusieurs types d’additions peuvent être utilisés dont les plus connues sont la fumée de silice, les filaires calcaires, les laitiers des hauts fourneaux et la pouzzolane. Ce dernier est un matériau siliceux alumineux, il peut réduire la consommation de l’énergie de production lorsqu’il est ajouté au ciment, comme il peut améliorer les caractéristiques du matériau béton. (Elbahi and Hacene 2016) ont constaté que la substitution de 20% de pouzzolane peut augmenter la résistance à la compression à l’âge de 90 jours par 26% à peu près, comme il peut aussi réduire la porosité accessible à l’eau. Un pourcentage de 20% à 30% de pouzzolane dans le ciment peut réduire la perméabilité et donner une meilleure résistance aux attaques sulfatiques (Mehta 1981). La pouzzolane est un matériau qui améliore la durabilité du béton, il est capable de réduire le transport dans le béton par la réduction de la connectivité des pores (López and Castro 2010).
La pouzzolane a joué un rôle important dans la distribution des pores, où 20% de pouzzolane (à l’âge de 90 jours) a participé à la suppression des pores dont le diamètre est supérieur à 1000 Å et à l’évolution de pourcentage des pores dont le diamètre qui varie entre 45 Å-1000 Å, ce qui permet d’améliorer les aspects de la durabilité.

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Table des matières

Introduction générale
Partie I : Revue Bibliographique
CHAPITRE I : Le transfert dans le matériau cimentaire poreux
I.1 Introduction 
I.2 Présentation du matériau poreux (le béton)
I.2.1 La composition du béton
I.2.1.1 Les granulats
I.2.1.2 La matrice cimentaire
I.2.1.2.1 L’hydratation des silicates de calcium
I.2.1.2.2 L’hydratation des aluminates
I.2.2 La porosité du béton
I.2.3 L’eau dans le béton
I.2.3.1 L’eau liée chimiquement
I.2.3.2 L’eau adsorbée
I.2.3.3 L’eau interfeuillets
I.2.3.4 L’eau capillaire
I.2.3.5 L’eau libre
I.3 L’adsorption de la vapeur d’eau 
I.3.1 Les différents modèles d’adsorption
I.3.1.1 Adsorption en une couche mono moléculaire (La théorie de Langmuir)
I.3.1.2 BET (BRUNAUER-EMMETT-TELLER) 1938
I.3.1.3 Le modèle d’ARANOVICH
I.3.2 Les différentes formes de courbes d’isotherme d’adsorption
I.3.3 Détermination d’isotherme de sorption et de désorption
I.3.3.1 Le principe
I.3.3.2 L’essai d’isotherme de fixation de l’humidité, forme et échelle du matériau utilisé
I.3.3.3 Les paramètres influant l’isotherme d’adsorption de l’humidité
I.3.3.3.1 L’influence de la température
I.3.3.3.2 L’influence de l’âge du béton
I.3.3.3.3 L’influence de la présence des chlorures
I.4 Les paramètres clés dans l’étude du matériau cimentaire
I.4.1 L’influence de la température du séchage sur la porosité du béton
I.4.2 L’influence de la température sur les humidités relatives données par les solutions salines saturées
I.4.3 L’effet des ajouts minéraux (pouzzolane) sur la microstructure du béton
I.4.4 L’influence de la durée de la cure sur la porosité du béton
I.5 La durabilité du béton dans les milieux marins
I.5.1 Transfert des chlorures
I.5.1.1 La corrosion des armatures
I.5.2 Les indicateurs de la durabilité vis-à-vis de la corrosion des armatures
I.5.2.1 Le coefficient de diffusion des chlorures
I.5.2.2 La perméabilité
I.6 Conclusion
CHAPITRE II : Transfert des Chlorures
II.1 Introduction 
II.2 Diffusion
II.3 Transfert des chlorures en milieu saturé
II.3.1 Régime permanent
II.3.1.1 L’essai de diffusion naturelle
II.3.1.2 Essai de migration sous champ électrique (NTBUILD355) (Nordtest-method 1997)
II.3.2 Régime non permanent
II.3.2.1 Essai de l’immersion NT BUILD 443 (Nordtest-method 1995)
II.3.2.2 Essai CTH (CHALMERS TEKNISKA HOGSKOLA) NT BUILD 492 (Nordtest-method 1999)
II.4 Transfert des chlorures en milieu non saturé
II.4.1 Travaux de (Nielsen and Geiker 2003)
II.4.2 Travaux de (Ben Fraj 2009).
II.4.3 Les travaux de (Climent, de Vera et al. 2002; de Vera, Climent et al. 2007)
II.4.4 Les travaux de (Guimarães, Climent et al. 2011)
II.4.5 Travaux de (Daïan and Madjoudj 2001)
II.4.6 Synthèse sur les travaux présentés
II.5 Le Coefficient de diffusion
II.6 La fixation des chlorures 
II.6.1 Chlorures libres
II.6.2 Chlorures fixés
II.6.2.1 Adsorption physique
II.6.2.2 L’interaction chimique
II.6.3 La modélisation de la fixation des chlorures
II.6.3.1 Isotherme de Freundlich
II.6.3.2 Isotherme de Langmuir
II.6.3.3 Relation linéaire
II.6.4 Les méthodes de détermination des isothermes d’adsorption des chlorures
II.6.4.1 La méthode de TANG 1993 (Luping and Nilsson 1993)
II.6.4.2 La méthode d’extraction de la solution interstitielle des pores
II.6.4.3 La méthode de l’eau soluble
II.6.5 Les paramètres influents lors la fixation des ions chlore
II.6.5.1 L’influence du type du ciment
II.6.5.2 L’influence du rapport E/C
II.6.5.3 L’influence de la Température
II.6.5.4 L’influence des sulfates
II.6.5.5 L’influence du cation associé au chlore
II.6.5.6 L’influence de l’âge du béton
II.6.5.7 L’influence de l’état de saturation
II.7 Les paramètres influents lors de la pénétration des ions chlorures 
II.7.1 L’influence du ciment
II.7.2 L’influence de la température sur le transfert des chlorures
II.7.3 L’influence de la carbonatation
II.7.4 Les bétons exposés aux cycles de séchage / mouillage
II.8 La relation entre le temps et le taux de pénétration des chlorures
II.9 Détermination du front de pénétration des chlorures par la méthode colorimétrique
II.9.1 La procédure de Maultzsh
II.9.2 La procédure de Collepardi
II.9.3 L’utilisation de AgNO3
II.10 Conclusion
Partie II : Programme Expérimental et Résultats 
CHAPITRE III : Programme expérimental
III.1 Introduction 
III.2 Les matériaux utilisés
III.2.1 Ciment
III.2.2 Granulats
III.3 La composition du béton et sa maturation
III.3.1 La confection du béton
III.3.2 La cure des bétons
III.4 Le programme expérimental
III.5 Porosité accessible à l’eau 
III.6 Caractéristiques mécaniques de béton
III.7 Transfert des chlorures (La première partie) 
III.7.1 Préparation des échantillons
III.7.2 Préconditionnement des échantillons
III.7.3 Protocole de l’essai du transfert
III.7.4 Détermination de la teneur en chlorures
III.7.4.1 Grignotage
III.7.4.2 Filtration
III.7.4.2.1 Filtration des chlorures totaux
III.7.4.2.2 Filtration des chlorures libres
III.7.4.3 Titration des chlorures et détermination de la teneur en chlorures
III.8 Transfert des chlorures (Deuxième partie) 
III.8.1 Préconditionnement
III.8.1.1 Détermination des paramètres de saturation (étape 01)
III.8.1.2 Saturation des échantillons et la stabilisation de masse par les solutions salines saturées (étape 02)
III.8.2 Essai de transfert
III.8.3 Détermination de la teneur en chlorures
III.8.3.1 Grignotage
III.8.3.2 La titration des solutions
III.8.4 La concentration initiale des chlorures dans le béton
III.9 Détermination du front de propagation des ions chlorures
III.10 Isotherme d’adsorption d’humidité
III.10.1 Principe
III.10.2 La définition de l’état sec du matériau
III.10.3 Préparation des échantillons
III.11 Isotherme de fixation des chlorures
III.11.1 Méthode des équilibres
III.11.1.1 Principe
III.11.1.2 Préparation du matériau
III.11.1.3 Préparation des solutions
III.11.1.4 La mise en place
III.11.1.5 Le dosage des chlorures fixés
III.11.2 Méthode des profils
III.12 Conclusion 
CHAPITRE IV : Résultats expérimentaux, interprétations et analyses
IV.1 Introduction 
IV.2 Résistance à la compression et porosité accessible à l’eau 
IV.3 Transfert des chlorures 
IV.3.1 Première partie
IV.4 Deuxième partie
IV.4.1 Les profils de concentration des chlorures totaux
IV.4.2 Concentration maximale des chlorures
IV.4.3 La cinétique de la pénétration des chlorures
IV.4.4 Interprétation des résultats obtenus dans cette deuxième partie
IV.5 L’adsorption d’humidité 
IV.5.1 Solutions salines saturées
IV.5.2 La cinétique d’adsorption de l’humidité
IV.6 La fixation des chlorures 
IV.7 Détermination du coefficient de diffusion
IV.7.1 La relation entre le temps et le coefficient de transport
IV.7.2 La relation entre le coefficient de transport et l’humidité relative
IV.8 La détermination de l’isotherme d’adsorption de la vapeur d’eau 
IV.8.1 La détermination de la perméabilité relative du béton
IV.8.2 La relation entre le transfert des chlorures et l’état hydrique du matériau
IV.9 Isotherme de fixation des chlorures
IV.9.1 La méthode d’équilibre
IV.9.2 La méthode des profils
IV.9.2.1 Degré de saturation
IV.9.2.2 Humidité relative
IV.10 Front de pénétration des ions chlore 
IV.11 Conclusion 
Conclusion générale et perspectives 

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