Analyse de la structure poreuse du béton durci .1 Les différents types de pores

La matrice solide de la pâte de ciment durcie est constituée par les produits d'hydratation du ciment dont l'agencement détermine le réseau poral de la pâte de ciment. A la porosité de la matrice s'ajoute la porosité propre des granulats que nous considérerons comme une donnée, et la porosité de l'interface pâte / granulat appelée classiquement auréole de transition (Ollivier,

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1989a, 1989b ; Patel, 1985 ; Young, 1982), qui constitue un lieu privilégié d'accumulation de l'humidité. Son observation au microscope électronique à balayage montre en effet que la porosité présente un fort gradient au voisinage du granuîat, due vraisemblablement à un effet de bord (grain de ciment / granuîat) et au phénomène de ressuage interne qui accompagne la sédimentation des gros grains. Enfin, il est à noter (Ollivier, 1989a, 1989b) que le degré d'hydratation des grains de ciment et la disposition des produits d'hydratation au voisinage des granuláis ne sont pas forcément les mêmes que dans la pâte de ciment.

3.4.2 Dimension des pores

Quand on étudie la taille des pores, il est utile de garder en mémoire la taille de la molécule d'eau qui est de l'ordre de 0.1 nm ; c'est donc la taille des plus petits pores du gel. En effet, l'élément de base du gel (la maille) est la molécule de SiCL qui est une molécule tétraédrique de 0.3 nm de côté. Par association de plusieurs molécules de SiO- on pourra donc obtenir des pores de l'ordre de grandeur de la molécule d'eau lorsque, pour une raison ou pour une autre, un élément de la structure sera absent. Dans ce type de poref il est raisonnable de penser que les éventuelles molécules d'eau qui pourraient s'y trouver seront fortement liées au squelette (chimisorption) et ne participeront donc pas au séchage.

Si l'association d'éléments de base comporté des inclusions, comme par exemple des ions (Ca, Al, Fe), on peut considérer cette unité structurelle comme une nouvelle structure de base constitutive du gel, dont la taille est de l'ordre du nanometre. De même que précédemment, par association de ces unités structurelles on pourra obtenir des pores de l'ordre de grandeur du nanometre dès qu'un élément de la structure sera absent. On peut bien entendu reproduire le même type de démarche pour les tailles de pore directement supérieures, par association des structures précédentes. On obtient alors des structures fractales.

3.4.3 Procédés expérimentaux donnant accès à la distribution des pores et à la porosité totale

Si l'on souhaite avoir une vision correcte du réseau poral, il est nécessaire de connaître 3 types d'information différentes :

- la porosité totale

- la distribution des rayons de pores ; - la forme des pores.

Pour cela, l'expérimentateur dispose d'un assez grand nombre de moyens de mesure qualitatives et quantitatives :

1. Les méthodes optiques (microscopie électronique) qui présentent comme inconvénient majeur que, plus le pouvoir de résolution sera grand (gain de précision), plus le champ d'observation sera petit et donc difficilement représentatif de l'ensemble. Ainsi, les méthodes

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optiques donneront principalement des résultats qualitatifs sur la forme des pores ; î'anaîyse quantitative supposant à la fois une technique d'interprétation des images et un traitement statistique de l'information.

2. Les méthodes de mesure indirectes (adsorption, perméabilité, porosimétrie par pression) où la grandeur qu'il s'agit de déterminer est évaluée indirectement par l'intermédiaire d'une autre grandeur mesurable, utilisant une relation théorique laquelle peut également receler des possibilités d'erreur systématique.

Si l'on regarde de près les résultats obtenus par les différentes méthodes de mesure indirectes, on s'aperçoit qu'ils sont relativement disparates. De plus on sait maintenant que la préparation de l'échantillon à tester (dessiccation sous vide, séchage à 105°C etc..) endommage considérablement l'échantillon.

Par ailleurs, si l'on se penche plus en détail sur l'essai classique de porosimétrie au mercure (son traitement actuel donne une valeur de porosité totale : <J>, les dimensions des rayons des pores ainsi que leur répartition statistique (figure 1)), on constate qu'elle cumule les deux points négatifs suivants :

Figure 1 : Courbe typique de porosimétrie au mercure. Le béton présenté est celui de la centrale de Flamanville

Rayon des pores en  (=0,1 nm)

1. L'échantillon a subit une dessiccation sous vide

2. Lors du traitement des données, on fait implicitement une hypothèse a priori sur la forme des pores et la façon dont ils sont enchevêtrés : tous les pores sont de forme cylindrique et pour

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tous les pores de rayon r, il est possible de les relier à l'extérieur par un chemin ne comprenant que des pores de rayon supérieur. Cette méthode est donc liée à une erreur d'interprétation systématique que l'on ne peut pas prendre en compte. Cette hypothèse est très forte ; en effet, si par exemple une bulle d'air se trouve prisonnière au sein du béton et débouche seulement sur des capillaires très fins, la totalité du volume de la bulle sera comptabilisée dans les petits capillaires.

Remarque sur la signification d'une porosité totale

L'essai de porosité au mercure est censé fournir la porosité totale du matériau étudié par le quotient du volume de mercure qui a pénétré dans l'échantillon au volume total de l'échantillon.

Il existe cependant de nombreuses limites à relever concernant la mesure de la porosité totale : 1. Pour obtenir une porosité totale, il faudrait pouvoir sécher le matériau d'une façon complète

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(sans l'abîmer) et pouvoir atteindre les plus petits pores de l'ordre de 10 m alors que le

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porosimètre ne donne plus d'informations fiables en dessous de 300.10 m.

2. La mesure est d'autant plus critiquable que le matériau présente de fortes hétérogénéités. En effet, l'échantillon étudié se présentant habituellement sous la forme de quelques morceaux de plusieurs mm de rayon, si par hasard, notre échantillon comprend un granulat (resp. une bulle d'air), on obtiendra une porosité totale plus faible (resp. plus forte).

On préférera donc prendre comme mesure de la porosité une valeur donnée par la quantité d'eau introduite dans le malaxeur à laquelle on aura retranché la quantité nécessaire à l'hydratation, plutôt que de se référer à une mesure expérimentale de la porosité.

Dans les paragraphes qui vont suivre, il nous faudra donc considérer avec prudence les données relatives au réseau poral.