Études de cas pratique

EGC

Analyse de la Porosité dans le Béton

Analyse et Contrôle de la Porosité dans le Béton

Analyse et Contrôle de la Porosité dans le Béton

Comprendre la Porosité du Béton

La porosité du béton, définie comme le rapport du volume des vides au volume total du matériau, est une caractéristique intrinsèque qui influence de manière significative ses performances et sa durabilité. Les pores peuvent être de différentes tailles et origines (pores capillaires, bulles d'air occlus ou entraîné, vides de compactage). Une porosité élevée tend à diminuer la résistance mécanique du béton, à augmenter sa perméabilité aux agents agressifs (eau, chlorures, CO2), et à réduire sa résistance aux cycles de gel-dégel. La mesure de la porosité accessible à l'eau est un essai courant pour évaluer la qualité du réseau poreux.

Données de l'étude

On réalise un essai de porosité accessible à l'eau sur un échantillon de béton durci.

Données de l'essai (selon la norme NF EN 12390-7 ou similaire) :

  • Masse de l'échantillon de béton séché à l'étuve jusqu'à masse constante (\(M_{\text{sec}}\)) : \(2350.0 \, \text{g}\)
  • Masse de l'échantillon saturé en eau après immersion et essuyage de la surface (état Saturé Surface Sèche - SSS) (\(M_{\text{SSS}}\)) : \(2485.0 \, \text{g}\)
  • Masse de l'échantillon saturé immergé dans l'eau (pesée hydrostatique) (\(M_{\text{imm}}\)) : \(1490.0 \, \text{g}\)
  • Masse volumique de l'eau à la température de l'essai (\(\rho_w\)) : \(998 \, \text{kg/m}^3 \approx 1.00 \, \text{g/cm}^3\) (on utilisera \(1.00 \, \text{g/cm}^3\) pour simplifier les calculs de volume en \(\text{cm}^3\)).
Schéma : Étapes de la mesure de porosité du béton
Béton Sec M_sec 1. Pesée Sec Béton SSS M_SSS 2. Pesée SSS Béton Immergé M_imm 3. Pesée Immergée

Principales étapes de la détermination de la porosité accessible à l'eau du béton.

Questions à traiter

  1. Calculer la masse d'eau absorbée par l'échantillon de béton (\(M_{\text{eau abs}}\)).
  2. Calculer le volume d'eau absorbée (\(V_{\text{eau abs}}\)), qui correspond au volume des pores accessibles à l'eau.
  3. Calculer le volume extérieur de l'échantillon de béton (\(V_{\text{ext}}\)) en utilisant la pesée hydrostatique.
  4. Calculer la porosité accessible à l'eau (\(P_a\)) de l'échantillon de béton, exprimée en pourcentage.
  5. Calculer la masse volumique apparente (ou bulk density) du béton (\(\rho_{\text{app}}\)) à l'état sec.
  6. Calculer la masse volumique absolue (ou densité des solides) du béton (\(\rho_{\text{abs}}\)).
  7. Quels sont les principaux facteurs de formulation du béton qui influencent sa porosité ?

Correction : Analyse et Contrôle de la Porosité dans le Béton

Question 1 : Masse d'eau absorbée (\(M_{\text{eau abs}}\))

Principe :

La masse d'eau absorbée par le béton est la différence entre la masse de l'échantillon à l'état Saturé Surface Sèche (SSS) et sa masse à l'état sec.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ M_{\text{eau abs}} = M_{\text{SSS}} - M_{\text{sec}} \]
Données spécifiques :
  • Masse SSS (\(M_{\text{SSS}}\)) : \(2485.0 \, \text{g}\)
  • Masse sèche (\(M_{\text{sec}}\)) : \(2350.0 \, \text{g}\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} M_{\text{eau abs}} &= 2485.0 \, \text{g} - 2350.0 \, \text{g} \\ &= 135.0 \, \text{g} \end{aligned} \]
Résultat Question 1 : La masse d'eau absorbée par l'échantillon de béton est de \(135.0 \, \text{g}\).

Question 2 : Volume d'eau absorbée (\(V_{\text{eau abs}}\))

Principe :

Le volume d'eau absorbée (qui est égal au volume des pores accessibles à l'eau) est obtenu en divisant la masse d'eau absorbée par la masse volumique de l'eau.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ V_{\text{eau abs}} = \frac{M_{\text{eau abs}}}{\rho_w} \]
Données spécifiques :
  • Masse d'eau absorbée (\(M_{\text{eau abs}}\)) : \(135.0 \, \text{g}\)
  • Masse volumique de l'eau (\(\rho_w\)) : \(1.00 \, \text{g/cm}^3\) (pour simplifier)
Calcul :
\[ \begin{aligned} V_{\text{eau abs}} &= \frac{135.0 \, \text{g}}{1.00 \, \text{g/cm}^3} \\ &= 135.0 \, \text{cm}^3 \end{aligned} \]

En \(\text{m}^3\) : \(135.0 \, \text{cm}^3 = 135.0 \times (10^{-2} \, \text{m})^3 = 135.0 \times 10^{-6} \, \text{m}^3 = 0.000135 \, \text{m}^3\).

Résultat Question 2 : Le volume d'eau absorbée (volume des pores accessibles) est \(V_{\text{eau abs}} = 135.0 \, \text{cm}^3\) (ou \(1.35 \times 10^{-4} \, \text{m}^3\)).

Question 3 : Volume extérieur de l'échantillon (\(V_{\text{ext}}\))

Principe :

Le volume extérieur de l'échantillon (volume total incluant les pores) peut être déterminé par la pesée hydrostatique. La différence entre la masse SSS et la masse immergée correspond à la masse d'eau déplacée par le volume extérieur de l'échantillon (poussée d'Archimède).

Formule(s) utilisée(s) :
\[ V_{\text{ext}} = \frac{M_{\text{SSS}} - M_{\text{imm}}}{\rho_w} \]
Données spécifiques :
  • Masse SSS (\(M_{\text{SSS}}\)) : \(2485.0 \, \text{g}\)
  • Masse immergée (\(M_{\text{imm}}\)) : \(1490.0 \, \text{g}\)
  • Masse volumique de l'eau (\(\rho_w\)) : \(1.00 \, \text{g/cm}^3\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} V_{\text{ext}} &= \frac{2485.0 \, \text{g} - 1490.0 \, \text{g}}{1.00 \, \text{g/cm}^3} \\ &= \frac{995.0 \, \text{g}}{1.00 \, \text{g/cm}^3} \\ &= 995.0 \, \text{cm}^3 \end{aligned} \]

En \(\text{m}^3\) : \(995.0 \, \text{cm}^3 = 995.0 \times 10^{-6} \, \text{m}^3 = 0.000995 \, \text{m}^3\).

Résultat Question 3 : Le volume extérieur de l'échantillon de béton est \(V_{\text{ext}} = 995.0 \, \text{cm}^3\).

Question 4 : Porosité accessible à l'eau (\(P_a\))

Principe :

La porosité accessible à l'eau est le rapport du volume des pores accessibles à l'eau (calculé à la question 2) au volume extérieur total de l'échantillon (calculé à la question 3), exprimé en pourcentage.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ P_a = \frac{V_{\text{eau abs}}}{V_{\text{ext}}} \times 100 \]
Données spécifiques :
  • Volume d'eau absorbée (\(V_{\text{eau abs}}\)) : \(135.0 \, \text{cm}^3\)
  • Volume extérieur de l'échantillon (\(V_{\text{ext}}\)) : \(995.0 \, \text{cm}^3\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} P_a &= \frac{135.0 \, \text{cm}^3}{995.0 \, \text{cm}^3} \times 100 \\ &\approx 0.135678 \times 100 \\ &\approx 13.57 \% \end{aligned} \]
Résultat Question 4 : La porosité accessible à l'eau de l'échantillon de béton est d'environ \(13.57\%\).

Quiz Intermédiaire 1 : Une porosité accessible à l'eau plus élevée dans un béton indique généralement :

Question 5 : Masse volumique apparente (\(\rho_{\text{app}}\)) du béton sec

Principe :

La masse volumique apparente (ou "bulk density") à l'état sec est la masse de l'échantillon sec divisée par son volume extérieur total (incluant les pores).

Formule(s) utilisée(s) :
\[ \rho_{\text{app}} = \frac{M_{\text{sec}}}{V_{\text{ext}}} \]
Données spécifiques :
  • Masse sèche (\(M_{\text{sec}}\)) : \(2350.0 \, \text{g}\)
  • Volume extérieur (\(V_{\text{ext}}\)) : \(995.0 \, \text{cm}^3\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} \rho_{\text{app}} &= \frac{2350.0 \, \text{g}}{995.0 \, \text{cm}^3} \\ &\approx 2.3618 \, \text{g/cm}^3 \end{aligned} \]

En \(\text{kg/m}^3\) : \(2.3618 \, \text{g/cm}^3 \times 1000 = 2361.8 \, \text{kg/m}^3\). On peut arrondir à \(2362 \, \text{kg/m}^3\).

Résultat Question 5 : La masse volumique apparente du béton sec est \(\rho_{\text{app}} \approx 2362 \, \text{kg/m}^3\).

Question 6 : Masse volumique absolue (\(\rho_{\text{abs}}\)) du béton

Principe :

La masse volumique absolue (densité des solides) est la masse de l'échantillon sec divisée par le volume des solides uniquement (volume extérieur moins le volume des pores accessibles à l'eau).

Formule(s) utilisée(s) :
\[ V_{\text{solides}} = V_{\text{ext}} - V_{\text{eau abs}} \] \[ \rho_{\text{abs}} = \frac{M_{\text{sec}}}{V_{\text{solides}}} \]
Données spécifiques :
  • Masse sèche (\(M_{\text{sec}}\)) : \(2350.0 \, \text{g}\)
  • Volume extérieur (\(V_{\text{ext}}\)) : \(995.0 \, \text{cm}^3\)
  • Volume d'eau absorbée (\(V_{\text{eau abs}}\)) : \(135.0 \, \text{cm}^3\)
Calcul :

Volume des solides :

\[ \begin{aligned} V_{\text{solides}} &= 995.0 \, \text{cm}^3 - 135.0 \, \text{cm}^3 \\ &= 860.0 \, \text{cm}^3 \end{aligned} \]

Masse volumique absolue :

\[ \begin{aligned} \rho_{\text{abs}} &= \frac{2350.0 \, \text{g}}{860.0 \, \text{cm}^3} \\ &\approx 2.73255 \, \text{g/cm}^3 \end{aligned} \]

En \(\text{kg/m}^3\) : \(2.73255 \, \text{g/cm}^3 \times 1000 \approx 2733 \, \text{kg/m}^3\).

Résultat Question 6 : La masse volumique absolue du béton est \(\rho_{\text{abs}} \approx 2733 \, \text{kg/m}^3\).

Question 7 : Facteurs de formulation influençant la porosité du béton

Explication :

Plusieurs facteurs liés à la formulation du béton ont un impact direct sur sa porosité finale :

  • Rapport Eau/Ciment (E/C) : C'est l'un des facteurs les plus critiques. Un rapport E/C élevé conduit à un excès d'eau qui, après évaporation, laisse des vides capillaires plus importants, augmentant ainsi la porosité.
  • Compacité des granulats : Une granulométrie bien étalée et optimisée des sables et graviers permet de minimiser les vides intergranulaires à remplir par la pâte de ciment, conduisant à un béton plus dense et moins poreux.
  • Dosage en ciment : Un dosage en ciment adéquat est nécessaire pour enrober les granulats et remplir les vides. Un sous-dosage peut laisser des vides, tandis qu'un surdosage peut augmenter le retrait et la fissuration si le rapport E/C n'est pas ajusté.
  • Utilisation d'adjuvants :
    • Les réducteurs d'eau/plastifiants/superplastifiants permettent d'obtenir une ouvrabilité donnée avec moins d'eau, réduisant ainsi le rapport E/C et, par conséquent, la porosité capillaire.
    • Les entraîneurs d'air introduisent volontairement de fines bulles d'air sphériques et déconnectées dans le béton. Bien que cela augmente la porosité totale, ces pores d'air entraîné améliorent la résistance au gel-dégel. Ils sont différents des pores capillaires ou des vides de compactage.
  • Qualité et type de ciment : La finesse du ciment et sa composition chimique peuvent influencer la structure du réseau poreux de la pâte de ciment hydratée.
  • Ajouts cimentaires (fumée de silice, cendres volantes, laitier) : Ces matériaux pouzzolaniques ou hydrauliques latents peuvent affiner la structure des pores en réagissant avec les produits d'hydratation du ciment, réduisant la taille des pores et la perméabilité.

La mise en œuvre (vibration, cure) influence également grandement la porosité finale (vides de compactage, dessiccation précoce).

Résultat Question 7 : Les principaux facteurs de formulation influençant la porosité sont le rapport E/C, la compacité des granulats, le dosage en ciment, et l'utilisation d'adjuvants (plastifiants, entraîneurs d'air, ajouts cimentaires).

Quiz Intermédiaire 2 : Un rapport Eau/Ciment (E/C) plus élevé dans une formulation de béton tend généralement à :

Quiz Rapide : Testez vos connaissances (Récapitulatif)

1. La porosité accessible à l'eau d'un béton est le rapport entre :

2. La masse volumique apparente d'un béton est généralement :

3. Une faible porosité dans le béton est généralement associée à :

Glossaire

Porosité
Rapport du volume des vides (pores) contenus dans un matériau au volume total de ce matériau, généralement exprimé en pourcentage.
Porosité Accessible à l'Eau
Fraction du volume total d'un matériau qui peut être remplie par l'eau sous des conditions d'essai spécifiques (généralement par immersion).
Masse Volumique Apparente (\(\rho_{\text{app}}\) ou \(\rho_b\))
Masse d'un matériau divisée par son volume total, incluant les vides internes et les pores. Pour un béton sec, c'est \(M_{\text{sec}} / V_{\text{ext}}\).
Masse Volumique Absolue (\(\rho_s\) ou \(\rho_{\text{abs}}\))
Masse des particules solides d'un matériau divisée par le volume de ces particules solides uniquement (volume de la matière solide, sans les vides).
État Saturé Surface Sèche (SSS)
État d'un matériau poreux (comme un granulat ou un béton) dont tous les pores accessibles sont remplis d'eau, mais dont la surface externe est sèche.
Eau Absorbée
Quantité d'eau contenue dans les pores accessibles d'un matériau à l'état SSS, par rapport à son état sec.
Perméabilité
Capacité d'un matériau à se laisser traverser par un fluide (liquide ou gaz) sous l'effet d'un gradient de pression. La porosité influence fortement la perméabilité.
Durabilité (du béton)
Capacité du béton à résister aux agressions physiques, chimiques et environnementales (gel-dégel, attaques par sulfates, carbonatation, etc.) tout au long de sa durée de service prévue.
Analyse et Contrôle de la Porosité dans le Béton - Exercice d'Application

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