Modélisation de l’hystérésis hydrique dans les matériaux cimentaires et de son effet sur les transferts d'humidité

Modelling of sorption hysteresis and its effect on moisture transport within cementitious materials

• Auteur / Autrice : Zhidong Zhang
• Direction : Véronique Baroghel-Bouny
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Structures et Matériaux
• Date : Soutenance le 13/05/2014
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Département Matériaux - MAT (Paris) - IFSTTAR/MAST
• Jury : Président / Présidente : Lars-Olof Nilsson
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Véronique Baroghel-Bouny, Mickaël Thiery, Peter McDonald, Bruno Huet, Jean-Michel Torrenti
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alain Sellier, Jan Carmeliet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Humidité dans les constructions

Hystérésis

Constructions en béton

Mots clés libres

Matériaux cimentaires

Transferts hydriques

Hystérésis

Isothermes de sorption de vapeur d'eau

Cycles d'humidification-Séchage

Simulation numérique

Cementitious materials

Moisture transport

Hysteresis

Water vapour sorption isotherms

Drying and wetting cycles

Numerical simulation

Résumé

La durabilité des structures en béton armé ainsi que leur durée de vie sont étroitement liées à la mise en œuvre simultanée de nombreux phénomènes physiques et chimiques. Ceux-ci sont de diverses natures mais restent, en général, fonction des propriétés hydriques des matériaux étudiés. Ainsi, la prédiction des dégradations potentielles d'un matériau cimentaire requiert l'étude du transport de l'eau liquide et des phases gazeuses à travers ce dernier, considéré comme un milieu poreux. En milieu naturel, les structures subissent des variations périodiques de l'humidité relative extérieure (HR). Cependant, la plupart des modèles de transfert hydrique préexistants dans la littérature, s'intéresse uniquement au processus de séchage. Il existe peu de modèles décrivant à la fois l'humidification et le séchage du matériau (ces deux phénomènes se produisent dans le matériau en condition naturelle d'humidité relative (HR)). Tenir compte des phénomènes d'hystérésis dans les transferts hydriques réduit à nouveau le nombre de modèles à disposition. Ainsi, cette thèse s'attache à proposer une meilleure compréhension de l'état hydrique du béton en fonction des variations d'humidité relative extérieure, sur la base d'une nouvelle campagne expérimentale et de modélisations numériques. Un soin sera apporté afin de tenir compte dans les modèles numériques des effets d'hystérésis. Dans ce travail, nous détaillerons, tout d'abord, un modèle multi-phasiques complet. Un modèle simplifié est obtenu, sur la base de considérations théoriques et de vérifications expérimentales dans le cas où la perméabilité intrinsèque à l'eau liquide reste très inférieure à la perméabilité intrinsèque au gaz. Une étude comparative des modèles d'hystérésis couramment utilisés permet d'obtenir un jeu de modèles proposant les meilleures prédictions d'isothermes de sorption d'eau et de leurs hystérésis. Par la suite, le modèle de transport simplifié est couplé avec les modèles d'hystérésis sélectionnés afin de simuler les transferts hydriques dans des bétons soumis à des cycles d'humidification-séchage. La comparaison avec des données expérimentales révèle que la prise en compte de l'hystérésis de l'isotherme de sorption d'eau ne peut pas être négligé. De plus, il est montré que les prédictions obtenues avec des modèles d'hystérésis théoriques, sont les plus cohérentes avec les résultats expérimentaux, en particulier, pour des chemins secondaires d'hystérésis. Plusieurs scénarios (conditions environnementales, bétons différents) sont également simulés. Les résultats obtenus pointent à nouveau la nécessité de tenir compte de l'hystérésis lors de la modélisation des transferts hydriques à travers des matériaux cimentaires soumis à des variations d'humidité relative. La définition d'une profondeur pour laquelle le profil hydrique du béton est modifié par les variations périodiques d'humidité relative permet de mieux comprendre comment la modélisation de la pénétration des espèces ioniques est influencée par les cycles d'humidification-séchage. Par ailleurs, notre analyse révèle qu'il est pertinent de considérer l'effet de Knudsen pour la diffusion de la vapeur afin d'améliorer la prédiction de la diffusivité apparente

The durability of reinforced concrete structures and their service life are closely related to the simultaneous occurrence of many physical and chemical phenomena. These phenomena are diverse in nature, but in common they are dependent on the moisture properties of the material. Therefore, the prediction of the potential degradation of cementitious materials requires the study of the movement of liquid-water and gas-phase transport in the material which is considered as a porous medium. In natural environment, structures are always affected by periodic variations of external relative humidity (RH). However, most moisture transport models in the literature only focus on the drying process. There are few researches considering both drying and wetting, although these conditions represent natural RH variations. Even few studies take into account hysteresis in moisture transport. Thus, this work is devoted to better understand how the moisture behaviour within cementitious materials responds to the ambient RH changes through both experimental investigations and numerical modelling. In particular, hysteretic effects will be included in numerical modelling. In this thesis, we first recalled a complicate multi-phase continuum model. By theoretical analysis and experimental verification, a simplified model can be obtained for the case of that the intrinsic permeability to liquid-water is smaller than the intrinsic permeability to gas-phase. The review of commonly-used hysteresis models enabled to conclude a set of best models for the prediction of water vapour sorption isotherms and their hysteresis. After that, the simplified model was coupled with selected hysteresis models to simulate moisture transport under drying and wetting cycles. Compared with experimental data, numerical simulations revealed that modelling with hysteretic effects can provide much better results than non-hysteresis modelling. Among different hysteresis models, results showed that the use of the conceptual hysteresis model, which presents closed form scanning loops, can provide more accuracy predictions. Further simulations for different scenarios were also performed. All comparisons and investigations enhanced the necessity of considering hysteresis to model moisture transport for varying relative humidity at the boundary. The investigation of moisture penetration depth could provide a better understanding of how deep moisture as well as ions can move into the material. Furthermore, the analysis revealed that the consideration of Knudsen effects for diffusion of vapour can improve the prediction of the apparent diffusivity