2.3 - Les cycles de gel-dégel Flashcards
L’action des cycles de gel-dégel produit deux principaux types de détériorations du béton. Quels sont-ils?
- Fissuration interne
* Écaillage des surfaces
La fissuration internet et l’écaillage des surfaces ont-ils les mêmes processus pour origine et surviennent-ils nécessairement en même temps lorsque les bétons sont exposés aux cycles de gel-dégel?
Non, ils ont pour origine des processus différents et ne surviennent pas nécessairement en même temps.
Qu’est-ce que la fissuration interne et comment se manifeste-t-elle?
C’est une dégradation qui touche toute la masse de béton soumise à des cycles de gel-dégel. Elle se manifeste par l’apparition d’une intense microfissuration du béton non seulement en surface mais aussi à l’intérieur de la masse de béton soumise au gel.
De quoi dépend l’intensité de la fissuration interne dans un béton mal protégé?
- Nombre cycles de gel-dégel
* Sévérité des cycles (T min et max, taux de gel, degré de saturation)
Pourquoi la fissuration interne du béton diminue la performance du béton?
Parce qu’elle réduit considérablement ses caractéristiques mécaniques (résistances à la compression et à la traction, module élastique) et son imperméabilité. (Exemple : un béton fortement attaqué par le gel interne peut perdre presque toute sa cohésion)
En Amérique du Nord, l’écaillage de surface est le type de destruction par le gel le plus fréquemment observé sur les structures fortement exposées aux cycles de gel-dégel.
Quelle partie du béton est le plus touché par l’écaillage de surface et comment se manifeste-t-il?
Il touche surtout la surface du béton en contact avec le milieu externe (les premiers millimètres). Il se manifeste par le décollement progressif de petites particules de pâte qui ont souvent la forme de petites écailles.
L’écaillage de surface se produit principalement lorsque le béton est en contact avec des sels fondants.
Dans les pâtes saturées sans air entraîné, on mesure un gonflement lorsque la température s’abaisse au-dessous de -5 degré Celsius. Expliquez ce phénomène.
Ce gonflement est en partie provoqué par la formation de glace dans la porosité capillaire qui provoque une pression interne sur les parois des pores.
Si la pâte était sèche, que se passerait-il?
On observerait plutôt une contraction à peu près équivalente à la contraction thermique
Dans les pâtes avec air entraîné, que se passe-t-il?
On observe une forte contraction qui peut s’expliquer par la formation de glace dans les bulles d’air (à l’extérieur du corps poreux).
Dans les bulles d’air, la formation de glace peut se faire sans créer de pressions internes sur les parois car les bulles d’air ne sont pas pratiquement jamais remplies d’eau.
Par quoi est provoquée la contraction?
Par le départ de l’eau (retrait des hydrates) qui quitte la porosité des plus petits capillaires (ou les pores de gel) pour aller geler dans les bulles d’air ou dans les plus grands pores non complètement saturés.
De manière générale, la sensibilité au gel d’une pâte de ciment est étroitement liée à la quantité d’eau « gelable ». Cette quantité d’eau gelable est fonction de quoi? (3)
- Degré d’hydratation
- Température minimale atteinte
- Rapport E/C (qui contrôle en fait le volume total et la dimension des pores)
Le rapport eau gelable / eau évaporable (Wf/We) augmente en fonction du rapport E/C et de la température minimale atteinte. (Pour un E/C de 0.20, environ 30% de l’eau évaporable est gelable à -20 degré Celsius.)
Comment peut-on estimer expérimentalement la quantité d’eau qui gèle dans un béton?
À l’aide d’un calorimètre à basse température. Cet appareil permet de mesurer, en fonction de la température, la quantité de chaleur dégagée lorsque l’eau se transforme en glace. La quantité de glace formée est proportionnelle à la surface sous la courbe.
On constate qu’une réduction de E/C diminue significativement la quantité de glace formée. (E\C=0.25, moins de 10% de toute l’eau évaporable est gelable à -20 degré Celsius).
Quel est le comportement d’un béton sec face aux cycles thermiques? Pourquoi?
Il possède un bon comportement face aux cycles thermiques, parce que c’est l’eau qui est à l’origine de la plupart des désordres thermodynamiques qui peuvent engendrer la destruction du béton.
En l’absence d’eau, les risques de destruction sont donc très peu probables, quelle que soit la composition du béton.
En pratique, si le taux de refroidissement est suffisamment lent, on trouve qu’il existe un degré de saturation critique au-dessus duquel se produit une forte expansion lors du gel.Quel est-il?
0.90
Dans les pâtes à air entraîné, le degré de saturation critique est-il plus élevé ou plus bas?
Plus élevé (c’est bénéfique!)
Dans les pâtes sans air entraîné ayant un degré de saturation inférieur à environ 90%, pourquoi n’y aura-t-il pas de contrainte interne lorsque la glace se formera?
Les vides non complètement saturés, constituent un volume tampon dans lequel la glace pourra se former sans exercer de contrainte interne.
Est-ce que l’expansion des pâtes est uniquement attribuée à la formation de la glace expansive?
Non, on peut mesurer un gonflement dans des pâtes où toute l’eau est d’abord remplacée par du benzène (qui lui se contracte en refroidissant).
Par qui a été proposé le modèle des pressions hydrauliques? Quelle est cette théorie?
Powers en 1949.
Lorsque l’eau commence à geler dans un pore capillaire, son volume augmente de 9% et l’eau en excès doit être expulsée.
La formation de glace est graduelle en fonction de deux paramètres. Lesquels?
- Diamètre des pores
* Présence de substances en solution dans l’eau
La vitesse de refroidissement contrôle le taux de formation de la glace et, par le fait même la quantité d’eau expulsée du pore capillaire.
La formation de glace provoque une pression hydraulique qui est fonction de quoi?
• De la résistance à l’écoulement de l’eau dans la pâte.
De quoi dépend l’intensité de la pression hydraulique?
• De la longueur du trajet et de la perméabilité de la pâte située entre le pore qui gèle et un vide qui peut accepter l’eau expulsée.
Selon le modèle des pressions hydrauliques, les bulles d’air ont un rôle protecteur, car elles agissent comme vase d’expansion, où l’eau peut geler sans créer de dommages.
Lmax = longueur maximale du trajet que l’eau peut parcourir sans que la pression hydraulique, à l’intérieur du pore, surpasse la résistance à la traction de la pâte.Si la distance moyenne séparant 2 bulles d’air adjacentes est inférieure à la distance Lmax, le béton sera protégé contre les effets du gel.
Que se passe-t-il si les bulles d’air sont trop éloignées et que la distance à parcourir est supérieure à Lmax?
La pression engendrée à l’intérieur du pore sera supérieure à la résistance à la traction et il y aura fissuration de la matrice.
L’action répétée des cycles de gel entretient ce processus de fissuration et provoque un endommagement progressif qui généralement s’accélère en fonction du nombre de cycle de gel-dégel.
Qu’est-ce que le facteur d’espacement des bulles d’air ou indice des vides interstitiels?
Demie-distance moyenne séparant deux bulles d’air adjacantes. Pour protéger pâte de ciment (E/C = 0.5), demie-distance = 250 um.
Powers a commencé a douté de sa théorie quand il a observé que le gel d’une pâte bien protégée s’accompagne d’un retrait et non pas d’une légère expansion. Il en conclu que toute l’eau ne devait pas être expulsée hors des capillaires mais que les mouvements d’eau pouvaient se faire des pores de C-S-H vers les capillaires.
D’où provient le modèle des pressions osmotiques?
- De Powers et Helmuth en 1953 après qu’ils aient constaté que la théorie des pressions hydrauliques ne pouvait pas expliquer la contraction de la pâte (retrait), mesurée lors du gel.
- Ils avaient découvert que l’eau avait tendance à se diriger vers les sites de formation de glace (capillaire), plutôt que d’y être expulsée.
- Ils savaient aussi que le point de congélation de l’eau diminuait avec la taille des pores.
Sur quoi est fondée le modèle des pressions osmotiques?
• Sur le fait que l’eau des capillaires n’est pas pure puisqu’elle contient des substances en solution, notamment des ions alcalins (Na+, K+).
Lorsque la T s’abaisse au-dessous de 0 degré Celsius, l’eau des capillaires ne gèle pas immédiatement en raison de la présence de substances en solution dans l’eau et du faible diamètre des pores capillaires.
Sachant ceci, expliquer les étapes de formation de la glace.
- La formation de glace débute dans les plus gros pores.
- La concentration de la solution non-gelée augmente et le point de fusion de la glace s’abaisse en conséquence.
- Le même phénomène se produit, mais à des T plus basses, dans les plus petits pores, car leur faible diamètre nuit davantage à la formation de glace.
Donc, dans la période de gel, il y a un déséquilibre de concentration entre la solution plus concentrée dans les gros pores et celles dans les plus petits (y compris les pores de gel).
Dans la période de gel, il y a un déséquilibre de concentration entre la solution plus concentrée dans les gros pores et celles dans les plus petits (y compris les pores de gel). Le déséquilibre de concentration est à la base du phénomène d’osmose. Expliquez.
- L’eau des petits pores à tendance à se diriger vers les plus gros pour rééquilibrer les concentrations. Si le pore est plein, il se forme des pressions osmotiques qui peuvent faire fissurer la pâte.
- À mesure que l’eau arrive dans les plus gros pores, la concentration de la solution diminue ce qui entraîne la formation de glace supplémentaire, ce qui contribue alors à augmenter la pression.
- Le phénomène est de plus en plus prononcé avec la baisse de T car le gel peut pénétrer un plus grand nombre de petits pores.
Pour protéger la pâte, les bulles d’air doivent entrer en « compétition » avec les plus gros capillaires. Expliquer.
- Il y a généralement un peu d’eau dans les bulles et, en raison de leur grand diamètre, l’eau y gèle relativement tôt sur leurs parois. La solution qui reste non-gelée, devient de plus en plus concentrée et elle attitre l’eau des pores plus petits
- Si les bulles d’air sont assez rapprochées, elles gagnent la compétition et la pâte est protégée car l’eau se dirige principalement vers les bulles où elle peut s’accumuler sans créer de dommages.
