Comment les forces capillaires affectent la structure du ciment à différentes échelles
Publié par Adrien le 27/07/2019 à 08:00
Source: CNRS INSIS
La pâte de ciment est un milieu poreux multi échelle qui, au cours de sa durée de vie, peut subir une grande variation de son degré d'humidité. Il en résulte des contraintes capillaires, sources de possibles déformations du matériau. Des chercheurs du Laboratoire de mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de...) et génie civil (Le Génie civil représente l'ensemble des techniques concernant les constructions civiles. Les ingénieurs civils s’occupent de la conception, de...), en collaboration avec l'International Research Laboratory et le MIT, ont créé un modèle pour simuler ces contraintes et évaluer leurs conséquences sur le matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de...). Les résultats sont publiés dans la revue PNAS.


© Katerina Ioannidou, et al. Vue rapprochée du réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un petit filet), on appelle nœud (node) l'extrémité...) de pores d'un échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents domaines :) de ciment (Le ciment (du latin caementum, signifiant moellon, pierre de construction) est une matière pulvérulente, formant avec l’eau ou avec une solution...).

Parmi les facteurs qui contribuent à la dégradation des bâtiments et des constructions en béton (Le béton est un matériau de construction composite fabriqué à partir de granulats naturels (sable, gravillons) ou artificiels (granulats légers) agglomérés par un liant.), l'exposition aux précipitations et à l'humidité (L'humidité est la présence d'eau ou de vapeur d'eau dans l'air ou dans une substance (linge, pain, produit chimique, etc.).) ambiante joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les mâchoires. On appelle aussi joue le muscle qui sert principalement à ouvrir et fermer la...) un rôle important. En effet, la pâte de ciment est un matériau poreux multi échelle (la taille des pores s'étend de 1 nm jusqu'au micron et au delà), et les variations du degré (Le mot degré a plusieurs significations, il est notamment employé dans les domaines suivants :) de saturation en eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) induisent des contraintes capillaires, sources de déformations, et potentiellement de dégradation du béton. C'est pour mieux comprendre ce phénomène que des chercheurs du Laboratoire de mécanique et génie civil (LMGC, CNRS/Université de Montpellier), en collaboration avec l'International Research Laboratory et le MIT, ont élaboré un modèle pour simuler la distribution du liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) dans la pâte de ciment en fonction du taux d'humidité relative, puis calculer les forces capillaires à l'échelle nanométrique et à l'échelle du micron, et finalement évaluer leurs conséquences sur la structure du matériau aux différentes échelles.

La méthode mise au point (Graphie) par les chercheurs repose sur la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent basée sur...) de la fonctionnelle (En mathématiques, le terme fonctionnelle se réfère à certaines fonctions. Initialement, le terme désignait les fonctions qui en prennent d'autres en...) de la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau pure à...) (DFT), issue de la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de la nature ;...) statistique (Une statistique est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'un échantillon. D'une façon générale, c'est le résultat de l'application d'une...), et qui décrit explicitement le couplage fluide-solide. Associé à un modèle de la structure granulaire du ciment précédemment développé par la même équipe, elle a permis de calculer la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf. les articles « force...) capillaire exercée sur chaque grain (En météorologie maritime: Un grain est un vent violent et de peu de durée qui s'élève soudainement et qui est généralement accompagné de précipitations. Il se produit généralement au passage d'une ligne...) de ciment.

Les résultats obtenus sur la réponse globale de la matrice cimentaire au champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) de contraintes capillaires montrent que des déformations irréversibles se produisent à l'échelle nanométrique, mais que la texture à l'échelle micrométrique n'est pas affectée par un séchage doux (i.e. quand l'humidité relative du ciment reste supérieure à 30%). Dans ce cas, les forces capillaires favorisent la relaxation de la structure du ciment, et sont plutôt bénéfiques pour la durabilité du béton. En revanche, dans des conditions de séchage extrêmes (humidité relative inférieure à 10%), l'effet des forces capillaires pourrait s'avérer destructeur (En programmation orientée objet, le destructeur d'une classe est une méthode lancée lors de la destruction d'un objet afin de récupérer les...).

En s'appuyant sur le même modèle de simulation, les chercheurs s'intéressent maintenant à des ciments de plus fortes densités que le ciment standard. Ils étudient également la possibilité de rendre les pores hydrophobes, afin d'améliorer la résistance du ciment aux cycles de gel/dégel.

Plus généralement, ces résultats sur la pâte cimentaire ouvrent la voie à la compréhension des contraintes induites par les phénomènes capillaires dans des milieux poreux hétérogènes, allant des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) de construction aux hydrogels et aux systèmes vivants, et plus globalement à l'étude de la poromécanique de milieux complexes multi-échelles.

Références:

Multiscale poromechanics of wet cement paste,
T. Zhou, K. Ioannidou, F.-J. Ulm, M. Z. Bazant, and R. J.-M. Pellenq.
PNAS, 22, 10652-10657 (2019)
DOI: 10.1073/pnas.1901160116
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