Water vapour adsorption and transfer in cement-based materials: a network simulation

Abstract

In this paper, we develop a discrete approach to describe the transport of condensable vapours through microporous substances such as cement-based materials. We consider only isothermal water migration under uniform atmospheric air pressure, at temperatures lower than 100°C with negligible gravity. The pore structure which is supposed to be representative of the material is built on a two-dimensional random network of tubes. The basic phenomena (adsorption-desorption, diffusion, condensation) that occur during water vapour transport in a single cylindrical pore under steady-state conditions are taken into account. We emphasize that capillary condensation can be expected, to cause vapour flow amplification of several orders of magnitude. This phenomenon provides us with a possible explanation of some experimental results.

Resume

L'étude des phénomènes de sorption et des mécanismes de transfert de la vapeur d'eau dans les matériaux microporeux est abordée en utilisant une approche hi⪻rarchisée à trois niveaux. Au niveau microscopique, nous décrivons pour un pore cylindrique les mécanismes fondamentaux: adsorption, désorption, condensation capillaire, diffusion, écoulement. Nous décrivons le transfert à travers un pore condensé par son équivalent en phase vapeur et nous mettons en evidence un phénomène d'amplification du flux de vapeur dû à la phase condensée.

Nous proposons ensuite une représentation, simplifiée de la microstructure à partir des modèles de réseaux avec une topologie bien définie: carré, triangulaire, hexagonale. En distribuant aléatoirment les pores élémentaires cylindriques sur les réseaux plans, nous pouvons estimer alors, à un niveau mésoscopique, les isothermes de sorption et la perméabilité à la vapeur qui sont des caractéristiques indispensables à la compréhension du comportement hydrique des matériaux.

Pour développer cette démarche nous nous référons au concept de percolation et nous, en utilisons, les principaux résultats. Pour estimer les isothermes d'adsorption nous utilisons, un modèle d'adsorption surfacique et la loi de Kelvin-Laplce. L'hystérésis apparaît naturellement à cause du phénomène de ‘bouteille d'encre’ et il est d'autant plus important que le réseau est mal connecté.

Nous faisons apparaître une forte variation de la perméabilité èquivalente avec l'humidité relative. Ce constat justifie un grand nombre de résultats expérimentaux. L'influence de la température sur les isothermes et la perméabilité est aussi abordée. Le niveau macroscopique (échelle de la paroi) n'est pas abordé dans ce travail.