Umidità dei materiali da costruzione

La mesure de l'humidité des matériaux consiste à déterminer le pourcentage en poids de l'eau contenue dans la masse solide du matériau humide. Le pourcentage d'humidité est calculé à l'aide de l'équation suivante :

où « U » est le pourcentage d'humidité, « ma » est la masse de l'échantillon sec et « mu » est la masse de l'échantillon humide.
L'eau contenue dans un milieu se compose de deux parties. L'une est chimiquement liée aux substances dont le matériau est composé (l'eau d'hydratation ou de structure), l'autre est simplement absorbée dans les porosités du matériau (eau physiquement absorbée). L'eau de structure ne peut pas migrer du matériau et n'est donc pas une fraction intéressante pour la détermination de l'humidité et ne devrait donc pas être concernée par la mesure. L'eau absorbée, en revanche, correspond à la fraction excédentaire qui provient de facteurs externes au matériau et qui peut donc entraîner une pathologie de ce dernier.
Un autre paramètre très intéressant et caractéristique de chaque matériau est l'humidité physiologique (HP). L'humidité physiologique est le pourcentage d'eau présent dans le matériau en équilibre avec l'environnement à 20 °C et 50 % d'humidité relative. L’HP est donc la limite minimale spontanément atteignable par le matériau dans ces conditions.

L'importance de la détermination de cette grandeur physique est étroitement liée à la nocivité que l'eau peut exercer sur les matériaux ou les structures dans lesquels elle est présente. Dans le domaine des revêtements de sol et muraux en résine, les dommages résultant de la présence d'eau dans les supports sur lesquels le revêtement est posé consistent le plus souvent en un détachement du revêtement. La manifestation visible du détachement est la formation de bulles de vapeur ou d'eau entre la résine et le support. Ce phénomène peut se produire en raison de la nature généralement imperméable à la vapeur des revêtements en résine. En effet, la vapeur contenue dans le matériau sous forme d’humidité se retrouve piégée sous le revêtement et exerce une pression sur ce dernier en tentant de s’échapper naturellement vers l’air, créant un détachement. En outre, si l'humidité à l'interface entre le support et le revêtement se condense suite à une baisse de température, cela engendre également un effet de détachement du revêtement induit par la condensation. En fin de compte, la probabilité et l'ampleur du détachement dépendent à la fois de la teneur en humidité du support et de l'importance de la liaison entre le revêtement et le support (adhérence). Il existe un taux d’humidité limite, spécifique à chaque combinaison fond/revêtement, en dessous duquel la pose est considérée comme sûre et qui est indiqué, le cas échéant, dans les fiches techniques du produit de revêtement.


L’importanza della determinazione di questa grandezza fisica è strettamente connessa alla nocività che l’acqua può esercitare a carico dei materiali o delle strutture in cui è presente. Nel settore delle pavimentazioni e dei rivestimenti in resina il danno derivante dalla presenza di acqua nei supporti su cui si effettua la posa del rivestimento consiste il più delle volte nel distacco dello stesso.La manifestazione visibile del distacco è la formazione di bolle di vapore o acqua tra la resina e il supporto. Il fenomeno è possibile perché i rivestimenti resinosi sono in generale impermeabili al vapore. Ciò fa sì che il vapore che naturalmente evolve verso l’aria dal materiale in cui è contenuto sotto forma di umidità, rimanga intrappolato sotto il rivestimento e lì eserciti una pressione di distacco. Inoltre, se l’umidità all’interfaccia tra supporto e rivestimento si condensa per effetto dell’abbassamento della temperatura, si instaura anche una sorta di effetto distaccante della condensa a carico del rivestimento. In ultima analisi, l’eventualità e l’entità del distacco dipendono stettamente sia dal contenuto di umidità del supporto, sia dall’entità del legame tra rivestimento e supporto (adesione). Esiste un valore limite per l’umidità %, specifico per ciascun accoppiamento sottofondo/rivestimento, sotto il quale la posa è da considerarsi sicura ed è riportato, laddove importante, nelle Schede Tecniche del prodotto da rivestimento.
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L'humidité dans les matériaux provient de différents phénomènes physiques qui peuvent affecter l'enveloppe du bâtiment qui les contient. Les principales origines sont :

3.1 - la remontée d’humidité (du sol par capillarité) ;
3.2 - l'humidité de condensation (de l'air contenu dans le volume de la pièce) ;
3.3 - l'humidité d'infiltration (provenant des précipitations qui s'infiltrent dans l'enveloppe du bâtiment) ;
3.4 - l'humidité accidentelle (résultant de ruptures de tuyaux d’arrivée d’eau ou d'évacuation traversant le matériau concerné).
3.5 - l'humidité de construction (intrinsèquement présente sous forme d'eau de gâchage dans les matériaux à base de liants aériens ou hydrauliques, les mortiers, les enduits, le béton ou les chapes, ou dans le cas des agrégats ou briques, sous forme d'eau naturellement présente ou absorbée au cours des processus d'extraction, de fabrication ou de stockage).

Le pourcentage d'humidité est normalement donné par la combinaison de tous les facteurs ci-dessus, bien que, en général, chacun d'entre eux ait un poids différent en fonction du type et de l'âge du bâtiment examiné. Dans les bâtiments neufs, conçus et construits dans les règles de l’art, l'humidité résulte normalement de l'activité de construction et a tendance à diminuer au fil du temps à mesure que les matériaux s'assèchent. Dans les bâtiments anciens, en revanche, l'humidité provient de tous les autres facteurs et est due à des erreurs de conception ou à la détérioration des structures ou des matériaux de protection installés pour limiter l'absorption d'eau. Dans ce cas, elle pourrait ne pas évoluer favorablement si aucune contre-mesure n'est prise pour contrer la pénétration de l'humidité provenant de l'environnement extérieur au matériau.
Quelle que soit l'origine de l'humidité, l'important est que sa valeur soit mesurée avec précision avant la pose des revêtements en résine et que son évolution dans le temps soit contrôlée, surtout lorsque son origine est externe. Lorsque sa valeur se stabilise durablement en dessous du seuil indiqué dans la fiche technique du matériau de revêtement, celui-ci peut être posé.

Le temps de séchage d'un support dépend de la structure du matériau qui le compose et des conditions environnementales dans lesquelles il se trouve. En général, on constate que les matériaux très poreux (enduits déshumidifiants, briques en terre cuite, mortiers de chaux aérienne) mettent beaucoup moins de temps que les matériaux compacts (béton, mortiers bâtards, mortiers de ciment) à évacuer l'humidité qu'ils contiennent. Dans la pratique, il découle de cette observation que, par exemple, l'utilisation d'enduits à base de ciment n'est pas recommandée pour le revêtement de murs fondés sur un sol humide ou soumis à des infiltrations.
L’estimation du temps de séchage peut être utile pour planifier correctement la rénovation ou le revêtement de supports imprégnés d'humidité. La condition préalable est que l'absorption d'eau soit stoppée (installation de gaines imperméabilisantes, de solins, réparation des fuites de tuyaux, application d'une peinture imperméable, etc.) Il existe des formules mathématiques dans la littérature (Kettenacker) qui permettent de calculer grossièrement, à 20 °C et 50 % HR, le temps de séchage d’un support de sa valeur saturée (imprégnation complète) à sa valeur HP (humidité physiologique) à partir du moment où l'absorption d'eau est stoppée :

où :
t est le temps de drainage exprimé en jours
s est l'épaisseur de la maçonnerie exprimée en centimètres
p est le coefficient de drainage.

Le coefficient p dépend du matériau dont est constitué le support et est inversement proportionnel à la porosité du matériau. Les briques en terre cuite, les mortiers de liants aériens (chaux) et les enduits déshumidifiants ont des coefficients faibles car ils sont très poreux (pores nombreux et de grande taille). Le béton et les mortiers de liants hydrauliques ont des valeurs p élevées parce qu'ils sont peu poreux (pores peu nombreux et de petite taille). Le tableau 1 présente les valeurs p des matériaux de construction les plus fréquents.

un support en béton structurel de 40 cm d'épaisseur imprégné d'eau a besoin d'environ : t = 1,60 x (402) = 2560 jours pour sécher avec une humidité résiduelle égale à l’HP. Le même support en briques posées au mortier (où le mortier est une partie extrêmement mineure de la maçonnerie) a besoin d'environ : t = 0,28 x (402) = 448 jours pour sécher avec une humidité résiduelle égale à l’HP.

Les valeurs calculées sont purement indicatives et doivent nécessairement être corroborées par des mesures sur le terrain.

Les méthodes de mesure de l'humidité dans un matériau de construction peuvent être regroupées en deux macrocatégories : 5.1 - les méthodes directes, où la masse d'eau contenue dans l'échantillon est directement quantifiée par élimination chimique ou physique de cette dernière de l'échantillon de mesure. Dans les méthodes directes, il convient de prélever une quantité de matériau minime mais significative du support à examiner. De par leur nature, les méthodes directes sont les plus précises pour déterminer la teneur en eau des matériaux ; 5.2 - les méthodes indirectes, par lesquelles la quantité d'eau dans le matériau est estimée en observant des paramètres indirects connexes (généralement la conductivité électrique et la constante diélectrique). Bien que les méthodes indirectes présentent généralement l’avantage de ne pas nécessiter de prélèvement d'échantillons du support, elles sont en revanche moins précises car elles mesurent des propriétés qui ne sont pas toujours liées de manière reproductible à la teneur en eau du matériau. En général, les méthodes indirectes sont utilisées en tant qu’ « estimation rapide » de l'humidité résiduelle en attendant la détermination précise par la méthode directe.

consiste à mesurer la masse d'un échantillon de matériau prélevé du support d'essai avant et après un traitement thermique de séchage à une certaine température pendant une période d'environ 24 heures. Le choix de la température de séchage est crucial. En effet, il faut d'une part veiller à ce que l'eau physiquement absorbée dans le matériau soit libérée dans un délai raisonnable et, d'autre part, il faut éviter l'élimination de l'eau structurelle (celle qui est chimiquement liée aux composés qui constituent le matériau) et la dégradation chimique du matériau (décomposition thermique). En général, pour les matériaux de construction les plus courants, une température de travail de 105 °C est considérée comme efficace et prudente.
Le principal avantage de la méthode pondérale est qu'elle est universelle et permet de mesurer l'humidité indépendamment de la présence de sels ou de polluants dans le matériau. Elle est également très économique et permet d'effectuer des mesures sur n'importe quelle partie du matériau où un échantillon peut être prélevé. Les principaux inconvénients sont les suivants :
1 - nécessité d’inciser le matériau pour en prélever une partie ;
2 - nécessité d'effectuer le test en laboratoire car il nécessite une balance analytique (au centième de gramme près) et une étuve de séchage ;

exploite une réaction chimique entre le carbure de calcium (CaC²) et l'eau contenue dans l'échantillon à analyser. La réaction chimique en question est décrite ci-dessous :

Le carbure de calcium, un solide, réagit avec l'eau pour produire un gaz, l'acétylène (C2H²), et un autre solide, l'hydroxyde de calcium (Ca(OH)²). Si une quantité excessive de carbure de calcium est introduite dans la réaction, la quantité de gaz acétylène produite par la réaction ne dépend que de la quantité d'eau dans l'échantillon.
La réaction a lieu dans un récipient fermé (autoclave) dans lequel l'échantillon humide et le carbure de calcium sont intimement mélangés. Dans ces conditions, le gaz libéré par la réaction augmente la pression interne du récipient. La valeur de la pression dépend linéairement de la quantité de gaz produite et donc de la quantité d'eau dans l'échantillon. En mesurant la pression finale à la fin de la réaction, il est alors possible de déterminer exactement la quantité d'eau initialement présente dans l'échantillon.
Pour que la méthode soit efficace, l'appareil dans lequel la réaction a lieu doit :

1 - être parfaitement hermétique pour éviter toute fuite du gaz produit ;
2 - être équipé d'un manomètre pour la lecture de la pression ;
3 - contenir un système de broyage et de pulvérisation de l'échantillon afin que les réactifs, le carbure de calcium et l'eau, entrent en contact intime.
Pour effectuer la mesure, l'échantillon est prélevé et préparé selon la procédure simple suivante :
a - prélèvement mécanique : on prélève un fragment du matériau à mesurer directement sur le support, à l'aide d'un burin et d'un maillet ;
b - broyage de l'échantillon : à l'aide d'une plaque et d'un marteau, le fragment précédemment prélevé est réduit en poudre. Il est important d'effectuer l'opération rapidement, sans chauffer le matériau, afin d'éviter que de l'humidité ne s’échappe avant l’introduction du matériau dans l'autoclave ;
c - pesage de l'échantillon réduit en poudre : une fois l'échantillon pulvérisé, une certaine quantité de poudre est pesée avec précision. Cette étape est particulièrement importante car la pression mesurée ne peut être corrélée à la teneur en eau que si elle se réfère à un poids précis de l'échantillon introduit.

5.1.b.1. Sélection de la quantité d'échantillon à analyser :
la masse de l'échantillon introduite dans l'autoclave détermine la quantité d'eau amenée à réagir avec le carbure de calcium et donc la pression finale du gaz. Le manomètre a une échelle de pression limitée (généralement comprise entre 0 et 2 bar) pour des raisons de résolution et de précision de l'instrument. Pour obtenir des mesures valables, il faut que la pression du gaz dans l'autoclave soit aussi proche que possible du centre de l'échelle de mesure.

Le choix de la quantité d'échantillon à introduire devra donc nécessairement tenir compte de ce facteur. Comment choisir la bonne quantité ?
Les hygromètres au carbure sont généralement équipés d'un normogramme ou d'un graphique indiquant la quantité optimale à peser en fonction de la teneur en eau de l'échantillon. Certains appareils sont également équipés de manomètres multi-échelles qui indiquent directement la teneur en eau sur différentes échelles, chacune se rapportant à une quantité précise de l'échantillon pesé.
Quand on a une idée, même approximative, de la teneur en eau de l'échantillon, il est possible de choisir à l'avance la quantité d'échantillon et l'échelle de lecture du manomètre. Si, au contraire, l'échantillon est totalement inconnu, il est préférable de commencer par l'échelle la moins sensible et, si nécessaire, de répéter le test avec les échelles les plus sensibles.

5.1.b.2 Lien entre la pression relevée et la température de l'autoclave :
la détermination de l'humidité étant liée à la mesure de la pression d'un gaz, il est naturel que la température ait une grande influence sur le résultat. Les relevés devraient être effectués à 23 °C, mais les conditions environnementales sont souvent très différentes de cette valeur. Certains instruments sont équipés de bandes thermosensibles réversibles qui permettent de mesurer la température du corps de l'autoclave et fournissent des équations ou des graphiques permettant de corriger le % d'humidité en fonction de la température de travail.
Une fois que la quantité à introduire dans l'autoclave a été définie, la poudre est pesée et introduite dans l'autoclave en veillant à ne pas en renverser, à l'aide d'un pinceau pour bien vider la plaque. Un jeu de billes d'acier de différents diamètres et un flacon de verre contenant du carbure de calcium sont introduits. Après quoi, l'autoclave est hermétiquement fermé.
La simplicité de la méthode et le caractère élémentaire des opérations de préparation permettent de construire des hygromètres au carbure portatifs (pour les mesures sur le terrain) équipés d'outils simples pour effectuer les opérations préliminaires.

Légende :
1 - autoclave avec manomètre ;
2 - marteau, maillet et scalpel pour le prélèvement et le broyage ;
3 - plaque lourde pour le broyage ;
4 - jeu de billes d'acier ;
5 - flacons de carbure de calcium ;
6 - balance pour peser l'échantillon broyé ;

Une fois l'autoclave fermé, on commence à effectuer la mesure, qui comporte les étapes suivantes :
d - fermeture de l'autoclave : l'autoclave est fermé en faisant adhérer parfaitement le joint d'étanchéité au corps de l'autoclave. Il est important que la fermeture soit parfaite car toute fuite de gaz compromettrait la qualité de la mesure ;
e - agitation de l'autoclave : l'autoclave, une fois fermé, est agité vigoureusement afin que les billes d'acier qu'il contient brisent le flacon de carbure de calcium et permettent en même temps au carbure de se mélanger parfaitement et intimement à la poudre de l'échantillon. L'agitation sera effectuée à intervalles réguliers et sera, dans l'ensemble, prolongée suffisamment longtemps pour qu'une valeur de pression stable soit atteinte. Comme nous l'avons déjà décrit, des bandes thermosensibles réversibles sont généralement fixées au corps de l'autoclave pour indiquer la température, dont la valeur sera utilisée pour corriger le résultat ;
f - stabilisation de la pression et lecture du résultat : compte tenu du poids de l'échantillon introduit dans l'autoclave, de la température de travail et de la valeur de pression lue sur le manomètre, une fois l'indice stabilisé, la valeur de l'humidité de l'échantillon est déterminée à l'aide du normogramme joint à l'instrument. Pour les instruments équipés de manomètres multi-échelles spéciaux, la valeur de l'humidité en % est lue directement sur le manomètre sur l'échelle correspondant au poids de l'échantillon introduit.

Comme nous l'avons déjà décrit, si la valeur de la pression ou de l'humidité se situe au niveau de l'extrémité haute ou basse de l’échelle, il est conseillé de répéter la mesure en changeant le poids de l'échantillon introduit afin d'augmenter la sensibilité du relevé.

5.1.b.3 Inconvénients :
1 - nécessité de prélever des portions du matériau à analyser (méthode destructive) ;
2 - délicatesse du système d'étanchéité à la pression de l'autoclave (à vérifier périodiquement à l'aide du kit d'étalonnage) ;
3 - sensibilité extrême aux variations de température ;
4 - risque de sous-estimation de la valeur d'humidité en raison d'un broyage insuffisant de l'échantillon ;

La méthode au carbure doit être considérée comme la méthode de référence pour la détermination de la teneur en eau des matériaux de construction.

outre les méthodes directes, des méthodes indirectes sont également utilisées pour déterminer la teneur en eau des matériaux de construction. Bien qu'elles ne soient pas aussi fiables et précises que les premières, on les utilise en raison de leur caractère non destructif qui permet d'effectuer des tests directement sur la surface sans devoir prélever des fragments de matériau. En ce qui concerne ce qui précède, les méthodes indirectes sont essentiellement destinées à des déterminations préliminaires et d'orientation.
Les principales méthodes d'humidimétrie indirecte sont basées sur le lien entre certaines grandeurs électrostatiques (constante diélectrique et conductivité électrique) des matériaux et leur teneur en eau. Les dispositifs capables de détecter la variation de ces quantités sont :

a - les détecteurs à micro-ondes ;
b - les détecteurs de conductivité ;
c - les détecteurs capacitifs ;

Il ne nous est pas possible ici d'approfondir chacune des méthodes indirectes mentionnées jusqu'à présent.
Il existe cependant un principe commun sur lequel repose la mesure : l'humidité présente dans la matrice modifie les propriétés électrostatiques.
Plus précisément, la conductivité électrique et la constante diélectrique d'un matériau augmentent avec la teneur en eau.
Bien entendu, la constante diélectrique et la conductivité dépendent également de facteurs intrinsèques au matériau, tels que la composition et la structure de la matrice solide, facteurs qui sont totalement inconnus dans la plupart des cas.
Si les matériaux étaient tous identiques, ou si leurs propriétés électrostatiques étaient indépendantes de leur nature spécifique, il serait facile d'identifier une corrélation, même complexe, entre l'humidité et la capacité ou la conductivité du matériau.
Malheureusement, ce n'est pas le cas dans la réalité, et il faudrait donc théoriquement élaborer des milliers d'équations pour différents matériaux et structures. Cette opération étant évidemment impossible, il est nécessaire de regrouper les matériaux présents dans les supports de construction en macro-catégories (béton, bois, chape de sable et de ciment, etc.), ce qui simplifie les modèles, tout en renonçant à la précision des mesures.
C'est pourquoi les méthodes indirectes ne doivent pas être considérées comme définitives dans la mesure de l'humidité des matériaux, mais seulement comme préparatoires à la mesure pondérale ou la méthode au carbure.