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L’humidité dans les matériaux de construction

La plupart des matériaux couramment utilisés dans la construction sont des matériaux poreux, c'est à dire qu'ils sont constitués d'une partie solide (la matrice) et d'air, contenus dans les pores. L'air et l'humidité peuvent circuler dans ce réseau. Les molécules d'eau vont donc pouvoir venir se déposer à l'intérieur du matériau. C'est ce qui explique le caractère hygroscopique de la plupart des matériaux du bâtiment. La courbe de sorption est la courbe qui décrit la quantité d'eau emmagasinée (taux d'humidité ou teneur en eau) dans un matériau en fonction de l'humidité relative. Elle est une caractéristique importante des matériaux quand on cherche à comprendre comment le matériau réagit en présence d'humidité.

Forme typique de la courbe de sorption d'un matériau hygroscopique

Domaine hygroscopique

Lorsque de l'air humide est en contact avec un tel matériau, les molécules d'eau viennent se déposer (sont adsorbées) à la surface des pores, d'abord en couche mono-moléculaire, puis pluri-moléculaire. À ce stade, l'eau adsorbée est peu mobile, mais la vapeur peut se propager au sein du matériau, en fonction de la différence de pression partielle de vapeur: on parle de diffusion (loi de Fick)^[1].

Domaine super-hygroscopique

Plus l'humidité relative de l'air augmente, plus la couche d'eau déposée sur la paroi du pore est épaisse: les pores les plus fins sont alors remplis : on parle de condensation capillaire. Quand suffisamment de pores sont remplis, l'eau peut se déplacer sous forme liquide dans le matériau. D'après la loi de Darcy, c'est la différence de pression qui cause le déplacement. En physique du bâtiment, l'effet de la gravité est le plus souvent négligeable par rapport à la force de capillarité ^[1], ^[2],^[3]. C'est donc la tension capillaire qui est le potentiel moteur principal. Ceci explique par exemple que l'on puisse observer des remontées capillaires dans des parois bien au-dessus du niveau du sol. On peut parler de déplacement par capillarité.

Tous les pores n'ayant pas la même dimension, seuls les plus fins sont déjà remplis : dans les autres, l'eau est encore présente sous forme de vapeur en équilibre avec un film adhérent à la surface du pore. Lorsque l'humidité relative s'approche de 100%, ou que le matériau est plongé dans l'eau, l'humidité du matériau atteint la teneur en humidité à saturation capillaire. L'humidité ne circule plus que sous forme liquide.

Domaine saturé

Le matériau peut toutefois, sous certaines conditions particulières, emmagasiner encore plus d'eau : c'est le domaine saturé. Lorsque le matériau est sous pression, ou bien qu'il y a de la condensation qui se produit, on force l'entrée d'eau liquide dans le matériau^[2],^[3]. On peut alors aller jusqu'à remplir tout l'espace poreux : c'est la teneur en eau maximale. Dans ce domaine, les déplacements d'humidité se font uniquement sous forme liquide.

Propagation de l'humidité

On distingue les propriétés vis-à-vis de la vapeur des propriétés vis-à-vis de l'eau liquide.

Article connexe : Étanchéité_(construction).

Résistance à la diffusion de vapeur

Même l'air oppose une certaine résistance au passage de la vapeur : on parle de perméabilité à la vapeur de l'air. Dans les matériaux, plusieurs facteurs augmentent cette résistance :

les molécules de vapeur entrent fréquemment en collision avec la matrice solide (effet Knudsen)
le réseau poreux possède une certaine toruosité, ce qui allonge la distance à parcourir pour les molécules

La résistance à la diffusion de vapeur est donc multipliée par rapport à celle de l'air. Le facteur multiplicatif est appelé facteur de résistance à la diffusion de vapeur du matériau, noté généralement µ. C'est un nombre adimensionnel. Plus ce chiffre est grand, plus le matériau est résistant à la vapeur. Ainsi, une laine minérale aura un μ proche de 1, un matériau pare-vapeur un μ de plusieurs centaines ou milliers. C'est une propriété intrinsèque du matériau.

Un autre nombre est parfois utilisé pour caractériser les produits du bâtiment : l'épaisseur d'air équivalent, notée Sd, et donnée en mètres. Elle indique l'épaisseur de la couche d'air qui aurait la même résistance que le produit. Par exemple, un pare-vapeur de Sd=20m présente la même résistance au transfert de vapeur qu'une couche de 20m d'air. C'est une caractéristique du produit, pas du matériau. Elle dépend de l'épaisseur. On l'obtient en multipliant le facteur de résistance à la diffusion de vapeur du matériau par l'épaisseur du produit.

$Sd=\mu \times \mathrm {{\acute {e}}paisseur}$

Conductivité liquide

Selon la structure poreuse du matériau, celui-ci va conduire, par capillarité, plus ou moins bien l'eau liquide. La loi de Jurin décrit la propagation de l'eau liquide dans un capillaire: la hauteur atteinte est inversement proportionnelle au rayon du pore. Autrement dit, plus un pore est fin, plus l'eau peut aller loin; plus un pore est large, moins l'eau monte. Dans un matériau, c'est tout le réseau poreux qu'il faut prendre en compte, qui peut comporter des pores de toute taille. La capacité d'un matériau de conduire l'eau est donc une caractéristique de ce matériau : elle est appelée conductivité liquide.

Effets en pratique

Condensation dans les parois

Dans les pays tempérés, en hiver, l'humidité intérieur (la pression de vapeur) est plus importante qu'à l'extérieur. La vapeur va donc migrer de l'intérieur (côté chaud) vers l'extérieur (côté froid). Si la vapeur peut entrer dans la paroi (c'est le cas quand les matériaux présentent une faible résistance à la vapeur), mais se retrouve ensuite bloquée côté froid par un matériau peu perméable, elle risque de condenser.

Accumulation d'humidité sans condensation

Même sans condensation, si un matériau est exposé suffisamment longtemps à une humidité relative élevée, il peut absorber une grande quantité d'humidité (voir la courbe de sorption). Cette teneur en eau élevée peut, selon les matériaux avoir des conséquences néfastes : éclatement suite au gel, corrosion, pourrissement...

Remontées capillaires

Lorsqu'une paroi est en contact avec un sol humide, elle va, par capillarité, s'imbiber d'humidité.

↑ ^{a et b} CSTB, Transferts d'humidité à travers les parois, 2009 (ISBN 978-2-86891-416-3, lire en ligne)
↑ ^{a et b} (en) Hartwig M. Kuenzel, Simultaneous Heat and Moisture Transport in Building Components : One- and two-dimensional calculation using simple parameters, Stuttgart, Fraunhofer IRB Verlag, 1995 (ISBN 3-8167-4103-7, lire en ligne)
↑ ^{a et b} (en) Martin Krus, Moisture Transport and Storage Coefficients of Porous Mineral Building Materials : Theoretical Principles and New Test Methods, Stuttgart, Fraunhofer IRB Verlag, 1996 (ISBN 3-8167-4535-0, lire en ligne)

Bibliographie

Elie El-Chakar, Transfert d'eau liquide dans les parois du bâtiment, Ecole nationale des ponts et chaussées - ENPC PARIS / MARNE LA VALLEE (thèse de doctorat), 1994 « thèses en ligne » (consulté le 17 février 2012)
Carl-Eric Hagentoft, Introduction to Building Physics, Studentlitteratur AB, 2001, (ISBN 978-9144018966)
Hugo Hens, Building Physics - Heat, Air and Moisture: Fundamentals and Engineering Methods with Examples and Exercises, Ernst & Sohn, 2007, (ISBN 978-3-433-01841-5)
Jean-François Daian, EQUILIBRE ET TRANSFERTS EN MILIEUX POREUX: Première partie : Etats d’équilibre, HAL, 2010, http://hal.archives-ouvertes.fr/docs/00/45/28/76/PDF/Transferts_en_poreux_I.pdf

[CSTB-1] {a et b} CSTB, Transferts d'humidité à travers les parois, 2009 (ISBN 978-2-86891-416-3, lire en ligne)

[Kuenzel-2] {a et b} (en) Hartwig M. Kuenzel, Simultaneous Heat and Moisture Transport in Building Components : One- and two-dimensional calculation using simple parameters, Stuttgart, Fraunhofer IRB Verlag, 1995 (ISBN 3-8167-4103-7, lire en ligne)

[Krus-3] {a et b} (en) Martin Krus, Moisture Transport and Storage Coefficients of Porous Mineral Building Materials : Theoretical Principles and New Test Methods, Stuttgart, Fraunhofer IRB Verlag, 1996 (ISBN 3-8167-4535-0, lire en ligne)

[1]

[2]

[3]