Caractérisation des échantillons après la rupture

Le Tableau 5-3 présente les dimensions, la vitesse des ondes longitudinales et le module d’élasticité dynamique des échantillons avant les essais et après la rupture. La comparaison des dimensions montre la contraction importante des échantillons due au chargement. Le diamètre des échantillons est resté à peu près constant. On observe également une diminution de la vitesse des ondes longitudinales et du module d’élasticité dynamique. La diminution du module d’élasticité dynamique est d’environ 5% pour l’essai DV-1 et 20% pour l’essai DV-3. Cette diminution est plus faible que celle évaluée pour le module d’Young statique qui est d’environ 40% (Tableau 5-2 et équation (5-7)). Cela peut être attribué au fait que le module d’élasticité dynamique correspond à des niveaux de déformation très faibles.

Afin de mieux comprendre le mécanisme de l’endommagement et de la rupture de l’échantillon sous le chargement déviatorique, des observations microscopiques ont été réalisées. Pour une meilleure observation des microfissures de l’échantillon DV-1, un matériel colorant est utilisé sur la surface de

l’échantillon. L’échantillon préparé est présenté sur la Figure 5-11. On peut observer les petites fissures diffuses sur la surface de l’échantillon et aussi deux fissures longues.

DV-1 DV-3

Mesure Unité _Avant

Essai Après Essai Avant Essai Après Essai Diamètre mm 37,85 37,90 38,00 38,00 Hauteur mm 75,05 70,47 73,31 69,91

Vitesse des ondes m/sec 3389 3293 2903 2605

Module d’élasticité dynamique GPa 16,37 15,53 16,14 13,33

Tableau 5-3- Caractérisation de l’échantillon avant et après la rupture

Figure 5-11- Surface polie de l’échantillon DV-1 après la rupture

L’observation microscopique de l’échantillon DV-1 à l’aide de microscope électronique à balayage (MEB) montre une direction préférentielle de la fissuration. Les photos présentées sur la Figure 5-12 et la Figure 5-13 sont prises avec un agrandissement 50X. Les fissures observées sur ces images ont des longueurs entre 0,5 et 2,5mm.

Figure 5-12- Observation microscopique de la surface polie de l’échantillon DV-1 après la rupture

Figure 5-13- Observation microscopique de la surface polie de l’échantillon DV-1 après la rupture

La comparaison des photos prises avec différents agrandissements montre un effet d’échelle dans l’observation des fissures. Etant donné que différents chemins de contrainte sont appliqués sur cet échantillon avant la rupture, différentes familles de fissure sont produites et peuvent être observées. Le chargement isotrope produit des fissures diffuses, sans direction préférentielle, avec une longueur typique de 100 à 200 µm, tandis que le chargement déviatorique et la rupture de l’échantillon induisent des fissures avec une longueur plus importante, entre 1 et 2 mm avec une direction préférentielle (Figure 5-14).

Figure 5-14- Observation microscopique de la surface polie de l’échantillon DV-1 après la rupture – Effet de l’échelle de l’observation

L’observation microscopique de la surface polie de l’échantillon DV-3 après la rupture (Figure 5-15 et Figure 5-16) montre une fissuration sensiblement plus légère que l’échantillon DV-1. Les fissures observées sont moins nombreuses et de plus faible longueur. Ceci peut être attribué à la pression de confinement plus importante appliquée dans l’essai DV-3, 25MPa contre 10MPa dans l’essai DV-1.

Figure 5-15- Observation microscopique de l’échantillon DV-3 après la rupture

Figure 5-16- Observation microscopique de l’échantillon DV-3 après la rupture

La Figure 5-17 présente les détails des microfissures générées dans l’échantillon DV-3. On peut observer que la zone de contact entre les différents constituants de la microstructure du ciment est un

endroit favorable pour la génération des microfissures en raison de leur déformabilité différente. On observe des fissures générées au contact entre les grains anhydres et le C-S-H (a,b,d,i,k,l) et aussi au contact entre les C-S-H haute densité et basse densité (e,f,h). On peut aussi observer des fissures qui sont entièrement situées à l’intérieur du C-S-H haute densité (g) ou basse densité (c,j).

La compaction des échantillons sous l’effet de chargement peut être observée sur la Figure 5-18, ou des cristaux de portlandite formé dans un macropore sont comparés dans deux photos prises sur un échantillon sain et sur un échantillon après la rupture. Notons que les photos n’ont pas la même échelle. Ces photos ainsi que le raccourcissement très important des échantillons, présenté dans le Tableau 5-3, montrent la compaction très importante du ciment sous l’effet du chargement.

(a) (b) (c)

(d) (e) (f)

(g) (h) (i)

(j) (k) (l)

(a) échantillon sain (b) après la rupture

Figure 5-18- Effet de compaction de l’échantillon sur des cristaux de portlandite

5.5 Conclusions

1- Trois essais de compression déviatoriques drainés ont été réalisés à 90°C et les modules élastiques et les coefficients de Poisson ont été évalués dans les cycles de décharge-recharge et dans les phases de décharge après la rupture. Une bonne compatibilité entre les résultats obtenus est observée.

2- Les résultats des essais montrent la dégradation du module d’Young et du module de cisaillement au cours des essais déviatoriques. Cette dégradation résulte en une augmentation de coefficient de Poisson sous chargement déviatorique.

3- Les observations microscopiques des échantillons après la rupture montrent la fissuration des échantillons et également la compaction des échantillons sous l’effet du chargement. Ceci est compatible avec le raccourcissement important des échantillons sous chargement déviatorique. Les fissures observées dans l’échantillon DV-1 (pression de confinement 10MPa) sont plus nombreuses et plus longues que celles observées dans l’échantillon DV-3 (pression de confinement 25MPa).

4- Les observations microscopiques montrent que la zone de contact entre les différents constituants de la microstructure du ciment est un endroit favorable pour la génération des microfissures en raison de leur déformabilité différente. Ainsi on observe des fissures au contact des grains anhydres et du C-S-H ou au contact entre le C-S-H haute densité et le C-S-H basse densité.

5- On observe une diminution de la vitesse des ondes longitudinales et du module d’élasticité dynamique. Cette diminution du module d’élasticité dynamique est plus faible que celle évaluée pour le module d’Young statique, ce qui peut être attribué au fait que le module d’élasticité dynamique correspond à des niveaux de déformation très faibles

6- Un modèle d’endommagement très simple est proposé sur la base des résultats obtenus. Ce modèle décrit la diminution du module d’Young et du module de cisaillement en fonction de la déformation déviatorique plastique accumulée. Malgré le nombre limité des données expérimentales, les résultats du modèle proposé pour la description de l’endommagement du ciment sous chargement déviatorique sont acceptables.

5.6 Perspectives

L’étude préliminaire du comportement du ciment pétrolier sous chargement déviatorique présentée dans ce chapitre doit être complétée afin d’établir un critère de rupture. Cela nécessite de:

1- Poursuivre le programme des essais déviatoriques à 90°C en réalisant les essais sous des pressions de confinement plus importantes.

2- Réaliser les essais déviatoriques à d’autres températures afin d’étudier l’effet de la température sur les paramètres du critère de rupture.

Le modèle d’endommagement présenté dans ce chapitre peut aussi être amélioré et complété à l’aide des données de ces essais.