Courbe de rétention d’eau

L’objectif recherché de l’essai réalisé en cellule de pression est d’obtenir la courbe de rétention d’eau (CRE) qui est caractéristique fondamentale pour l’analyse du comportement des sols dans des conditions non saturées (cas de CEBC par exemple, voir la section 2.2). L’objectif est aussi d’obtenir différentes relations hydriques fondamentales permettant de décrire le comportement des matériaux déformables non saturés (Mbonimpa et al., 2006b, 2016). Dans ce cas, l’expression de la courbe de rétention d’eau en termes de degré de saturation sous l’effet de la succion (Sr (ψ)) est plus appropriée que les relations teneurs en eau gravimétriques ou volumiques en fonction de la succion (Mbonimpa et al., 2006b). Dans le cas de matériaux déformables sous la succion, la courbe de retrait décrivant la variation de l’indice des vides en fonction de la succion e (ψ) est requise pour obtenir la CRE exprimée en termes de Sr ().

Plusieurs équipements permettent de réaliser un essai de rétention d’eau, mais c’est la cellule de pression de 100 bars (10000 kPa) fabriquée par Soilmoisture Equipment Corp. qui permet de déterminer la CRE de matériaux déformables sous la succion. En effet, avec le changement de volume attendu des MSBs, l’utilisation de cet appareil permettra de faire en même temps le suivi du volume de l’échantillon après chaque valeur de succion appliquée. Le principe d’une cellule de pression est illustré à la figure 3-13.

Figure 3-13: Schéma de la cellule de pression (tiré de Saleh-Mbemba, 2010)

La base sur laquelle repose les échantillons est constituée d’une membrane cellulosique de fine porosité. Dans la cellule, les échantillons initialement saturés, placés dans des moules de forme circulaire, sont directement mis en contact avec la membrane de cellulose saturée. La membrane cellulosique a une pression d’entrée d’air assez élevée pour ne pas être désaturée par la pression maximale d’air (gaz) appliquée dans la cellule.

La figure 3-14 représente l’équipement et une partie de l’installation comprenant le circuit pneumatique. Le circuit gazeux dont l’alimentation des différentes voies se fait par une bonbonne contenant de l’azote comprimé comporte deux voies :

- Une voie comportant trois manomètres de pression maximale de 200 kPa, 1000 kPa et 2000 kPa respectivement ;

- Une deuxième voie pour des pressions élevées pouvant aller jusqu’à 9000 kPa contrôlée par le manomètre de la bonbonne de gaz.

Le principe de l’essai consiste à placer un échantillon dans la cellule et d’appliquer sur celui-ci une pression en ouvrant les valves contrôlant l’entrée d’azote. Cette pression sera maintenue au fil du temps et l’eau expulsée des échantillons sera contrôlée périodiquement jusqu’à ce que l’équilibre (plus de suintement d’eau) soit atteint. Ensuite on procède à l’ouverture de l’extracteur, fait les mesures nécessaires (masse et volume) sur l’échantillon avant d’appliquer un autre incrément de pression pour poursuivre le séchage du matériau.

Figure 3-14: Photographie illustrant la cellule de pression de 100 bars (10000 kPa) avec le circuit d’alimentation pneumatique pour l’application de la succion

L’essai est réalisé en suivant la procédure décrite par les normes ASTM D3152 - 72 et ASTM 6836 - 02 avec comme particularité délicate le monitoring du volume de l’échantillon à chaque palier de pression appliquée. La membrane cellulosique ayant une fine porosité est plongée dans un récipient rempli d’eau 24 heures avant le début de l’essai aux fins de saturation. L’échantillon est placé dans un moule (anneau) circulaire de diamètre moyen de 9 cm et d’épaisseur moyenne de 3 cm. En principe cette cellule de pression fonctionne peut fonctionner à la fois avec 12 cylindres (ou moules) de 5 cm de diamètre et de 1 cm de hauteur. Dans ce cas elle est mieux adaptée au matériaux fins. Étant donné que les MSBs étudiés comportent des particules grossières, des cylindres de diamètre et de hauteur plus grand étaient nécessaires. Comme l’essai a été fait sur la fraction granulaire de 14 mm, des moules de 9 cm de diamètre et de 3 cm de hauteur ont été utilisés pour être en accord avec la norme ASTM D5856-95 (2007) afin d'éviter la ségrégation du matériau et réduire la formation des chemins préférentiels lors de l’écoulement de l’eau.

La procédure de mise en place de l’échantillon dans l’anneau avec la quantité qu’il faut y mettre pour s’assurer de la saturation est la même que celle décrite pour les essais de retrait libre dans les moules (voir section 3.4.2) et est résumée comme suit :

- Placement du matériau dans l’anneau à l’aide d’une cuillère plate jusqu’à ce qu’il dépasse légèrement l’épaisseur de l’anneau tout en assurant de remplir toutes les parties sans emprisonner des poches d’air ;

- Rasage du matériau en excès à l’aide l’une barre d’acier ;

- Pesée de l’anneau contenant l’échantillon pour l’obtention de la masse initiale souhaitée pour un volume connu.

Une fois la mise en place des échantillons dans l’anneau terminée, les échantillons sont placés directement sur la membrane saturée à l’intérieure de l’extracteur (figure 3-15). Avec les moules utilisés, deux échantillons peuvent être testés simultanément. Pour obtenir des résultats plus représentatifs, deux séries de tests sont effectuées l’un après l’autre pour chaque mélange, avec une teneur en eau initiale moyenne pratiquement identique.

Après préparation des échantillons, l’expérimentation proprement dite consiste à appliquer un palier de pression jusqu’à ce que l’équilibre soit atteint. Plusieurs paliers de pression jusqu’à environ 9000 kPa, sont appliqués durant un essai. Une fois l’équilibre atteint, on relâche la pression, évacue l’air par le biais de la vanne de contrôle de l’air et l’échantillon est extrait rapidement de la

cellule dans le but de mesurer le volume de l’échantillon et d’effectuer une pesée de sa masse humide pour en déduire l’indice des vides ei, la teneur en eau massique wi et la teneur en eau volumique θi correspondants à la succion imposée ψi. Le volume de l’échantillon est déterminé en mesurant, avec le vernier, en plusieurs points, les dimensions (épaisseur et diamètre) de l’échantillon.

Figure 3-15: Échantillons de MSBs placés sur une membrane cellulosique dans une cellule de pression de 100 bars (10000 kPa)

CHAPITRE 4 RÉSULTATS EXPÉRIMENTAUX ET LEUR