Chapitre 3 : Matériaux et méthodes
6- Echelle pluri-centimétrique
6.1- Mise en œuvre des coulis par injection et flushing
La mise en oeuvre du coulis dans l’échantillon de sable compacté est faite à partir du montage de la Figure 70. Le coulis de géopolymère est injecté en amont de la cellule triaxiale (cellule de mécanique des sols) et flushé par poussée de gaz (argon). Comme pour le dispositif à l’échelle centimétrique, la poussée est pilotée à l’aide d’un contrôleur de débit, et la pression à l’entrée de l’échantillon (Pi) est mesurée en continu. Les bornes de l’expérience sont la limite en pression maximale d’injection de 5 bars, et la limite supérieure en débit de 15 ln/min.Figure 70 : Schéma du montage d'injection et de flushing à l’échelle pluri-centimétrique.
Lors de l’injection, le débit de gaz (Qg)est fixé à une valeur de 0,2 ou 0,4 ln/min. Le débit de 0,4 ln/min a été utilisé sur les premiers échantillons, avec l’objectif d’avoir une injection suffisamment rapide pour éviter la sédimentation du métakaolin dans le réservoir amont. Cependant, les pressions d’injection de coulis mesurées pour ce débit ont dépassé la limite expérimentale (cf. résultats à la grande échelle). Nous avons diminué le débit à 0,2 ln/min, ce qui a permis d’avoir des pressions d’injection du coulis plus basses.
A partir de la valeur fixée de débit de gaz, le débit du coulis poussé par le gaz (Qc) va varier au cours de l’essai en fonction de la pression d’injection de gaz. On peut approcher cette variation avec la loi des gaz parfaits, qui donne la relation suivante :
𝑄𝑐 =𝑄𝑔𝑃0
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Où 𝑃0 est la pression en aval de l’échantillon et 𝑃i est la pression en amont du réservoir de géopolymère.
L’injection est considérée comme terminée lorsque la pression de gaz Pi exercée sur le coulis diminue significativement, voir Figure 71. Cette diminution signifie qu’une phase liquide continue, faite de coulis, a réussi à s’établir au travers de l’échantillon, jusqu’en aval. La pente de Pi(t) est alors principalement liée à la perméabilité au coulis du sable compacté (pas de comportement asymptotique).
Une fois le géopolymère injecté, pour que le flushing soit possible, l’entrée de la cellule triaxiale est modifiée en remplaçant le réservoir de coulis par la source de gaz, placée directement en amont de l’échantillon. Deux types de flushing sont testés :
(1) Un flushing doux, où le débit de gaz reste à 0,2 ln/min (uniquement utilisé avec un débit d’injection de 0,2 ln/min) pendant 15h, ou
(2) Un flushing fort, où le débit augmente de 1ln/min jusqu’à 10ln/min. Ce dernier
flushing est uniquement utilisé pour les coulis de géopolymère qui ne sont pas
sensibles aux forts taux de cisaillement.
Figure 71 : Courbe typique de pression amont Pi (appliquée en amont du réservoir de coulis, pour le pousser au travers de l’échantillon), en fonction du temps au cours d’une injection de
coulis.
6.2- Cure
Après injection et flushing, les échantillons de sable compacté sont placés en cure à 20, 40 ou 70°C pendant 1 à 33 jours. Cette cure est délicate, parce que, sans précaution, la manchette en latex très fine (0,3 mm) peut facilement se percer lors des déplacements des échantillons (de l’étuve au banc d’essai notamment). La mise en température favorise cet endommagement. De façon à éviter la dégradation des échantillons, un vide est refait dans les échantillons (pression de pore négative) lors des phases de confinement et
dé-0 500 1000 1500 2000 2500 P ressio n (m b ar) Temps (s)
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confinement, et un moule 3 pièces (en plastique) est mis en place autour de l’échantillon pendant toute la durée de la cure.
6.3- Caractérisation des performances des coulis
6.3.1- Mesure de perméabilité au gaz
La Section 3 détaille le protocole de mesure de perméabilité des échantillons de sable compacté à l’échelle pluri-centimétrique avant traitement.
Une fois l’injection, le flushing, puis la cure terminée, la perméabilité au gaz des échantillons est mesurée de la même façon. Cet essai est suivi d’un essai triaxial à rupture, comme suit.
6.3.2- Essai triaxial avec déviateur jusqu’à rupture
Figure 72 : Essai triaxial à rupture utilisé, illustration tirée de https://www.encyclopedie-environnement.org/sol/les-sols-pour-lingenieur/
L’essai triaxial est un essai courant en mécanique des sols. L’échantillon est placé sous un confinement hydrostatique donné p, superposé à une contrainte axiale (F/S) dans la direction verticale z, où F est la force verticale et S l’aire de la section initiale de l’échantillon (Figure 72).
La contrainte verticale est imposée à vitesse de déplacement constante jusqu’à rupture de l’échantillon par cisaillement. Les mesures lors de l’essai sont le déplacement vertical et la force F. La déformation verticale est déduite comme le rapport entre le déplacement vertical et la hauteur initiale de l’échantillon, et elle est souvent exprimée en %.
Deux types de comportement sont susceptibles d’être observés :
- Pour un matériau dense, la rupture est marquée par un plan de cisaillement localisé, incliné par rapport à la verticale. La courbe entre la contrainte verticale (𝐹/𝑆) et la déformation présente un maximum de contrainte (ou pic) avant d’atteindre une asymptote
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(qui correspond à l’état dit ultime). Plus un milieu granulaire sera compact, plus le pic sera marqué.
- Pour un matériau granulaire lâche, un effet tonneau de plus en plus marqué est observé au fur et à mesure que l’on s’approche de la valeur asymptotique de la contrainte verticale (𝐹/𝑆). La courbe contrainte déviatorique-déformation atteint l’asymptote de l’état ultime, mais sans passer par un pic, voir Figure 73.
Figure 73 : Courbes donnant la contrainte verticale (F/S) en fonction de la déformation lors d'un essai triaxial. Les deux courbes présentent un pic plus ou moins marqué, correspondant
à une compaction variable.
Par ailleurs, l’état de contraintes correspond à un tenseur diagonalisé (contraintes principales) tel que :
𝜎1 = 𝜎2 = 𝜎𝑟 (3.6.2)
𝜎3 = 𝜎𝑎 (3.6.3)
où 𝜎𝑟 est la contrainte radiale, subie sur tout plan horizontal :
𝜎𝑟 = 𝑝 (3.6.4)
et 𝜎𝑎 est la contrainte axiale, subie sur tout plan vertical : 𝜎𝑎 = 𝐹
𝑆+ 𝑝 (3.6.5)
Dans tout plan (x,z) ou (y,z) où z est l’axe vertical et (x, y, z) une base cartésienne, si l’on considère une coupe par un plan de vecteur normal unitaire 𝑛⃗⃗ = {cos 𝜃
sin 𝜃 la contrainte normale s’écrit : C on tr ain te vert ic ale (F /S) ( Pa) Déformation (%) Lache Compact
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2𝑆) − 𝐹
2𝑆 cos 2𝜃 (3.6.6)
Et la contrainte de cisaillement s’écrit :
𝜏 = − 𝐹
2𝑆 sin 2𝜃 (3.6.7)
Cela signifie que dans le plan de Mohr (𝜎, 𝜏), le point représentatif du vecteur contrainte décrit un cercle de centre (𝑝 +2𝑆𝐹) et de rayon 2𝑆𝐹. Les deux points d’intersection de ce cercle avec l’axe des abscisses ont pour coordonnées (p,0) et ((𝑝 +𝐹
𝑆),0).
A confinement p donné, on peut ainsi tracer le cercle représentatif du vecteur contrainte à la rupture (ce sera le plus grand cercle possible pour l’essai), et procéder de même pour plusieurs valeurs successives du confinement p (Figure 74).
Figure 74 : Tracé des cercles à rupture de l’essai triaxial, à contrainte radiale donnée σr = p, et pour une contrainte axiale maximale σa = p + (Fmaxi/S), dans le plan de Mohr, permettant de déduire les paramètres de rupture au sens de Mohr-Coulomb (courbe intrinsèque), par
tracé de la tangente commune aux cercles [Schlosser 1988]
Le critère de rupture par cisaillement de Mohr-Coulomb s’écrit alors :
𝜏 = 𝑐 + 𝜎 𝑡𝑎𝑛𝜑 (3.6.8)
c et 𝜑sont les paramètres du modèle. Il s’agit de l’équation d’une droite, qui est la tangente commune à tous les cercles de Mohr tracés à p donné. Par tracé graphique, on déduit les paramètres du modèle, que sont la cohésion c et l’angle de frottement 𝜑du matériau.
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