Influence du chemin chimique

Les essais `a effectuer ont pour objectif de montrer, d’une part, si les d´eformations dues au gonflement ou au retrait d´ependent du chemin chimique parcourus par l’´echantillon ou non, et d’autre part, l’influence de la contrainte axiale appliqu´ee sur le gonflement ou le retrait.

Gonflement libre

Afin de d´eterminer si le gonflement libre normal aux strates (α = 00_{) est influenc´e par l’historique}

du chemin chimique, diff´erents essais, multipaliers en concentrations d´ecroissantes en sel, ont ´et´e effectu´es pour diff´erents chemins chimiques. Ces essais peuvent ˆetre divis´es en deux s´eries.

La premi`ere s´erie d’essais, pr´esent´ee sur la figure 6.6, s’ach`eve par l’eau d´emin´eralis´ee et est compos´ee des chemins suivants :

– eau d´emin´eralis´ee,

– 1 M NaCl – eau d´emin´eralis´ee,

La deuxi`eme s´erie d’essais, pr´esent´ee sur la figure 6.7, s’ach`eve par 1 M NaCl et est compos´ee des chemins suivants :

– 1 M NaCl,

– 4 M NaCl – 1 M NaCl.

Fig. 6.6 – Chemin chimique pour l’eau d´emi- n´eralis´ee (α = 00₎

Fig. 6.7 – Chemin chimique pour 1 M de NaCl (α = 00₎

D’apr`es ces essais, l’eau d´emin´eralis´ee pr´esente le plus grand pouvoir de gonflement parce qu’elle exclut les substances chimiques pr´esentes dans l’eau des pores.

Dans le mˆeme sens, le gonflement augmente avec la diminution de la molarit´e. Une augmentation de 18 % du gonflement a ´et´e mesur´ee lorsque la concentration en NaCl passe de 4 `a 1 M. Ce ph´enom`ene peut ˆetre expliqu´e par la th´eorie de Gouy-Chapman qui suppose que l’´epaisseur de la couche diffuse diminue avec l’augmentation de la concentration en sel.

Les diff´erents essais indiquent que le gonflement ne d´epend pas du chemin chimique. Le mˆeme comportement a ´et´e trouv´e pour NaCl (1 M) et pour l’eau d´emin´eralis´ee.

Pour une stratification verticale (α = 900), l’influence du chemin chimique a ´et´e analys´e par les essais suivants :

– eau d´emin´eralis´ee,

– 1 M NaCl – eau d´emin´eralis´ee, – 1 M KCl – eau d´emin´eralis´ee.

Sur la figure 6.8, on pr´esente `a cot´e des essais pr´ecedents, un essai monochimique pour une solution de NaCl (4 M).

On constate que le gonflement pour une solution de KCl est plus faible que celui pour une solution de NaCl et en mˆeme temps il diminue avec la concentration en sel, ce qui va dans le mˆeme sens que les essais sur des ´echantillons `a stratification horizontale.

Le gonflement est ind´ependant du chemin chimique pour l’essai d´ebutant par une solution de NaCl (1 M). Cependant, pour une solution de KCl (1 M), un l´eger d´ecalage est observ´e.

Entre autre, les essais r´ealis´es confirment que le gonflement est anisotrope et d´epend de l’orientation de l’´echantillon.

Fig. 6.8 – Gonflement axial pour diff´erents chemins chimiques (α = 900)

Le tableau suivant illustre le gonflement normalis´e, correspondant au rapport du gonflement libre obtenu pour une concentration donn´ee en sel au gonflement libre mesur´e avec l’eau, pour diff´erentes solutions et pour les deux directions principales de gonflement :

Solution Gonflement normalis´e Gonflement normalis´e α = 00 _{α = 90}0

Eau d´emin´eralis´ee 1 1 1 M NaCl 0.72 0.78

1 M KCl 0.68 0.69 4 M NaCl 0.59 0.61

Tab. 6.3 – Gonflement normalis´e pour α = 00 et α = 900 et pour diff´erentes solutions salines On peut d´eduire que le gonflement normalis´e, pour une solution donn´ee, ne d´epend pas des directions normale et parall`ele aux strates.

D´eformation sous une contrainte axiale

L’´etude suivante, compos´ee de trois s´eries d’essais, est uniquement consacr´ee `a l’analyse de l’effet d’une solution de NaCl sur le gonflement et le retrait d’un ´echantillon soumis `a une contrainte axiale maintenue constante durant l’essai et `a un chemin chimique en concentration croissante ou d´ecroissante en sel.

Le choix d’une solution de NaCl a ´et´e fix´e parce qu’elle provoque le gonflement le plus ´elev´e par rapport aux autres solutions (KCl et CaCl2).

La premi`ere s´erie d’essais, pr´esent´ee sur la figure 6.9, est men´ee pour une contrainte axiale de 0.7 MPa et pour les deux chemins chimiques suivants :

1. eau d´emin´eralis´ee – 4 M NaCl,

2. 1 M NaCl – eau d´emin´eralis´ee – 4 M NaCl.

Cette s´erie d’essais montre que les d´eformations axiales d´ependent de la concentration en NaCl. Le gonflement est maximal pour l’eau d´emin´eralis´ee et diminue avec la concentration en NaCl.

Lorsqu’on remplace l’eau d´emin´eralis´ee par une solution plus concentr´ee, on observe un retrait de l’´echantillon du fait de la diff´erence de concentration entre la solution externe et l’eau des pores. Pour une concentration de 1 M de NaCl, le gonflement est identique quelle que soit la solution initiale.

Cependant, pour une concentration de 4 M de NaCl, l’essai qui a d´ebut´e par l’eau d´emin´eralis´ee se stabilise rapidement. Pour l’autre essai, la stabilisation n’a pas ´et´e atteinte durant la p´eriode de l’essai mais les deux courbes semblent avoir le mˆeme palier de d´eformation.

Fig. 6.9 – D´eformation axiale pour une contrainte axiale de 0.7 MPa et pour diff´erents chemins chimiques

La deuxi`eme s´erie, illustr´ee sur la figure 6.10, est effectu´ee pour quatre contraintes axiales (0, 0.5, 1.5 et 2.5 MPa) et pour le chemin chimique compos´e de quatre paliers :

– eau d´emin´eralis´ee – 4 M NaCl – eau d´emin´eralis´ee – 4 M NaCl

Fig. 6.10 – a) Variation de la d´eformation axiale avec la concentration et pour quatre contraintes axiales. b) D´eformation finale en fonction du num´ero du palier

Le gonflement libre, obtenu par cette carotte, est deux fois plus ´elev´e que pour les autres essais bien que la carotte ait ´et´e correctement conserv´ee avant les essais. Cela est probablement due `a la diversit´e de l’argilite de Tournemire.

Toutefois, le gonflement diminue avec la contrainte axiale et cela est constat´e pour les premiers paliers avec l’eau d´emin´eralis´ee. Par contre, pour le retrait, on s’attendait `a ce qu’il augmente avec la contrainte appliqu´ee, ce qui n’est pas le cas. On observe que le gonflement et le retrait sont plus prononc´es pour une contrainte nulle.

En ce qui concerne la r´eversibilit´e des d´eformations, elle est assur´ee pour des contraintes de 0 et 0.5 MPa. N´eanmoins, une l´eg`ere irr´eversibilit´e est remarqu´ee pour des contraintes de 1.5 et 2.5 MPa. Pour une contrainte de 2.5 MPa, la substitution de l’eau d´emin´eralis´ee par une solution de NaCl (4 M) et inversement, induit des d´eformations de l’ordre de 0.05 % qui sont faibles par rapport aux d´eformations libres qui sont ´egales `a 0.3 %. On peut constater que l’effet de la contrainte r´eduit l’effet de la nature de la solution d’immersion. Cela `a ´et´e traduit sur la figure 6.11 o`u la moyenne de la diff´erence des d´eformations finales successives ∆ε tend `a diminuer avec la contrainte axiale.

Fig. 6.11 – Variation de ∆ε avec la contrainte

Pr´ec´edemment, au chapitre 3 (page 35), cette mˆeme diminution a ´et´e illustr´ee lors de l’application de la th´eorie de la double couche pour pr´edire le gonflement de la bentonite.

Pour mieux comprendre l’effet de la contrainte et de la concentration en NaCl sur la d´eformation axiale, on trace, pour les deux premiers paliers, la variation du coefficient ξ en fonction de la contrainte axiale (Fig. 6.12).

ξ = ε(σ) ε(σ = 0)

Fig. 6.12 – Variation de ξ avec la contrainte axiale pour les deux premiers paliers

Pour le premier palier correspondant au gonflement, ξ diminue avec l’augmentation de la contrainte axiale. Une diminution du gonflement de l’ordre de 75 % est obtenue pour une contrainte axiale de 2.5 MPa. Toutefois, pour l’argilite de Lorraine et pour la mˆeme contrainte axiale, elle est de 96 %. De surcroˆıt, les deux courbes correspondant au gonflement du premier palier et au retrait du deuxi`eme palier, sont tr`es proches ce qui justifie que ξ soit ind´ependant du chimisme de la solution d’hydratation.

Pour confirmer ce constat, deux essais ont ´et´e effectu´es pour le mˆeme chemin chimique en concen- tration d´ecroissante en NaCl (5 M – 3 M – 1 M – Eau d´emin´eralis´ee) mais pour deux contraintes axiales diff´erentes (0 et 1 MPa) (Fig. 6.13). A la stabilisation, la figure 6.14 pr´esente la variation de ξ avec la concentration.

Fig. 6.13 – Variation de la d´eformation axiale avec la concentration et pour deux contraintes axiales

Fig. 6.14 – Variation de ξ avec la concentration

On remarque que ξ augmente l´eg`erement lorsqu’on passe d’une concentration de 5 M `a une concen- tration de 1 M puis diminue pour l’eau d´emin´eralis´ee mais garde approximativement une moyenne de 0.53.