Les densités

Les valeurs de densité sont sensibles aux modifications de la minéralogie et de la porosité. Pour cette étude, on distingue la densité des phases solides et la densité apparente. La première est la densité de matériau sans tenir compte de la porosité connectée, elle est donc représentative de la densité des phases minérales et la porosité non connectée (Figure 3.9). La densité apparente, prend en compte le volume des phases

première détermination de la porosité. L’analyse de ces données permet de distinguer des ensembles d’échantillons sur des critères d’évolution de la composition minéralogique et de la porosité.

Figure 3.9 : schéma d’un échantillon rocheux avec représentation des volumes pris en compte par la densité des phases solides et la densité apparente.

3.2.2.1. La densité de phase solide

La densité de phase solide est mesurée grâce au pycnomètre à hélium AccuPyc II 1340 de micrometrics®. L’appareil fonctionne grâce à deux chambres de volumes connus VCELL et VEXP à pression Pa et température Ta ambiantes au début de la mesure (Figure 3.10). La chambre VCELL dans laquelle se trouve l’échantillon est ensuite remplie d’hélium à la pression P1, puis la connexion entre les deux chambres est effectuée et un nouvel équilibre de pression P2 est obtenu. Le volume de l’échantillon VPS ne prenant pas en compte la porosité connectée, et quelque soit la forme de l’échantillon, peut ensuite être déduit de la loi des gaz parfaits :

𝑉_𝑃𝑆 = 𝑉_{𝐶𝐸𝐿𝐿}− ^{𝑉𝐸𝑋𝑃} (^{𝑃1 − 𝑃𝑎}_{𝑃2 − 𝑃𝑎) − 1}

Équation 3.1

La masse de l’échantillon étant mesurée, la densité des phases solides dps peut alors être calculer en utilisant Vps.

Figure 3.10 : schéma du dispositif de mesure de l’appareil AccuPyc II 1340 pour la mesure de la densité des phases solides (Micromeritics®, 2011).

3.2.2.2. La densité apparente

La densité apparente doit tenir compte du volume total de l’échantillon, comprenant le volume poreux et le volume de la phase solide. Ce volume peut être simplement calculé à partir des dimensions du cylindre carotté. Cependant, ces carottes sont rarement des cylindres parfaits, notamment dans les matériaux granitiques où la taille des grains rend les bords de la carotte irréguliers. Dans les matériaux peu poreux, ces irrégularités créent une forte erreur sur le calcul du volume et donc sur le calcul de la densité.

Pour obtenir une mesure précise du volume Vech, celui-ci est obtenu par la technique de saturation à l’eau (section suivante), pour permettre le calcul de la densité apparente dapp ou masse volumique, en fonction de la masse de l’échantillon msec, donné par :

𝑑_𝑎𝑝𝑝 =^{𝑚𝑠𝑒𝑐} 𝑉_𝑒𝑐ℎ

Équation 3.2

3.2.3. La porosité

La porosité a été mesurée selon trois méthodes différentes : - La porosité mesurée par saturation à l’eau

- La porosité mesurée par injection de mercure

- La porosité déduite de la mesure de densité de phase solide à l’hélium

La combinaison de ces techniques permet de tester trois modes de saturations différents, avec des saturations différentes pour chaque fluide utilisé. Cela permet une validation des mesures. En effet, il n’est pas rare, notamment pour les échantillons altérés et friables, que lors du processus de saturation à l’eau il y a une perte d’une petite partie de l’échantillon. Ceci entraîne un déficit de masse lors des pesées après saturation qui engendre une sous estimation de la porosité par saturation à l’eau par rapport à celle obtenue par saturation à l’hélium. De plus, la saturation des volumes poreux au gaz est très souvent plus complète que celle à l’eau, notamment dues aux effets de viscosité et de capillarité.

La comparaison de la porosité totale des trois méthodes permet également de mettre en évidence certaines particularités du réseau poreux. En effet, si la porosité est bien connectée, les trois résultats seront proches, tandis que des écarts vont être significatifs de structures paritulières comme la taille des vides. Elle peut également mettre en évidence un effet d’échelle puisque le volume de l’échantillon utilisé pour la mesure de porosité au mercure est inférieur à celui des échantillons saturés à l’eau et à l’hélium.

L’essai par injection de mercure permet de traiter les échantillons dont la cohésion est trop faible pour les essais de saturation à l’eau et à l’hélium. Il permet également d’aller plus loin que la simple mesure de porosité totale et d’obtenir des informations sur la taille et la forme des vides qui composent le réseau poreux.

Les trois techniques sont détaillées ci-après.

3.2.3.1. La porosité par saturation à l’eau

La porosité d’un matériau peut-être estimée de manière simple par la méthode de saturation à l’eau. Dérivé de la norme RILEM essai n°1, le dispositif expérimentale permet la saturation complète des pores connectés d’un échantillon et le calcul de sa porosité par une triple pesée (RILEM, 1978).

Les échantillons sont dans un premier temps séchés pendant 24h minimum dans une étuve à 40-60°C jusqu’à masse constante, puis pesés pour obtenir leur masse sèche msec. Deux cristallisoirs sont ensuite préparés (Figure 3.11) :

1) Un premier contenant les échantillons que l’on dégaze à l’aide d’une pompe à vide (vide primaire à 1.10-7 bar),

2) un second contenant de l’eau distillée que l’on dégaze à l’aide d’une seconde pompe (vide secondaire à 0.08 bar).

Après 24h, les deux cristallisoirs sont connectés, permettant ainsi le transfert de l’eau d’un cristallisoir à l’autre à l’aide de la différence de pression, le vide primaire étant plus fort que le vide secondaire. La connexion est contrôlée par un robinet qui permet d’ajuster la remontée de l’eau pour que celle-ci suive la progression de la frange capillaire à travers les échantillons (Bousquié, 1979).

Après l’immersion totale des échantillons, ils sont laissés 24 à 48 heures sous un vide secondaire afin que la saturation des échantillons soit complète. En effet, en pratique la frange capillaire est difficile à suivre notamment sur les échantillons peu poreux. Cette immersion sous vide permet alors aux micro-bulles piégées dans la porosité d’être évacuées.

Les échantillons saturés sont ensuite pesés après un rapide essuyage pour éliminer la pellicule d’eau en surface de l’échantillon (msat), la deuxième étape consiste à réaliser une pesée hydrostatique (mhydro). La masse hydrostatique correspond à celle de l’échantillon à laquelle est soustraite la masse du volume d’eau déplacé par l’immersion de l’échantillon. Ainsi, ces masses permettent de calculer le volume poreux Veau = msat - msec et le volume de l’échantillon Vech = msat - mhydro.

La porosité totale ϕ est alors calculée grâce à :

ϕ_𝐻20= ^{𝑉𝑒𝑎𝑢} 𝑉_𝑒𝑐ℎ ⁼

𝑚_𝑠𝑎𝑡− 𝑚_𝑠𝑒𝑐

𝑚_𝑠𝑎𝑡− 𝑚_{ℎ𝑦𝑑𝑟𝑜} ^{× 100}

Figure 3.11 : schéma de principe de la saturation à l’eau des échantillons (d’après Rousset-Tournier, 2001).

3.2.3.2. La porosité par saturation à l’hélium

Connaissant dapp, déterminée lors du calcul de la porosité par saturation à l’eau, et dps, issue de la mesure au pycnomètre à hélium, il est possible de déterminer la porosité par saturation à l’hélium (Équation 3.4).

𝜙 = (1 −^𝑑𝑎𝑝 𝑑_𝑝𝑠^{) × 100 = (1 −} 𝑚_𝑠𝑒𝑐 𝑉_𝑒𝑐ℎ 𝑑_𝑝𝑠 ^{) × 100} Équation 3.4

3.2.3.3. La porosité par injection de mercure

La mesure de porosité par saturation à l’eau à l’avantage d’être un procédé simple et non destructif, mais elle n’est pas possible pour les matériaux très argileux ou peu cohérents qui se désagrègent dans l’eau. De plus, elle ne permet d’obtenir qu’une valeur de la porosité connectée et ne donne pas d’information sur la taille ou la morphologie des pores. Afin d’appréhender ces paramètres, des tests de saturation par injection de mercure ont été effectués sur certains échantillons.

Le mercure est un liquide non mouillant dans l’air ou le vide à température ambiante, c’est à dire que son angle de contact avec la plupart des matériaux est supérieur à 90°. Il ne pénètre donc pas par capillarité à la pression atmosphérique les vides dont les

seuils d’accès sont inférieurs à 8 µm et il est nécessaire d’appliquer une pression sur le mercure pour qu’il pénètre des pores plus petits. La loi de Young-Laplace relie directement la pression appliquée à la taille du pore. Cette relation a été exprimée pour la porosimétrie par Washburn (1921), avec l’hypothèse d’un pore cylindrique, afin de relier la pression appliquée sur le mercure et le rayon du capillaire (Équation 3.5).

𝑃_𝑐 = ^{2𝜎 cos 𝜃} 𝑅_𝑐

Équation 3.5

Avec Pc la pression capillaire et Rc son rayon, θ = 130° l’angle de contact entre le mercure et la surface de l’échantillon et la tension superficielle σ = 485 dynes/cm. Ainsi, le rayon capillaire dans lequel peut pénétrer le mercure, appelé le seuil d’accès, est directement contrôlé par la pression appliquée sur l’échantillon (Pellerin, 1980).

Figure 3.12 : schéma d’une canule d’injection de mercure d’après Haffen (2012), b) exemple de courbes de première injection de mercure, avec une porosité distribuée sur l’ensemble des diamètres de seuils d’accès (bleu) et une porosité contrôlée par des seuils

a) b) 0 1 2 3 4 5 6 0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000 Po ro sit é ( %) Seuil d'accès ( m)

Les mesures ont été réalisées sur un porosimètre Micrometrics Autopore IV série 9200. L’échantillon est placé dans un porte-échantillon composé d’une cellule et d’une canule en verre recouverte d’un film métallique (Figure 3.12a), puis la cellule est scellée. Lors d’une première phase, le vide est effectué dans le porte échantillon, puis la cellule est remplie de mercure. Dans une seconde phase, une pression est appliquée sur le mercure, par paliers successifs de 0,001 à 200 MPa, permettant de saturer progressivement des vides dont les seuils d’accès sont compris entre 400 et 0,005 µm de diamètre. Le volume de mercure injecté est enregistré à chaque palier grâce à son avancée dans la canule dont le diamètre est connu (Figure 3.12b).