Lien entre l’état hydrique et le transport d’eau

Les résultats expérimentaux permettent de mettre en évidence deux phénomènes :

- le flux massique d’eau, en tout point de l’échantillon de sol, reste constant jusqu’à une teneur en eau limite à partir de laquelle il diminue jusqu’à s’annuler lorsque la teneur en eau d’équilibre hygroscopique est atteinte.

- le gradient de teneur en eau, en tout point de l’échantillon de sol, augmente jusqu’à une teneur en eau limite à partir de laquelle il diminue jusqu’à s’annuler lorsque la teneur en eau d’équilibre hygroscopique est atteinte.

• Teneur en eau limite Funiculaire / Pendulaire

Au début de la désaturation, le transport d’eau s’effectue à flux massique d’eau constant ce qui correspond à un état où la phase liquide peut s’écouler librement au sein de l’espace poral ; l’eau mobilisée dans ce processus circule sous l’effet d’un gradient hydraulique suivant une loi de type Darcy. Sous l’effet de la température, la diminution de la viscosité de l’eau augmente le domaine de teneur en eau où la phase liquide reste continue. Selon la Figure 1.33, les teneurs en eau de 16 % ± 0,5% à 20°C et de 12% ± 0,5% à 60°C peuvent être interprétées comme les teneurs en eau limites entre les régimes funiculaire et pendulaire.

D’une part, Ruiz & Bénet (2001), Chammari et al. (2008), Bénet et al. (2009) ainsi que Lozano et al. (2009) pour le même matériau reconstitué à la masse volumique apparente sèche à_âÇ = 1500 åç/éè, montrent que le mécanisme de changement de phase au sein du milieu poreux n’apparaît qu’en dessous d’une teneur en eau comprise entre 12% et 14% quelle que soit la température. Ces valeurs sont en accord avec les teneurs en eau pour lesquelles on observe la décroissance des flux massiques d’eau (Figure 1.33).

D’autre part, dans la modélisation des courbes caractéristiques sol-eau empruntée à Fredlund et al. (1994), on constate que l’écart entre le modèle et les points expérimentaux devient plus important à partir d’une teneur en eau de 15% en désorption quelle que soit la température (Figure 1.21). Ceci a été attribué au fait qu’au-delà d’une certaine valeur de succion à la plaque de pression, l’eau contenue dans le sol n’est plus en liaison avec la céramique poreuse ce qui l’empêcherai de circuler librement. Ainsi, au-dessus d’une teneur en eau comprise entre 12% et 14%, la phase gazeuse est présente sous forme occluse au sein de l’échantillon de sol et aucun changement de phase ne peut être observé ; seul le transport en phase liquide est à l’origine de la désaturation.

Les essais de désaturation permettent donc de définir une teneur en eau limite qui est interprétée comme la limite entre les régimes funiculaire et pendulaire au sein des milieux poreux.

• Teneur en eau limite Pendulaire / Hygroscopique

Au cours de la désaturation, le gradient de teneur en eau atteint un maximum (Figure 1.34) ce qui correspond au début d’une phase diffusionnelle où la vapeur d’eau issue du changement de phase liquide/vapeur peut se diffuser librement au sein de l’espace poral ; l’eau mobilisée dans ce processus circule sous l’effet d’un gradient de pression de vapeur suivant une loi de type Fick. D’une part, Ruiz & Bénet (2001), Chammari et al. (2008), Bénet et al. (2009) et Lozano et al. (2008 et 2009) pour le même matériau reconstitué à la masse volumique apparente sèche à_âÇ = 1500 åç/éè, montrent que le coefficient phénoménologique de changement de phase proche de l’équilibre atteint une valeur maximale pour une teneur en eau comprise entre 6% et 8% à 30°C et entre 8% et 10% à 50°C. Ces valeurs sont en accord avec les teneurs en eau pour lesquelles on observe le maximum de gradient de teneur en eau (Figure 1.34).

D’autre part, dans la modélisation des courbes caractéristiques sol-eau empruntée à Fredlund et al. (1994), la succion û_´ correspond à la teneur en eau résiduelle |_´ définie comme la teneur en eau au-dessous de laquelle il n’y a plus de transport en phase liquide. Les valeurs des teneurs en eau résiduelles (Tableau 1.8) sont de 5,8% à 20°C et de 9,3% à 60°C. Elles sont en accord avec les teneurs en eau pour lesquelles on observe le maximum de gradient de teneur en eau (Figure 1.34).

Les essais de désaturation permettent donc de définir une deuxième teneur en eau limite qui est interprétée comme la limite entre les régimes pendulaire et hygroscopique au sein des milieux poreux. • Conclusion A partir d’une caractérisation simple lors du séchage d’échantillons de sol, il est possible de mettre en évidence les limites hydriques entre les régimes funiculaire/pendulaire et pendulaire/hygroscopique. Cette méthode a été également appliquée sur une argile de Fournès sensible aux variations hydriques qui, au cours de la désaturation, présente un retrait non négligeable. Il a été montré que ce retrait est important dans le domaine funiculaire et décroît progressivement dans le domaine pendulaire jusqu’à la limite du régime pendulaire/hygroscopique, résultat classiquement obtenu dans la littérature. Néanmoins, on montre que ce phénomène de retrait est à prendre en considération dans les calculs de coefficient de transport global d’eau.

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1.5. Rôle des ponts liquides entre grains

A l’échelle macroscopique, la présence des ponts liquides au sein de l’espace poral de la macrostructure génère une distribution de forces capillaires entre les grains solides voisins. Dans le régime pendulaire, l’augmentation de la densité de ponts liquides isolés induit une augmentation importante de la cohésion par capillarité du sol granulaire (Richefeu et al. (2006), Soulié et al. (2006a et 2006b) et Richefeu et al. (2008)). On a pu montrer que dans ce domaine, les milieux granulaires sont moins sensibles au phénomène d’effondrement. Au-delà du régime pendulaire, ces ponts isolés tendent à coalescer localement en formant des ponts fusionnés entre plusieurs grains voisins (Scheel et al. (2008a et 2008b)). Cette coalescence des ponts liquides tend à stabiliser la cohésion par capillarité du milieu granulaire, qui finit ensuite par s’annuler proche de la saturation au fur et à mesure que l’eau remplit l’espace poral (Lu et al. (2005 et 2007), Scheel et al. (2008a et 2008b), Lu et al. (2009) et El Korchi et al. (2016)) ce qui peut engendrer un effondrement par capillarité du matériau granulaire (Bruchon (2014) et El Korchi et al. (2016)). L’amplitude de cet effondrement capillaire est plus ou moins importante selon le diamètre des particules du milieu granulaire (Mitchell & Soga (2005) et El Korchi (2017)).

A l'échelle locale, peu de résultats expérimentaux existent étant donnée la difficulté de réaliser ces essais dans des conditions répétables. A notre connaissance, les premiers travaux s’attachent à l’étude de l’évolution de la force capillaire entre deux grains sphériques (Soulié et al. (2006a) et Gras et al. (2013)). Ces études expérimentales ont été étendues au cas de triplets, de quadruplets et de quintuplets capillaires présentant un pont coalescé au début de l’expérience (Gras (2011), Hueckel et al. (2013) et Hueckel et al. (2019)). Au cours de l’évaporation de l’eau, les résultats montrent que la force capillaire évolue peu avant la séparation du pont coalescé en plusieurs ponts isolés. À l’apparition de ces ponts isolés entre les grains, la force capillaire chute de façon notable, puis continue à décroître progressivement avec la diminution du volume d’eau des ponts capillaires. Le chemin inverse, correspondant à une augmentation du volume d’eau par imbibition, reste peu étudié expérimentalement. Ceci est dû à la difficulté de reproduire de façon homogène et continue le phénomène de coalescence à l’échelle locale par imbibition d’eau (Gras (2011)).

Dans le cadre d’une première approche, mes travaux de recherche se sont orientés naturellement vers l’étude de l’évolution de la force capillaire au cours de l’imbibition et de l’évaporation de ponts capillaires entre grains solides. Les résultats expérimentaux obtenus portant sur la coalescence et de rupture de ponts capillaires par imbibition incrémentale et par évaporation, à l’échelle locale de trois grains (configuration 2D) sont présentés. Les thèses de Gras (2011) et d’El Korchi (2017) présentent des résultats concernant la coalescence et la rupture de ponts capillaires en configurations 2D (trois grains) et 3D (quatre grains). Néanmoins, tous les essais n’ont pas été réalisés en suivant des cycles d’imbibition/évaporation comme on souhaite l’exposer dans la suite de cette partie.

Des essais d’imbibition et d’évaporation à l'échelle locale ont été réalisés sur des billes de verre de précision de diamètre ò = 8 éé. Le système étudié est constitué de trois billes, pour former des triplets capillaires. Le dispositif expérimental utilisé est composé d’une balance de précision 1/10000 de gramme, une table micrométrique sur laquelle est fixée la bille en partie haute ainsi qu’un support portant les billes de la base (Figure 1.36), et reposant sur le plateau de la balance. a) b) Figure 1.36 – Dispositif expérimental utilisé pour l’étude locale a) schématisation de l’ensemble et b) photographie du montage Micrometric screw

78 MATÉRIAUX D’ÉTUDE ET DISPOSITIF EXPÉRIMENTAL

F

2.24: Image de l’ensemble de l’appareil triaxial.

CPV de la pression d eau interstitielle

CPV de la pression de confinement

CPV de la pression de la chambre basse ^{CPV de la pression d air}

Système d acquisition de données

CPV de la pression d air interstitielle

F

2.25: Schéma simplifié du dispositif GDSTTS.

0,1214 Upper sphere Water brigde Lower spheres Precision balance Support 0 5 10 15 20 25 30 0 20 40 60 80 100120140160 W at er v ol ume V w (µ l) time t (minute) Calibration of evaporation kinetics

78 MATÉRIAUX D’ÉTUDE ET DISPOSITIF EXPÉRIMENTAL

FIGURE2.24: Image de l’ensemble de l’appareil triaxial.

CPV de la pression d eau interstitielle

CPV de la pression de confinement

CPV de la pression de la chambre basse ^{CPV de la pression d air}

Système d acquisition de données

CPV de la pression d air interstitielle

Des supports spécifiques ont été conçus afin d’ajuster précisément les distances inter-granulaires ò_Û et ò_Ä entre chaque centre des billes (Figure 1.37). Les trois billes sont disposées de telle sorte que leurs centres forment un triangle isocèle dans le plan vertical. Les deux billes de la base sont fixées sur le support avec une distance séparant leurs centres notée ò_Ä, et la bille supérieure est fixée sur la table micrométrique, ce qui permet de fixer la distance notée ò_Û entre le centre de la bille supérieure et les centres des billes du support. De l’eau déminéralisée a été utilisée pour former les ponts capillaires entre les billes. a) b) Figure 1.37 – a) Schématisation de la disposition des billes de verre avec une illustration des distances ò_Û et ò_Ä entre les billes de verre et b) photographies du triplet capillaire.

Dans cette étude expérimentale sur des triplets capillaires à l’échelle locale, les distances entre les centres de chaque bille ont été fixées à ò_Û= 8,7 éé et ò_Ä = 8,3 éé.

Chaque pont capillaire ayant un volume d’eau bien définies et contrôlées, la force capillaire axiale 9_᧘ est obtenue par pesée différentielle en utilisant l’expression suivante :

9_᧘= (é_ê+ é_†− é_Å≠ê)ç (1.36)

où é_ê est la masse du support avec les billes fixées, é_†= à_†®_† est la masse d'eau cumulée (en prenant la masse volumique spécifique de l’eau à_†= 1000 åç/éè, é_Å≠ê est la masse apparente mesurée par la balance pour chaque volume d'eau injecté et ç = 9,81 é/ûÄ est l'accélération de la pesanteur. L’incertitude sur la valeur de la force capillaire est estimée à ±10∂Ÿ [.

Dans l’équation (1.36), la prise en compte de la masse d’eau é_† dans le calcul de la force capillaire est indispensable, car au-delà d’un volume d’eau supérieur à 5 «ø, on ne peut plus négliger son poids propre. 8 mm 8 mm 8 mm D1 D1 D2

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