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Chapitre 5 - Investigation du volume poral par
porosimétrie par intrusion de mercure et par isothermes
de sorption
Caractériser un réseau poral sous-entend les déterminations de paramètres associés au dénombrement des pores et à leur morphologie. Les principaux paramètres sont :
- le volume total des pores Vp qui se décompose en porosité ouverte (connectée) Vp o, et
fermée (occluse) Vp f,
- la surface spécifique des pores,
- les longueurs caractéristiques des pores, exprimées généralement par leur rayon rp estimé
en formulant des hypothèses morphologiques sur les pores (formes cylindriques ou sphériques par exemple),
- la distribution poreuse que l'on peut définir comme la répartition volumique des pores en fonction de leur rayon, soit ∆Vp/∆rp = f(rp).
La littérature distingue classiquement une porosité macroscopique pour des longueurs caractéristiques supérieures à 50 nm, une porosité mésoscopique pour des tailles comprises entre 50 et 2 nm, et une porosité microscopique pour des tailles de pore inférieures à 2 nm (Figure 5.1).
Les techniques d'investigation d'une structure poreuse sont multiples et souvent complémentaires. En effet, chaque technique a des spécificités propres permettant d'accéder à une gamme définie de tailles de pores et de déterminer seulement certains paramètres caractéristiques de la porosité.
La détermination de la porosité totale n à partir des masses volumiques dans les états hydratés et secs (cf. § 3.2.2) est une première approche globale qui ne permet pas de distinguer le caractère connecté ou occlus des pores, ni de renseigner sur leur morphologie. Comme décrit précédemment, cette méthode reste approximative car elle cumule les erreurs systématiques des déterminations de la teneur en eau et des masses volumiques.
Baroghel-Bouny [BAR 94] recense différentes techniques de quantification de la porosité avec les gammes de taille de pores investigués (Figure 5.1) ainsi que les spécificités de préparation des échantillons. Brièvement, les principales méthodes d'investigation sont :
- les observations directes : il s'agit de réaliser des observations à partir de la surface (œil, microscopes optique et électroniques…) ou en volume (scanner médical, microtomographie, résonance magnétique...). Les images ainsi acquises sont ensuite traitées par des techniques d'analyse d'images de façon à en extraire des paramètres sur les distributions et les formes des pores. Pour les images de surface, se pose le problème du passage d'une représentation bidimensionnelle à la détermination de la véritable distribution en volume, les modèles de reconstruction volumique comportant certaines hypothèses géométriques. De plus, la distinction entre porosités ouverte et occluse n'est pas aisée à partir d'observations de surface, l'obtention des surfaces (généralement par usinage ou polissage mécanique) donnant un caractère systématiquement débouchant de la porosité ainsi observée. Rappelons que, dans le cas de la microscopie électronique conventionnelle (sous vide secondaire), un dégazage peut se produire, pouvant provoquer une micro-fissuration, et par là une sur-estimation des vides accessibles en surface.
Les techniques d'observation en volume sont un apport récent pour l'investigation de la microstructure et donc de la porosité. Cependant, les outils de type scanner ou micro- tomographie X haute résolution ont encore des résolutions faibles (de l'ordre du centième de mm) ce qui ne permet d'examiner que les macro-pores ou macro-fissures induites. De plus, les tomographes de laboratoire ou sur des lignes faisceau d'accélérateurs linéaires ou synchrotrons, sont assez lourds de mise en œuvre.
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- l'intrusion de fluide : il s'agit d'une méthode indirecte par intrusion de fluide sous pression dans le réseau poreux ouvert. Afin de connaître la porosité connectée totale, il est nécessaire de vider les pores de tout fluide liquide. Un séchage est donc effectué mais avec le risque de provoquer une modification de la microstructure (création de fissures, obstruction des pores fins…). Il est aussi possible de réaliser des mesures à des états hydriques donnés, ce qui permet alors de connaître les espaces libres des fluides présents [DAU 97][GAS 05]. Cependant dans ce cas de matériaux hydratés, il convient de corriger les résultats bruts de certains artefacts systématiques (comme la compressibilité de l'eau liquide présente dans les pores), ce qui n'est généralement pas fait dans la littérature.
La porosimétrie par intrusion de fluide ne permet pas de donner directement des informations sur la forme des pores mais des hypothèses géométriques sont classiquement émises de façon à estimer des distributions des rayons de pores en supposant des formes de pores sphériques ou elliptiques. La porosimétrie au mercure est adaptée à la caractérisation des méso- et macro- pores (2 nm à 60 µm de diamètre).
- la diffraction : la diffusion aux petits angles des rayons X (SAXS) ou des neutrons (SANS) utilise le fait que les densités électroniques des phases liquide et gazeuse contenues dans les pores sont différentes de celles de la phase solide, entraînant ainsi une diffraction du faisceau incident. Les échantillons peuvent être analysés sans séchage préalable et sans modification de leur état hydrique. Un autre avantage est l'investigation de la porosité totale (ouverte et fermée) jusqu'à 5 nm. Cette technique est cependant assez lourde de mise en œuvre.
- l'adsorption/condensation : les isothermes de sorption de vapeur d'eau fournissent l'évolution pondérale (normalisée par rapport à la teneur en eau à saturation) en fonction de l'humidité relative de l'atmosphère ambiante. Ces données renseignent sur la micro- et méso- porosité ouverte (inférieure à 50 nm) en s'appuyant sur des modèles théoriques mathématiques. L'avantage de cette technique en plus de l'investigation de la micro-porosité, est le fait que aucun pré-traitement n'est requis, ce qui laisse penser que les artefacts sont limités.
Figure 5.1 – Domaines d'utilisation des principales techniques de caractérisation porale [BAR 94].
Nous présentons plus en détails les techniques de porosimétrie par intrusion de mercure et des isothermes de sorption, mises en œuvre par la suite, à la fois pour caractériser le réseau poral et pour imposer un état de succion hydrique à la roche.
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