Matériaux étudiés

4.2.1. Tuf à grains fins de Naples

Le Tuf à grains fins (Fine Grained Tuff - FGT) est une roche pyroclastique, âgée d’environ 15000 ans, qui est issue de dépôt et de diagenèse de produits chauds pyroclastiques éclatés de la zone de Phlegrean. Ce matériau a été étudié par Evangelista et Aversa (1994) ; Aversa et al., (1998) et de Sanctis (2005). Ses principales propriétés physiques et mécaniques sont, d’après Aversa et al., (1998) : une porosité comprise entre 0.45 et 0.5, ce qui est typique des roches pyroclastiques ; une masse volumique absolue de 2430 kg/m³. Le rayon des pores est inférieur à 0.1 µm pour près de 25% du volume des pores et il varie de 0.1 µm à 1 µm pour 50%. Les inclusions sont disposées au hasard et leurs tailles sont généralement inférieures à 1 mm, bien que des fragments de pierre ponce de Tuf et des fragments de pierre de quelques centimètres puisse également être rencontrés. La résistance à la rupture en compression uniaxiale de ce Tuf a été mesurée autour de 11 MPa, ce qui le place dans la gamme de la catégorie des roches tendres (1.2-25 MPa) [Associazione Geotecnica Italiana, 1977]. Le module tangentiel lors des essais de compression uniaxiale est d’environ 2.1 GPa [de Sanstis 2005]. Ce type de géomatériaux présente un comportement intermédiaire entre celui des « sols » et des « roches».

La Figure 4.1 montre les structures internes obtenues par la tomographie RX de deux échantillons de Tuf. Les images tomographiques de l’échantillon sans fissure visible et de l’échantillon pré-fissuré sont présentées dans les Figure 4.1(a) et (b). La résolution spatiale (taille du voxel) dans les scans est de 125 µm. A cette résolution, la plupart des défauts tels que les fissures préexistantes et les inclusions de différentes densités sont détectables (les pierres ponce, moins dense que la matrice de Tuf apparaissent plus sombre dans les images tomographiques alors que les fragments de pierre plus dense que la matrice de Tuf apparaissent plus clair dans les images tomographiques). Notons qu’au cours de la préparation des échantillons, nous n’avons sélectionné que les échantillons sans fissures visibles.

Le mécanisme de rupture de ce Tuf est piloté principalement par l'hétérogénéité (e.g., pores, microfissures, inclusions) du matériau. Comme montré dans la Figure 4.1, le Tuf est une roche poreuse, ayant une structure particulière, constitué de composants granulaires parfois très rigides, des pierres ponce de taille pouvant atteindre quelques centimètres, et éventuellement des fissures préexistantes. [De Sanctis, 2005] a montré que dans un essai de compression, toutes ces hétérogénéités jouent le rôle de concentration de contrainte et deviennent les sources de formation de microfissure. Lors de l'augmentation de la charge de compression, des microfissures se forment et se propagent dans la direction de la charge. A partir d’une certaine densité, les microfissures commencent à interagir, coalescent, puis conduisent à une rupture axiale macroscopique appelée « axial splitting ». Bien que

les trajectoires de ces fissures soient dépendantes de la présence des hétérogénéités dans l’échantillon, la direction principale de la rupture est généralement parallèle à la direction de la charge. La Figure 4.2 présente un exemple typique de rupture axiale sur un échantillon de tuf soumis à une compression en déformation plane.

Figure 4.1. Visualisations de deux échantillons de Tuf par Tomographie RX avec visualisation en 3D et deux coupes, verticale et horizontale. (a) échantillon sans fissure visible et, (b) échantillon présentant des fissures visibles préexistantes indiquées par les flèches. La résolution spatiale est de

0.125 mm.

4.2.2. CPIR09

Le CPIR 09 est un matériau artificiel très poreux à base d’argile. L’argile est mélangée avec de l’eau, certaines colles organiques et des cendres volantes. Le mélange est ensuite pressé et cuit à plus de 1300°C. Les composants chimiques de ce matériau sont présentés dans le Tableau 4.1. Ses principales propriétés physiques et mécaniques ont été identifiées par [Hosseini, 2005]: une porosité comprise entre 0.45 et 0.5; une masse volumique absolue de 1650 kg/m³.

La structure interne du CPIR 09 a été visualisée par tomographie RX. A titre d’exemple, la Figure 4.3 montre une image tomographique d’une coupes horizontale d’un échantillon cylindrique (la taille de voxel est égale à 7 µm). Dans ce matériau, aucune fissure n’est visible. Pourtant, des pores de diamètre compris entre 0.1 et 0.4 mm représentées par les cercles noirs dans les images tomographiques peuvent être aperçus.

Analyse chimique Valeur (%)

SiO2 56.8 AL2O3 34 TiO2 1.5 Fe2O3 3.2 CaO 0.8 MgO 0.7 Na2O2+ Ka2O2 3

Tableau 4.1. Composants chimiques du CPIR 09 [d’après Hosseini, 2005].

Figure 4.3. Coupe horizontale d’un échantillon cylindrique (diamètre 20 mm et hauteur 50 mm) de CPIR 09 par Tomographie RX avec une taille de voxels de 7µm

Les caractéristiques mécaniques principales du CPIR09 sont : une résistance à la rupture en compression uniaxale de 18 MPa et un module tangentiel de 8 GPa. La Figure 4.4 présente la courbe de contrainte axiale en fonction de déformation axiale mesurée par la technique DIC d’un essai de compression uniaxiale sur un échantillon parallélépipédique (35x50x100 mm) de CPIR 09. La courbe présente quelques chutes de contrainte qui correspondent aux ruptures fragiles. Quatre photos 1, 2, 3 et 4 présentées dans la Figure 4.5 ont été enregistrées respectivement avant le chargement, après les chutes de contrainte et à la fin de l’essai. La première rupture observée dans la photo 2 lors de la première chute de contrainte correspond à un mode de compaction (bande de compaction). Dans la photo 3, une nouvelle bande de compaction est créée. Les fissures de mode I (ouverture) s’apparaissent dans la photo 4 en fin d’essai.

Figure 4.4. Réponse mécanique du CPIR09 en compression uniaxiale.

Figure 4.5. (a) Quatre photos (indiquées dans la Figure 4.4) acquises lors du chargement ; (b) rupture de l’échantillon après le chargement ; (c) les déformations principales issues de l’analyse des

4.2.3. Comparaison des deux matériaux

La comparaison des deux matériaux est présentée dans le Tableau 4.2. La roche artificielle CPIR09 a été originalement choisie pour être proche du comportement du Tuf grâce à des porosités et des résistances à la rupture en compression uniaxiale relativement similaires. De plus, en termes d’hétérogénéité, le CPIR09 ne présente pas d’inclusions ou de fissure préexistante mais des pores de taille importante. Malgré ces ressemblances, lors des essais de compression, le CPIR09 présente un comportement très différent par rapport à celui de Tuf. Le module tangentiel de CPIR09 mesuré est quatre fois plus élevé et le mode principal de rupture dans CPIR09 est un mode de compaction qui est lié généralement à l’écrasement des grains. Le CPIR09 est dont intéressant pour l’étude de différents phénomènes de la rupture dans les roches.

Matériau Tuf CPIR09

Porosité 0.4 – 0.5 0.4 – 0.5

Masse volumique (kg/m³) 2430 1650 Résistance à la rupture en

compression uniaxiale (MPa) ^{11 18.6}

Module tangentiel E (GPa) 2.1 8

Hétérogénéité ^{Pierre ponce, fragment de} pierre, souvent pré-fissuré

Plus homogène, taille des pores importante, non pré-fissuré Mode de rupture Rupture axiale de mode I Rupture horizontale (compaction)

Tableau 4.2. Récapitulatif des matériaux étudiés