Interactions eau/roche
3.1. MATÉRIELS ET MÉTHODES 59 TABLEAU 3.3 – Conditions d’analyse utilisées pour mesurer la perméabilité sur chaque carotte,
en fonction de la zone du faciès dans laquelle elle a été prélevée.
Faciès Zones P (mbar) Q (L/min) Configuration choisie
L1 - > 100 ∼0.2 (ii) L4 - > 100 ∼0.2 (ii) sous-compactée 100 > 0.2 (i) L2 légèrement sous-compactée 100 > 0.2 (i) compacte 100 > 0.2 (i) L5 jaune 100 > 0.2 (i)
riche en micas > 100 ∼0.2 (ii)
3.1.4 Mesure des propriétés capillaires
Lorsque l’on met en contact un échantillon poreux avec une surface d’eau libre, on observe un phénomène spontané d’ascension du fluide dans le milieu poreux, dû à l’existence d’une tension capillaire à l’interface eau/échantillon. Les essais d’imbibition capillaire consistent à mesurer, au cours du temps, la prise de masse du matériau ainsi que la hauteur de la frange capillaire.
L’interprétation des courbes obtenues permet de tirer diverses informations sur le réseau poreux de l’échantillon, notamment sur son homogénéité, sur sa connectivité et sur la taille des pores dominants. Cela peut être comparé aux résultats obtenus en porosimétrie mercure et en perméabilité. Par ailleurs, deux coefficients (le coefficient de prise de masse (A et éventuellement A’) et le coefficient de migration de la frange capillaire (B)), déduits des relations de Washburn, permettent de quantifier la vitesse de transfert d’eau dans le milieu poreux. Cette information n’est pas accessible avec les techniques présentées précédemment, et est très importante dans cette étude puisqu’elle permet de déterminer quel volume d’un bloc de grès a été impacté par de l’eau lors d’un épisode de pluie ou lors de l’extinction de l’incendie de janvier 2003.
Pour limiter les perturbations thermiques sur les cinétiques d’imbibition, les essais d’imbi-bition capillaire ont été menés dans une salle climatisée à 20 ˚C. Les carottes ont été stockées pendant plusieurs jours dans cette salle avant les essais, afin qu’elles soient à l’équilibre avec les conditions ambiantes (T ∼20 ˚C ; HR ∼50 %). La longueur des éprouvettes étudiées (6 cm) permet de négliger l’effet de la gravité sur l’imbibition capillaire (Mertz, 1991).
Le mode opératoire utilisé pour les mesures est dérivé de la norme européenne EN1925 (1999). Des détails sur cette méthode et sur le protocole employé sont disponibles dans l’annexe B.
3.1.5 Mesure de la vitesse de séchage
60 CHAPITRE 3. INTERACTIONS EAU/ROCHE En pratique, au cours du séchage, des pesées sont effectuées régulièrement jusqu’à ce que la masse de l’échantillon soit constante. Il est ainsi possible de tracer une courbe de perte de masse
en eau par unité de surface (dW/S en g.cm−2; où S est la surface macroscopique d’évaporation,
soit 28.26 cm2 pour les carottes étudiées) en fonction du temps (t en h).
Les courbes obtenues peuvent être divisées en trois parties (Pearse et al., 1949; Joanny, 1985; Hammecker, 1993) (figure 3.3).
Figure 3.3 – Caractéristiques du séchage dans les milieux poreux a) en fonction du temps et b) en fonction de la racine carrée du temps (figure tirée de Colas (2011), et d’après Hammecker (1993)).
Sc : saturation hydrique critique F : flux capillaire
D* : coefficient de diffusion
dW/S : perte de masse en fonction de la surface évaporante.
La première phase observée (phase I), appelée phase d’évaporation par transfert capillaire, correspond à un déplacement d’eau liquide vers la surface où se produit l’évaporation. Dans cette première phase, la perte en eau est constante au cours du temps, et on peut donc définir un flux d’évaporation F (pente de la courbe) (Rousset-Tournier, 2001). Les facteurs externes (température, humidité relative, vitesse du vent) jouent un rôle important durant cette phase (Joanny, 1985; Hammecker, 1993; Rousset-Tournier, 2001).
Le point représenté sur la figure 3.3 illustre la fin de la phase I, et correspond à la saturation critique (Sc). Ce point ne sera pas mis en évidence dans les résultats présentés dans ce travail, car les mesures effectuées ne permettent pas sa détermination précise (trop peu de points de mesure).
La deuxième phase observée (phase II) commence lorsque l’alimentation capillaire n’est plus suffisante pour maintenir humide toute la surface de l’éprouvette au contact de l’atmosphère. En pratique, le flux d’évaporation diminue. Durant cette phase, deux mécanismes de transfert d’eau coexistent : la capillarité et la diffusion de vapeur. Cette phase est caractérisée par un flux constant en fonction de la racine carrée du temps, et un coefficient D* peut donc être calculé (voir figure 3.3).
Enfin, la dernière phase (phase III) est visible lorsque des amas d’eau isolés sont encore présents à la fin de la phase II (Hammecker, 1993; Rousset-Tournier, 2001). Ainsi, cette étape de séchage correspond à la diffusion de vapeur d’eau à travers le milieu poreux. Sa dynamique est très faible comparativement aux deux premières phases.
3.2. RÉSULTATS 61 des carottes est donc saturée.
Les carottes ont été recouvertes d’un film étirable étanche, de sorte à laisser une seule face plane libre. L’utilisation de ruban en téflon permet de renforcer l’étanchéité. Les éprouvettes ont ensuite été placées dans une enceinte hermétique, à 20 ˚C, 75 % d’humidité relative, sans agitation d’air.
Il a été choisi de travailler à 75 % d’humidité relative pour se rapprocher des conditions na-turelles (∼60 % d’humidité relative). C’est l’un des paramètres qui influe de manière importante sur la vitesse de séchage : une humidité relative plus faible l’accélère (Rousset-Tournier, 2001).
3.2 Résultats
3.2.1 Porosité et distribution porale
Le tableau 3.4 présente les résultats obtenus lors des mesures de porosité à l’eau. Les mesures ont été moyennées pour les carottes de L1 et L4 ainsi que pour les 2 carottes de la zone sous-compactée de L2 et de la zone jaune de L5, et les écarts-types correspondants ont été calculés. TABLEAU 3.4 – Mesures de porosité totale (Nt) et de densités apparente (Dapp) et réelle (Dr).
Faciès Zone Nt (%) Dapp (g/mL) Dr (g/mL)
L1 - 18.96 ±0.04 2.091 ±0.003 2.580 ±0.003 L4 - 21.87 ±0.35 2.024 ±0.004 2.590 ±0.008 L2 compacte 22.23 2.003 2.575 sous-compactée 24.58 ±1.38 1.943 ±0.034 2.576 ±0.003 L5 jaune 22.87 ±0.36 1.986 ±0.010 2.574 ±0.001 riche en micas 19.80 2.070 2.581
L’inventaire réalisé par Mertz (2006) (figure 3.4) indique que la porosité totale des grès de carrière du Buntsandstein supérieur les moins poreux est inférieure à 5 % alors qu’elle est d’environ 28 % pour les plus poreux d’entre eux. Les mesures obtenues pour les grès du château de Lunéville varient entre 19 et 25 % (tableau 3.4), les situant parmi les grès du Buntsandstein supérieur les plus poreux.
62 CHAPITRE 3. INTERACTIONS EAU/ROCHE
Figure 3.4 – Relation entre porosité totale et porosité libre pour des grès de carrière du Bunt-sandstein supérieur du nord-est de la France. Les ronds pleins représentent les grès Vosgiens. Les triangles creux représentent les grès à Meules (Mertz, 2006).
Les grès du château de Lunéville ont des porosités totales variant de ∼19 % à ∼25 %.
Le faciès L1 et la zone riche en micas de L5 présentent les valeurs de porosité les plus basses tandis que la zone sous-compactée de L2 est la plus poreuse. C’est également dans cette zone que la dispersion est la plus grande.
Les densités réelles mesurées sont très similaires d’un faciès à l’autre, ce qui témoigne d’une même composition minéralogique globale. Ces valeurs sont ∼2.6 g/mL, ce qui est cohérent avec le fait que ces grès contiennent majoritairement du quartz, des feldspaths et des minéraux argileux, dont les densités sont de cet ordre (Mindat, 2017).
Du fait de la porosité non négligeable des faciès, les masses volumiques apparentes sont inférieures aux masses volumiques réelles.
Les différents paramètres extraits des mesures de porosimétrie mercure (porosité totale (NHg),
pourcentage de la microporosité (%micro), rayon modal (rM), coefficient de distribution (Cd))
sont présentés dans le tableau 3.5. La figure 3.5 présente les valeurs de porosité obtenues par zone (moyenne et écart-type) sur les faciès du château de Lunéville et, pour comparaison, des valeurs obtenues sur d’autres grès du Buntsandstein supérieur (Thomachot, 2002; Colas, 2011).
3.2. RÉSULTATS 63