Mesures en laboratoire

3.3.1 Essais de détermination de la conductivité thermique au fluxmètre

Plusieurs méthodes peuvent être utilisées afin de mesurer la conductivité thermique d’un sol. Ces méthodes se divisent en deux types de montage, soit les méthodes en régime permanent, soit les méthodes en régime transitoire. Un montage en régime permanent a été retenu pour les 19 échantillons. L’essai en régime permanent fait appel à la loi de Fourier :

[3.2] ∗ T

où (W/m2_{) est le flux de chaleur, (W/m°C) est la conductivité thermique du}

matériel et T est le gradient de température. Un montage de ce type doit se faire sur un échantillon cylindrique d’une longueur connue. Une température différente est par la suite imposée de manière uniforme aux deux extrémités. L’échantillon doit être isolé minutieusement sur toute sa surface latérale pour supprimer tout échange thermique latéral non désiré. Ce faisant, le gradient de température ainsi que le flux de chaleur sont

Matériel  Densité (g/cm3) Densité 

tomographique (HU)

Air 0,000 ‐1000

Eau 1 000 0

Glace 0,830 to 0,917 ‐170 to ‐83

Sol 0,880 to 2,000 ‐120 to 1920

Sable 1,442 to 2,082 844 to 2124

Argile 1,073 to 1,826 106 to 1612

Cailloux, humide 2 002 1964

Roche 2 512 2984

Quartz 1,201 to 2,643 362 to 3246

Mica 1,602 to 2,883 1164 to 3726

Tourbe, sèche 0,400 ‐600

Tourbe, humide 0,817 ‐183

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alors mesurés en régime permanent pour obtenir la conductivité thermique de l’échantillon suivant l’équation suivante :

[3.3] ∗_∆

où Q (W/m2_{) est le flux de chaleur traversant l’échantillon, ∆ est la différence}

de température entre les deux extrémités de l’échantillon et L (m) est la longueur de l’échantillon cylindrique.

Les essais de conductivité thermique se sont déroulés au laboratoire de géotechnique de l’Université Laval suivant les procédures expérimentales déjà élaborées par Côté et Konrad (2005a) (Figure 16).

Figure 16: Schéma conceptuel d’un montage de mesure de conductivité thermique au fluxmètre; tirée de Lachance (2014).

Au préalable, les 19 échantillons ont été précisément taillés. La longueur connue de ceux-ci s’étalait entre 8 et 8,5 cm. Les analyses au fluxmètre ont été effectuées à l’intérieur d’une boîte isolée de la température extérieure (-20°C) et à une température

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intérieure de -8°C. Afin de créer un flux thermique vertical constant, la température aux extrémités était de -4°C (tête chaude) et de -12°C (base froide). Les températures étaient maintenues au moyen de deux échangeurs de chaleurs (Figure 17) contrôlés par deux bains

thermiques alimentant le liquide caloporteur. La durée des essais a variée entre 20 et 24 heures par spécimen (Figure 18).

Figure 17: (A) Échangeurs de chaleur -4°C sur le haut de l'échantillon et -12°C sur le bas. Le transfert de chaleur est également assuré par deux cylindres de laiton; (B) Un poids de 20 livres (9,72 kg) est apposé sur le dessus pour assurer un contact thermique maximal; (C) Les thermocouples de cuivre assurent une lecture thermique à 5 endroits sur chaque plaque.

Figure 18: Exemple de résultat (K8) d'un essai de conductivité thermique au fluxmètre. Un essai est généralement concluant lorsque la conductivité thermique instantanée est stabilisée pour une période de 24 heures.

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3.3.2 Granulométrie

Les analyses granulométriques ont été effectuées au laboratoire de géomorphologie et de sédimentologie de l’Université Laval suivant le protocole des analyses géotechniques appliquées aux régions froides du Centre d’études nordiques (L’Hérault et al., 2013). Selon ce protocole, basé sur le protocole élaboré par Cayer (2010), les analyses ont été faites dans l’ordre suivant : 1) détermination de la teneur en eau; 2) séparation de la fraction grossière et de la fraction fine; 3) analyse granulométrique de la fraction grossière par tamis; 4) élimination de la matière organique par perte au feu; 5) analyse granulométrique de la fraction fine par diffraction laser. 3.3.3 Détermination de la surface spécifique

La présence d’un contenu en eau non gelée dans un sol fait varier considérablement la conductivité thermique du pergélisol (Anderson et Tice, 1972; Farouki, 1981). Dans certains dépôts argileux, une teneur en eau non gelée de l’ordre de 2% a été enregistrée (Williams, 1964; Stein et al., 1983; Watanabe et Mizoguchi, 2002) jusqu’à une température de -10°C. Ces valeurs, même lorsque très faibles, peuvent faire varier considérablement la conductivité thermique du sol. C’est pourquoi, suite aux analyses granulométriques, l’hypothèse d’un contenu en eau non gelée (θ ) a été soulevée pour les échantillons ayant une présence élevée de sédiments fins (silt et argile). La détermination de la surface spécifique (Ss) s’est effectuée au laboratoire de

géotechnique du département de génie civil de l’Université Laval en suivant le dossier technique DT-12 de la Chaire industrielle de Recherche en Exploitation des infrastructures soumise au Gel (Gilbert, 2008). Huit échantillons, représentant la variabilité granulométrique des tous les échantillons, ont été analysés à l’aide de cette méthode. Celle-ci combine l’essai classique du titrage avec le bleu méthylène avec l’utilisation d’une centrifugeuse et d’un spectromètre (Figure 19), permettant ainsi de

minimiser l’interprétation parfois fautive de la seule analyse au bleu de méthylène sur papier filtre.

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Figure 19: (A) L'absorption et la saturation en bleu méthylène des particules fines (<80 µm) d'un échantillon; (B) la centrifugeuse extrait le surnageant; (C) l'absorbance du bleu méthylène est vérifiée très précisément à la longueur d'onde du bleu (664nm) et permet de savoir si le sol a atteint son point de saturation, c’est à dire la valeur au bleu méthylène ajouté.

Cette méthode, beaucoup plus précise, consiste à déterminer le point de saturation en bleu méthylène. Au préalable, une quantité de sols prédéterminée (25g pour silt et argile; 100g pour sable et gravier) est mélangée avec 100ml d’eau déminéralisée. En ajoutant graduellement une concentration de 10g/l de bleu méthylène au mélange eau/sol, la mixture peut être échantillonnée avec une pipette après un brassage de 15 minutes au mélangeur à ailettes et une période de repos de 2 minutes. L’eau en surface prélevée est par la suite disposée dans de petits tubes pour être centrifugée pendant 5 minutes à une vitesse de 13 G. Le surnageant est par la suite analysé au spectromètre qui permettra de mesurer de manière précise l’absorption maximale du bleu méthylène (664 nm). Une fois le point de saturation trouvé, la surface spécifique (Ss) est déterminée par le poids de bleu

méthylène utilisé (Wt bleu) et le poids du sol sec (Wt sol) (Gilbert, 2008) :

[3.4] ∗

Suivant l’équation suivante (Anderson et Tice, 1972; Côté et Konrad, 2005b), la teneur en eau non gelée est donc trouvée à l’aide de Ss, de la masse volumique (ρd) et de la

température (T) du sol:

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