Porosimétrie mercure

Cette méthode permet de mesurer des tailles de pores sur une gamme importante mais il s’agit d’une méthode destructive.

Cette méthode consiste à faire pénétrer du mercure dans un échantillon en exerçant des pressions croissantes. En effet, la pénétration d’un liquide non mouillant, tel que le mercure, n’est possible que sous l’action d’une force externe qui s’oppose à la résistance créée par la tension superficielle du liquide. Expérimentalement, on augmente au fur et à mesure la pression du mercure et on mesure en même temps le volume de mercure qui a pénétré dans l’échantillon.

Pour « traduire » les pressions de mercure en terme de diamètre de pore, on utilise les équations de Washburn et de Young-Laplace (cf annexe 2).

Informations obtenues et précautions à prendre pour l’analyse des résultats

La porosimétrie mercure permet de mesurer la porosité totale de l’échantillon et de caractériser finement le réseau poreux : taille d’accès aux pores, pourcentage de porosité piégée, … On peut également obtenir différents porogrammes qui permettent essentiellement de montrer la présence

de méso- et de macroporosité et de les tracer en fonction des rayons de pore grâce à l’équation de Washburn.

Il faut également prendre garde à certains points concernant l’analyse des courbes.  « Taille de pores »

Il ne faut pas oublier que dans le cas de porosité mesurée par porosimétrie mercure, la notion de taille de pores est en fait à rapporter à la taille d’accès aux pores. En effet, une limitation de la porosimétrie mercure est l’effet "bouteille d’encre" (cf annexe 2).

 Effets parasites

Il faut tenir compte du fait que la pression exercée sur le matériau est très importante et induit fréquemment une compression de l’échantillon, particulièrement si ce dernier est peu résistant. Cette technique peut aller jusqu’à écraser le matériau sous l’effet de la pression appliquée et même le détériorer si le réseau poreux est fragile.

Dans le cas où le matériau « encaisse » cette pression, il faut tout de même essayer de faire la part entre la compression de l’échantillon et la porosité réelle [LOW, 04].

 Cas d’une poudre

Dans le cas d’étude de poudre, il faut faire la part entre la porosité intergranulaire et intragranulaire. La porosité intragranulaire est intrinsèque aux grains mais la porosité intergranulaire, qui se situe entre les grains, dépend de leur empilement et donc du réarrangement effectué lors de la mise sous pression.

Appareillage utilisé et conditions d’analyse

L’appareil utilisé est un Micromeritics AUTOpore III. La mesure s’opère en deux temps, d’abord la mesure à basse pression (0,003 à 0,207 MPa) puis la mesure à haute pression (0,207 à 413 MPa). L’échantillon est placé dans un pénétromètre où l’échantillon est préalablement dégazé. La cellule est ensuite peu à peu remplie par le mercure.

Il existe plusieurs méthodes pour incrémenter la pression :

- injection d’un volume constant de mercure par unité de temps ;

- incrément de pression constant par unité de temps.

La méthode est à choisir en fonction des échantillons analysés de façon à obtenir des courbes exploitables et doit bien sûr être la même pour tous les échantillons que l’on veut comparer. Les tests préliminaires ont montré que la méthode par incrément de pression avec un temps d’attente pour atteindre l’équilibre à chaque pression était plus adaptée.

Dans ce travail, quel que soit l’échantillon analysé, la méthode par incrément de pression a été utilisée. Les échantillons ont également été soumis à 2 cycles d’intrusion-extrusion qui engendrent l’apparition d’une hystérésis. Cette méthode a plusieurs avantages :

- lors du deuxième cycle, on s’affranchit de la porosité intergranulaire. En effet, le deuxième cycle est fait uniquement sur l’étape « haute pression » alors que cette porosité se remplit lors du passage en basse pression uniquement ;

- l’hystérésis permet de voir la représentativité de la mesure. Il faut effectivement que les deux extrusions se superposent pour montrer que le volume poreux est constant et qu’il ne s’agit pas d’une déformation de l’échantillon à cause de la pression appliquée.

Remarque générale concernant la présentation des résultats de porosité

Il existe plusieurs façons de présenter les résultats issus de l’adsorption gazeuse ou de porosimétrie mercure [LOW, 04]. Certaines d’entre elles peuvent engendrer une exagération de certaines familles de pores en fonction des échantillons analysés [MEY et al., 99]. Nous avons choisi d’utiliser l’une et/ou l’autre présentation(s) suivante(s) :

- courbe cumulative du volume poral (volume cumulé en fonction du diamètre de pore : Σi ∆Vi = f(di))

- distribution incrémentale pour pouvoir faire apparaître les différentes familles de pores (-ΔVi/Δdi = f(di))

4.2. Résultats

4.2.1. Surface spécifique

Les analyses ont été réalisées sur 3 échantillons de sédiment :

Surface spécifique (m²/g) Ecart-type

Sédiment PC 2,8 0,6

Sédiment PC 0/2 2,6 0,5

On peut remarquer que la surface spécifique du sédiment PC 0/2 et celle du sédiment PC sont du même ordre de grandeur, il n’y a pas de différence entre les deux. On aurait pu penser que le broyage du sédiment PC pour réaliser le sédiment PC 0/2 entraînerait une augmentation importante de la surface spécifique, ce qui n’est pas le cas. Cela peut s’expliquer par le fait que les gros grains du sédiment PC sont en fait des agglomérats de grains. Cela avait déjà été remarqué car une simple pression du doigt sur certains de ces « gros » grains entraînait automatiquement leur décomposition en des grains plus petits (cf § 2.2). De ce fait, la surface spécifique, qui est mesurée par l’adsorption de gaz, est quasiment la même entre les deux échantillons. En effet, si les grains sont simplement agglomérés, le gaz va pouvoir quand même s’infiltrer dans les interstices et la surface spécifique n’est pas très différente entre des grains faiblement agglomérés ou juste juxtaposés.

Par rapport à un sable siliceux alluvionnaire (1,9 m²/g), cette valeur est un peu plus élevée. Cela peut s’expliquer notamment par la grande quantité de fines présente dans le sédiment traité (cf § 2.). Comme pour la masse volumique réelle (cf § 3.3), Ramaroson [RAM, 08] a étudié l’évolution de la surface spécifique en fonction de la température de calcination sur des sédiments de Dampremy mais qui n’ont subi que la phase de phosphatation du traitement Novosol® (cf figure B-I-12)

On rappelle que la température au sein du four de calcination n’est pas homogène et peut varier de 750 à 900°C. On remarque que pour une calcination comprise entre ces températures (fuseau sur la figure B-I-12), la surface spécifique varie très rapidement. En effet, elle peut être comprise entre 1 et 16 m²/g environ. L’ordre de grandeur trouvé, représenté par un trait rouge sur la figure ci-après, correspond plus à une calcination proche de 900°C.

Figure B-I- 12 : Evolution de la surface spécifique en fonction de la température de calcination [RAM, 08]