Propriétés mécaniques

0 , , , = − i n i n i X X X

AvecX_i,0la valeur mesurée à l'état initial pour l'échantillon i sacrifié au cycle n

La moyenne sur les 4 échantillons sacrifiés au cycle n vaut donc :

∑

La valeur minimale (ou maximale) des 4 échantillons sacrifiés au cycle n correspond à la valeur la plus petite (la plus grande respectivement) des%X_i,n, i allant de 1 à 4.

La mesure de toutes les perméabilités initiales des échantillons aurait retardé le début des cycles annuels d’altération accélérés d’au moins un mois, nous avons donc regardé s’il était possible de l’estimer avec une bonne précision à partir de la mesure d’un autre paramètre : la porosité à l’eau, pour chaque roche. Ainsi, nous avons mesuré la perméabilité et la porosité de 20 éprouvettes de Pierre de Lens et de 20 éprouvettes de Chamesson. Les résultats de ces mesures ont permis d’aboutir à des relations, données dans le Tableau 5-1, avec une très bonne corrélation. Nous calculerons donc la perméabilité initiale de chacun des échantillons à partir de la mesure de leur porosité et en utilisant les relations établies ici.

Gamme de porosité mesurée

Relation entre la perméabilité k et la porosité à l’eau n d’un échantillon

Corrélation de la relation Calcaire de Chamesson De 15,3 à 17,9 % 19 0,3438 3 10 ⁿ k = × ⁻ ×e ^× 0,95 Pierre de Lens De 12,3 à 17,2 % k = ×2 10⁻18×e0,3525^×n 0,97

Tableau 5-1 Relation empirique entre la perméabilité et la porosité de chaque calcaire obtenue par la mesure de la perméabilité et la porosité de 20 échantillons de chaque calcaire

5.2. Processus d’altération du calcaire de Chamesson en

Bourgogne

5.2.1. Endommagement par cycles annuels d'altération accélérés

Le cycle annuel d’altération accéléré déterminé pour le calcaire de Chamesson est donné dans le Tableau 2-11. Il est constitué de 14 jours de dissolution et de 28 cycles de gel-dégel.

5.2.1.1. Propriétés mécaniques

Dans cette partie, nous présentons l'évolution des propriétés mécaniques des échantillons sacrifiés après chaque cycle annuel d'altération accéléré.

La Figure 5-1 présente l'évolution de la fréquence de résonance relative pour les 4 échantillons sacrifiés à chaque cycle en valeurs moyenne, minimale et maximale.

Avant toute analyse, il est important de préciser que les valeurs obtenues, malgré une importante évolution au cours des cycles, présentent une faible dispersion. Par ailleurs, l’étude de la fréquence de résonance au Chapitre 3 (3.2.2.2) permet de conclure que cette mesure est très sensible à toute modification microstructurale. Donc la faible dispersion des valeurs au cours de cycles traduit un comportement homogène entre les différentes éprouvettes du calcaire de Chamesson.

Concernant l'analyse de l'évolution de la fréquence de résonance, on voit déjà qu'elle se décompose en deux phases :

- phase 1 : jusqu'au cycle 3, il y a une franche diminution de la fréquence de résonance ; - phase 2 : à partir du cycle 4, la fréquence de résonance diminue très légèrement voire se stabilise aux alentours de 80% de diminution par rapport à la valeur initiale.

Fréquence de résonance -100% -90% -80% -70% -60% -50% -40% -30% -20% -10% 0% 0 2 4 6 8 10 12 min moyenne max

Figure 5-1 Evolution de la fréquence de résonance en fonction des cycles annuels d'altération accélérés pour le calcaire de Chamesson. Valeurs obtenues par des mesures sur 4 échantillons.

Or, la diminution de la fréquence de résonance résulte de la déstructuration du squelette rocheux (Prick, 1997;Goudie et al., 1992), c’est-à-dire une modification du squelette rocheux distincte d’une modification au niveau des vides (pores et/ou fissures). Donc lors de la phase 1, premier stade de l'endommagement, le squelette rocheux se déstructure de façon importante. Ensuite, lors de la phase 2 : la baisse est très limitée par rapport à la baisse observée lors de la phase 1. La déstructuration du squelette rocheux est donc plus limitée. La phase 2 correspond donc à une phase où le squelette rocheux a atteint une déstructuration maximale. Une limite inférieure apparaît sur la Figure 5-1, proche de -80 %. Cette valeur semble marquer la limite avant la rupture des échantillons. Nous y reviendrons dans le Chapitre 6 (6.3.2.2).

Par ailleurs, au cycle 7, 2 échantillons sur 4 ont leur fréquence de résonance qui a baissé de plus de 90%, ce qui explique l'écart avec la tendance observée pour les cycles avant et après ce cycle. Or, la dispersion des valeurs augmente avec l’endommagement (Chapitre 3, 3.2.2.2) et est accentuée à cause du comportement aléatoire de la rupture pour les matériaux fragiles (Grange, 2007;Weibull, 1939). Nous pouvons donc considérer que ces deux échantillons sont compris dans la phase 2.

Les informations données par la fréquence de résonance mettent en évidence deux phases (avant et après le cycle 3) qui traduisent l'évolution de la déstructuration du squelette rocheux. Regardons maintenant l'évolution des mesures de vitesse du son (Figure 5-2).

Comme pour la fréquence de résonance, les faibles écarts entre la valeur moyenne et les valeurs minimale et maximale et la sensibilité de la mesure déduite du Chapitre 3 (3.2.2.1) prouvent que les éprouvettes ont un comportement homogène. A partir de l'allure de la courbe, il est possible de distinguer deux phases :

- phase 1 : jusqu'au cycle 3, comme pour l'évolution de la fréquence de résonance, la vitesse du son chute linéairement pour atteindre -45% de sa valeur initiale au cycle 3 ;

- phase 2 : à partir du cycle 4, la baisse de la vitesse du son est plus atténuée et semble se faire par palier. Vitesse du son -80% -70% -60% -50% -40% -30% -20% -10% 0% 0 2 4 6 8 10 12 min moyenne max

Figure 5-2 Evolution de la vitesse du son en fonction des cycles annuels d'altération accélérés pour le calcaire de Chamesson. Valeurs obtenues par des mesures sur 4 échantillons.

Il est intéressant de voir que la phase 1 décrite pour la vitesse du son coïncide avec la phase 1 décrite pour la fréquence de résonance : elle concerne les mêmes cycles et correspond à une baisse importante par rapport à la valeur initiale. On peut donc dire que cette diminution de la vitesse du son est à attribuer à la déstructuration du squelette rocheux.

Concernant la phase 2, la diminution de la vitesse du son se fait par palier, alors que la fréquence de résonance dans cette phase semble atteindre une valeur basse limite. Ainsi, il n’y presque plus de déstructuration du squelette rocheux au cours de cette phase. Par contre, la diminution par palier de la vitesse du son résulte d'une modification de la roche. Or, contrairement à la fréquence de résonance qui ne peut pas être mesurée dans l'air, la vitesse du son se propage dans l'air. Donc, lors de la phase 2, il n'y a pas (ou peu) de modification du squelette rocheux mais il y a un élargissement des vides (pores et/ou fissures) présents dans la roche. Le fait que l'élargissement des vides se fasse par palier peut être attribué au phénomène de fatigue des fissures : jusqu'à un certain nombre de cycles, les vides s'écartent de manière réversible sous sollicitations et la vitesse du son ne change pas. Mais à partir d'un nombre de cycles critique, l'élargissement des vides augmente de façon irréversible et donc la vitesse du son diminue.

Les informations données par la vitesse du son mettent en évidence les deux mêmes phases que la fréquence de résonance (avant et après le cycle 3). En plus de traduire l'évolution de la structure du squelette rocheux, la vitesse du son informe sur l'élargissement des vides.

La vitesse du son permet également de calculer l'indice de continuité de la roche (cf. Chapitre 3, 3.2.1.2). Cet indice, combiné à la valeur de la porosité à l'eau, permet de connaître la part de porosité liée aux pores et celle liée aux fissures. Les valeurs obtenues à chaque cycle sont reportées dans la Figure 5-3 pour la porosité liée aux pores et dans la Figure 5-4 pour la porosité liée aux fissures.

Porosité liée aux pores -6% -4% -2% 0% 2% 4% 6% 8% 0 2 4 6 8 10 12 min moyenne max

Figure 5-3 Evolution de la porosité liée aux pores (Tourenq et al., 1971) en fonction des cycles annuels d’altération accélérés pour le calcaire de Chamesson. Valeurs obtenues par des mesures sur 4 échantillons.

Porosité liée aux fissures

0% 50% 100% 150% 200% 250% 300% 350% 400% 0 2 4 6 8 10 12 min moyenne max

Figure 5-4 Evolution de la porosité liée aux fissures (Tourenq et al., 1971) en fonction des cycles annuels d’altération accélérés pour le calcaire de Chamesson. Valeurs obtenues par des mesures sur 4 échantillons.

Au niveau de la porosité liée aux pores (Figure 5-3), son évolution est plus hétérogène que pour les courbes précédentes, il est néanmoins possible de raisonner en regardant la valeur moyenne obtenue pour chaque cycle sur les 4 échantillons sacrifiés. Jusqu’au cycle 3, la porosité liée aux pores diminue de quelques pourcents, il s’agit de la phase 1 décrite pour les évolutions de la fréquence de résonance et de la vitesse du son. A partir du cycle 4, elle augmente par palier (avec une légère baisse au cycle 6), il s’agit de la phase 2 décrite pour

les évolutions de la fréquence de résonance et de la vitesse du son. Notons que cette augmentation débute pour des évolutions négatives de la porosité par rapport à la porosité initiale puis elle atteint des évolutions positives à partir du cycle 7.

Concernant la porosité liée aux fissures (Figure 5-4), elle augmente fortement jusqu’au cycle 3 (+ 250 %), c’est-à-dire pour la phase 1 décrite pour les évolutions de la fréquence de résonance et de la vitesse du son. Puis l’augmentation se fait de façon plus douce pour atteindre + 350 % au cycle 10, c’est-à-dire pour la phase 2 décrite pour les évolutions de la fréquence de résonance et de la vitesse du son.

Donc, au cours de la phase 1, la porosité liée aux fissures augmente fortement, ce qui fait chuter la valeur de la fréquence de résonance et celle de la vitesse du son. Il apparaît aussi une relation entre l’augmentation de la porosité liée aux fissures et celle liée aux pores : quand la porosité liée aux fissures augmentent fortement, la porosité liée aux pores diminue. La propagation des fissures se fait donc au détriment des pores existants lors de la phase 1. Au cours de la phase 2, l’augmentation de la porosité liée aux fissures est plus atténuée. Cette augmentation n’a plus d’effet marqué sur l’évolution de la fréquence de résonance. A cette augmentation s’ajoute une augmentation par palier de la porosité liée aux pores. Cette augmentation rejoint la diminution par palier de la vitesse du son. Pendant la phase 2, la fissuration se stabilise et la porosité liée aux pores augmente.

Lors de la phase 1, c’est l’augmentation de la porosité liée aux fissures qui provoque une forte diminution de la fréquence de résonance et de la vitesse du son. Pendant la phase 2, l’augmentation par palier de la porosité liée aux pores provoque une diminution par palier de la vitesse du son sans affecter la fréquence de résonance, ce qui confirme l’hypothèse d’un élargissement des vides.

Intéressons nous, enfin, à la dernière propriété mécanique de cette étude : la résistance à la compression uniaxiale. Nous avons mesuré la résistance en compression à chaque cycle sur un échantillon à l’état sec et un échantillon à l’état saturé à 100%. Ces deux états permettent d’estimer la gamme de variations de la résistance en compression en fonction du degré de saturation : à l’état sec, la roche a une résistance maximale ; à l’état saturé à 100%, elle a une résistance quasi-minimale (cf. Chapitre 3, 3.2.3.2). Les incertitudes pour ces mesures sont présentées dans le Chapitre 3 (3.2.3.2). Notons également que les résultats ne sont pas donnés en valeur relative car il s’agit d’un essai destructif et il n’y a donc pas de valeur initiale. Les résultats obtenus sont présentés dans la Figure 5-5.

Les valeurs de résistance en compression font apparaître deux phases : - jusqu’au cycle 3, la résistance en compression diminue fortement ;

- à partir du cycle 4, la résistance en compression diminue de façon plus modérée.

Ces deux phases coïncident avec les phases décrites précédemment. Donc, au cours de la phase 1, l’augmentation importante de la porosité liée aux fissures entraîne une forte baisse de la fréquence de résonance, de la vitesse du son et de la résistance à la compression.

Et, au cours de la phase 2, l’augmentation par palier de la porosité liée aux pores a un impact sur la baisse par palier de la vitesse du son, mais elle n’a pas d’impact sur la fréquence de résonance ni sur la résistance à la compression. La résistance à la compression continue à diminuer, de façon plus modérée, de la même manière que la porosité liée aux fissures continue à augmenter d’une façon plus modérée.

Les valeurs de résistance en compression font apparaître les deux phases d’évolution observées jusqu’à présent : une forte baisse jusqu’au cycle 3 puis une baisse plus modérée.

0 10 20 30 40