Résultats expérimentaux

Les résultats des essais de chargement thermique seront présentés en fonction de la procédure appliquée: groupe d'essais OS7hpht et OS8hpht, groupe d'essais OS1hpht et OS2hpht pour les sables bitumineux et groupe d'essais SBR1hpht, SBR2hpht et SBR3hpht pour des sables reconstitués saturés de bitume.

IV.3.3.1. Essais sur les sables bitumineux naturels : OS7hpht et OS8hpht

Les caractéristiques des échantillons de sables bitumineux avant essai de chauffage sont données dans le Tableau IV-6.

Tableau IV-6. Caractéristiques estimées des échantillons avant la phase de chauffage.

Essai d (mm) h (mm) m (g) V cm3 g/cm3 e φ % OS7hpht 37,59 73,81 159,33 80,42 1,981 0,573 36,4 OS8hpht 37,44 73,12 156,98 80,15 1,959 0,591 37,1

a) Influence du temps sur les variations de volume sous chargement thermique

La présentation des résultats est faite en utilisant le diagramme (εV ) – log (t) classique en

consolidation des sols fins et adopté par Delage et al. (2000) pour la thermoconsolidation de l’argile de Boom. Pour l'essai OS8hpht, l'échantillon a subi un chauffage par paliers d'environ 10°C entre 25°C et 151°C. La succession des états d'équilibre est représentée sur les figures (Figure IV-21 et Figure IV-22) correspondant aux deux méthodes de mesure du volume de l’échantillon, respectivement à partir des capteurs locaux, de la pompe de pore.

Les courbes de variation de volume en fonction du temps de la Figure IV-21 peuvent être divisées en trois parties: une première partie correspondant à la dilatation thermique (jusqu’à 0,5 heure) des constituants du matériaux, suivie d'une phase de stabilisation pendant 2,5 heures et d’une légère contractance au bout de trois heures (à 41°C ou à 93°C par exemple). La phase de contractance pourrait correspondre à un fluage du matériau sous contrainte isotrope avec un coefficient estimé autour de 0,12-0,15, assez voisin du coefficient de fluage

estimé lors des compressions oedométriques (cf. Figure IV-4). Ce phénomène de fluage a également été observé à haute température par Kosar (1989).

Figure IV-21. Courbes de consolidation sous chargement thermique lors de l'échauffement du sable bitumineux (Essai OS8hpht). La variation volumique est déterminée par les capteurs locaux.

Les courbes de déformation volumique selon la pompe CPV de pore (Figure IV-22) sont perturbées par les oscillations de pression de pore liées à la régulation manuelle de la pression de confinement (voir le chapitre 3). Lorsque les températures dans la cellule se stabilisent, le front thermique continue à se propager le long des tuyauteries externes, ce qui peut expliquer la remontée "tardive" des courbes de variation volumique.

Figure IV-22. Courbes de consolidation sous chargement thermique lors de l'échauffement du sable bitumineux (Essai OS8hpht). La variation volumique est déterminée par la pompe de pore.

b) Variation de volume en fonction de la température

Les déformations de volume sous chargement thermique à 1,5 MPa de contrainte effective des deux essais OS7hpht et OS8hpht sont regroupées sur la Figure IV-23. Avant chauffage, les deux échantillons ont subi deux cycles de charge-décharge en contrainte effective isotrope entre 1,5 MPa et 6 MPa. La variation volumique de l’échantillon OS7hpht via les capteurs locaux n’est malheureusement pas disponible à cause d’un disfonctionnement des capteurs radiaux pendant l’essai. Les courbes de la figure de gauche comportent tous les enregistrements lors de l’évolution de la température. Les oscillations sur les courbes sont dues aux problèmes de régulation de la pression de confinement, mentionné ci-dessus. Les figures de droite ne prennent en compte que les phases de stabilisation à chaque palier thermique. Elles ne présentent pas les périodes transitoires entre deux paliers de température.

a) Acquisition continue b) Acquisition à la fin de chaque palier thermique Figure IV-23. Déformation volumique lors de l'échauffement des sables bitumineux [Essais OS7hpht et OS8hpht].

Le chauffage engendre une dilatation thermique raisonnablement linéaire avec la température presque identique pour les deux essais. Les données fournies par les différentes méthodes de mesure du volume sont voisines, les capteurs locaux donnant les valeurs les plus élevées, contrairement aux essais de compression.

Le coefficient de dilatation thermique du sable bitumineux peut être estimé entre 54 × 10−6 et 90 × 10−6 (°C-1) selon la méthode de mesure de volume considérée. Une valeur moyenne de 72 × 10−6 (°C-1) peut être retenue pour un échauffement jusqu’à 155 °C et sous 1,5 MPa de contrainte effective.

La comparaison des données de pompe de pore après stabilisation de nos essais avec ceux réalisés par Kosar (1989) et par Chalaturnyk (1996) dans des oedomètres est donnée à la Figure IV-24 (les détails des essais OSDTE1 et OSDTE2 de Chalaturnyk et UFCOS3, 4, 5 de Kosar ont été décrits dans l’étude bibliographique).

Figure IV-24. Déformation volumique lors de l'échauffement de sable bitumineux: comparaison avec les résultats de Kosar (1989) et de Chalaturnyk (1996).

Les résultats sont en excellent accord avec les données bibliographiques, ils indiquent que les données volumiques de pompe de pore sont d’une qualité satisfaisante. Les différences observées peuvent provenir de différentes sources: différences de composition des sables, de procédures de chauffage, de type de cellule et de contrainte appliquée. On insiste sur l'influence de la composition minéralogique : nos échantillons ne possèdent pratiquement pas des particules fines (< 0,074 mm) et ils possèdent une teneur importante en bitume (autour de 14 % en masse), à la différence des échantillons de Chalaturnyk et de Kosar qui contenaient une forte quantité de particules fines (de 4 à 13 % pour OSDTE1, OSDTE2 et environ 48 % pour UFCOS3, 4, 5) et une teneur en bitume moins élevée (13,5 % pour OSDTE1, OSDTE2 et 5 % pour UFCOS3, 4, 5). Avec plus de fines et moins du bitume, les échantillons peuvent présenter une dilatation thermique plus faible à cause d’un effondrement de la structure pendant le chauffage, comme dans la consolidation thermique des sols normalement consolidés (Chalaturnyk, 1996). Nos échantillons possèdent des caractéristiques physiques plus proches de celles de Chalaturnyk que celles de Kosar; et on constate que la dilatation thermique est aussi assez proche. Il est également satisfaisant de voir que les courbes de nos échantillons essentiellement composés de quartz donnent un coefficient de dilatation thermique proche de celui du quartz pur.

IV.3.3.2. Essais sur les sables bitumineux naturels en deux phases: OS1hpht et OS2hpht

Les caractéristiques des échantillons de sables bitumineux (OS1hpht et OS2hpht) avant le chauffage sont données dans le Tableau IV-7.

Les figures IV-25 et IV-26 présentent la déformation volumique en fonction de la température. Le chargement thermique a été réalisé en deux phases séparées par un cycle de chargement déviatorique (jusqu’à 2 MPa). Ce cycle a été réalisé sous une température de 74°C pour l’essai OS1hpht et 53°C pour l’essai OS2hpht. La variation volumique des

échantillons par les capteurs locaux n’a malheureusement pas été disponible à cause d’un disfonctionnement des capteurs radiaux.

Tableau IV-7. Caractéristiques estimées des échantillons avant la phase de chauffage.

Essai d (mm) h (mm) m (g) V cm3 g/cm3 e φ % OS1hpht 37,74 74,09 116,16 82,80 1,946 0,601 37,5 OS2hpht 37,73 74,85 165,21 82,92 1,992 0,564 36,0

a) Acquisition continue b) Acquisition à la fin de chaque palier thermique Figure IV-25. Déformation volumique lors de l'échauffement de sable bitumineux (Essai OS1hpht).

a) Acquisition continue b) Acquisition à la fin de chaque palier thermique Figure IV-26. Déformation volumique lors de l'échauffement de sable bitumineux (Essai OS2hpht).

On observe une dilatation linéaire du sable bitumineux caractérisée par un coefficient d’expansion thermique estimé proche de 40 × 10−6 (°C-1) pour l’essai OS1hpht et de 33 × 10−6 (°C-1) pour l’essai OS2hpht, ce qui est légèrement plus faible que celui trouvé précédemment pour les essais OS7hpht et OS8hpht.

IV.3.3.3. Essais sur des échantillons reconstitués saturés de bitume

La variation volumique sous l'action de la température des échantillons reconstitués saturés de bitume (SBR1hpht, SBR2hpht et SBR3hpht) a été uniquement déduite à partir des capteurs axiaux : les capteurs radiaux n’ont pas fonctionné et la mesure de volume sur la pompe CPV de pore a été entachée d’erreur en raison d’une micro-fuite. On a considéré alors que la variation volumique était égale à εV ≈ 3×εaxiale où εaxiale est la déformation axiale moyenne

donnée par les quatre capteurs LVDTs. En effet, cette méthode est basée sur l’hypothèse (probablement pas très juste) de l’isotropie de la déformation de l’échantillon sous chargement thermique à contrainte isotrope constante.

a) Influence du temps sur les variations de volume sous chargement thermique

Les courbes de variation de volume sous chargement thermique des échantillons saturés de bitume sont quasiment similaires à celles des sables bitumineux naturels avec trois phases (Figure IV-27). Cependant, on peut constater que la phase de stabilisation est très courte, voire négligeable (à 53°C par exemple). Le phénomène du fluage pourrait expliquer la recontraction observée à la fin de chaque palier de chauffage.

Figure IV-27. Courbes de consolidation sous chargement thermique lors de l'échauffement de l'échantillon reconstitué saturé de bitume (Essai SBR1hpht). La variation volumique a été suivie via les capteurs axiaux (en faisant l'hypothèse d'une dilatation isotrope).

b) Variation de volume en fonction de la température

La Figure IV-28 présente la déformation volumique en fonction de la température des essais sur des échantillons reconstitués saturés de bitume (SBR1hpht, SBR2hpht et SBR3hpht). De même façon que précédemment, la figure de gauche comporte tous les enregistrements lors de l’évolution de la température, la figure de droite rassemble les points à l’état final de chaque palier de température (juste avant la prochaine montée en température).

a) Acquisition continue b) Acquisition à la fin de chaque palier thermique Figure IV-28. Déformation volumique lors de l'échauffement des échantillons reconstitués saturés de bitume.

Le chauffage induit, comme pour les sables bitumineux naturels, une dilatation proche de celle des quartz purs, illustrée sur la figure de droite. Pendant le refroidissement, la réponse du sable est contractante avec une pente de contraction comparable à celle obtenue pendant le chauffage.