variation de masse (%)
-0.50 -0.40 -0.30 -0.20 -0.10 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50déformation (%)
variation de masse déformation axiale L déformation orthoradiale T micro-fissuration + gonflement ? extrapolation de εL à ws=1 ~ ~ ~~
~ ∆ Mi → sPartie IV - Effets d'une sollicitation hydrique sur les argilites Chapitre 11 - Evolutions des paramètres physiques et microstructuraux lors des transferts hydriques
- IV.19 -
11.1.3
- Déformations locales et évolutions microstructurales selon l'état hydriqueLes évolutions microstructurales potentiellement induites par les succions sont analysées par différentes méthodes directes ou indirectes telles que :
- des observations microstructurales optiques comparatives sur les mêmes zones entre les états initiaux et post succion, aux échelles méso- et micro-scopiques,
- des mesures des déformations locales par corrélation Méso et Micro DIC des images acquises précédemment aux différentes échelles,
- des mesures de célérités ante et post succion,
- un suivi des émissions acoustiques en cours de succion de façon à quantifier l'apparition d'un éventuel endommagement d'origine purement hydrique.
11.1.3.1
- Observations microstructuralesLes observations sont effectuées aux échelles méso- et micro-scopiques sur les méplats polis. La démarche est assez lourde en terme de taille d'image, en particulier à l'échelle microscopique avec des tailles d'images de 8 Moctets. A cette échelle, les observations sont menées seulement pour les hygrométries de 98 et 44% RH. Des images sont ainsi acquises sur les zones centrales des éprouvettes une première fois avant la mise dans l'enceinte de succion (état de référence), et une seconde fois, après que le transfert hydrique imposé par la succion est achevé. Cela représente environ 70 images acquises selon deux modes d'éclairage sous angles normal et latéral. Rappelons que ces deux modes éclairages permettent respectivement de révéler la microstructure pour le premier, et pour le second, d'optimiser les conditions d'imagerie pour la corrélation d'images.
Pour l'ensemble des images présentées (θ = 90°), l'axe horizontal des images correspond aux plans de stratification et l'axe vertical est coaxial à celui de l'éprouvette (donc perpendiculaire aux plans de strates). Ce repérage est symbolisé par le symbole suivant .
Sont maintenant présentées les évolutions des microstructure selon les niveaux de succion imposée.
atmosphère de 98% RH
La succion à 98% RH induit la création de nouvelles fissures et l'ouverture de fissures pré- existantes (Figure 11.8).
De façon mésoscopique, les nouvelles fissures sont majoritairement et régulièrement disposées de façon parallèle à la stratification avec des ouvertures de l'ordre de 15 à 20 µm (Figure 11.9). Leur pas est selon la direction perpendiculaire aux strates, de l'ordre de la dizaine de millimètre (Figure 11.8) ; d'autres fissures sont aussi visibles dans la direction perpendiculaire mais en quantité et ouverture moindres.
Les observations microscopiques montrent qu'à l'échelle des grains, les fissures ne sont pas droites et peuvent comporter de multiples déviations. La Figure 11.10 présente une même zone avant et après succion, éclairée normalement et latéralement : initialement, la zone est saine sans trace de discontinuité (à cette échelle du moins) ; après succion, une fissure hydrique est visible. Une fissure orientée à 45° par rapport à la stratification, chemine dans la matrice argileuse en contournant les grains minéraux.
Les fissures pré-existantes à la succion qui, comme nous l'avons observé au Chapitre 9, sont majoritairement parallèles à la stratification et d'ouverture initiale de l'ordre de 3 µm, présentent des ouvertures après succion de l'ordre de la vingtaine de microns (Figure 11.11), soit à l'identique des nouvelles fissures.
Une telle fissuration d'origine hydrique avait déjà été observée visuellement à l'œil par Chiarelli [CHI 00] après passage en atmosphère quasi-saturée ; à partir d'observations macroscopiques, l'auteur mentionne une orientation privilégiée de ces fissures dans des plans horizontaux de stratification, ce que confirment nos observations.
axe optique de la caméra
axe vertical du site
Partie IV - Effets d'une sollicitation hydrique sur les argilites Chapitre 11 - Evolutions des paramètres physiques et microstructuraux lors des transferts hydriques
- IV.20 -
méplat A de l'éprouvette B16 avant succion méplat A de l'éprouvette B16 après succion
en noir, fissures pré-existantes à la succion - en rouge, fissures hydriques.
Figure 11.8 - Mise en évidence de la fissuration d'origine hydrique pour les états 98% RH (échelle Méso).
L'image correspond au champ global (15 × 72 mm2) d'un des deux méplats polis réalisés par éprouvette. Le pas des fissures hydriques perpendiculairement aux strates est de l'ordre de 10mm.
10 mm
Partie IV - Effets d'une sollicitation hydrique sur les argilites Chapitre 11 - Evolutions des paramètres physiques et microstructuraux lors des transferts hydriques
- IV.21 -
avant succion : présence d'une fissure pré-existante sub-horizontale.
après succion : ouverture de la fissure pré-existante et création de nouvelles fissures.
Figure 11.9 – Détails de la microstructure (échelle Méso) avant et après la succion à 98% RH.
Les fissures pré-existantes sur méplat poli apparaissent en blanc du fait de la présence de résidus de polissage incrustés dans les vides.
1 mm
stratification
fissure pré-existante
Partie IV - Effets d'une sollicitation hydrique sur les argilites Chapitre 11 - Evolutions des paramètres physiques et microstructuraux lors des transferts hydriques
- IV.22 -
avant succion après succion
écla irage n o rm al écla irage lat éra l
Figure 11.10 – Apparition d'une fissure hydrique après la succion à 98% RH (échelle Micro).
50 µm
Partie IV - Effets d'une sollicitation hydrique sur les argilites Chapitre 11 - Evolutions des paramètres physiques et microstructuraux lors des transferts hydriques
- IV.23 -
avant succion : présence d'une fissure pré-existante sub-horizontale.
après succion : ouverture de la fissure pré-existante.
Figure 11.11 - Détails autour d'une fissure pré-existante (échelle Micro) avant et après la succion à 98% RH.
stratification
100 µm
20 µm 3 µm
Partie IV - Effets d'une sollicitation hydrique sur les argilites Chapitre 11 - Evolutions des paramètres physiques et microstructuraux lors des transferts hydriques
- IV.24 -
atmosphère de 76% RH
Pour l'hygrométrie à 76 % RH, nous n'avons pas observé la création de nouvelles fissures hydriques (Figure 11.12). Les quelques fissures pré-existantes sub-horizontales fermées avant succion s'ouvrent de l'ordre de la quinzaine de microns (détails sur la Figure 11.13).
méplat A de l'éprouvette B17 avant succion méplat A de l'éprouvette B17 après succion
en noir, fissures pré-existantes à la succion - en rouge, fissures hydriques.
Figure 11.12 - Mise en évidence de la fissuration d'origine hydrique pour l'état 76% RH.
10 mm
Partie IV - Effets d'une sollicitation hydrique sur les argilites Chapitre 11 - Evolutions des paramètres physiques et microstructuraux lors des transferts hydriques
- IV.25 -
avant succion, présence d'une fissure sub-horizontale qui apparaît fermée à l'échelle Méso.
après succion, la fissure est ouverte d'une quinzaine de microns.
Figure 11.13 - Détails autour d'une fissure pré-existante (échelle Méso) avant et après la succion à 76% RH
atmosphères de 44 et 32 % RH
Contrairement aux succions précédentes, les succions à 44 et 32 % RH tendent à refermer les fissures pré-existantes sans en ouvrir d'autres (Figure 11.14 et Figure 11.15). Ceci est conforme à la contraction générale mise en évidence par les jauges.
Aucun déchaussement autour des grains non argileux (carbonates ou quartz) n'a été observé à cette échelle dont la résolution est de 0,75 µm (Figure 11.15).
1 mm
1 mm stratification
Partie IV - Effets d'une sollicitation hydrique sur les argilites Chapitre 11 - Evolutions des paramètres physiques et microstructuraux lors des transferts hydriques
- IV.26 -
avant succion : présence d'une fissure pré-existante sub-horizontale.
après succion : fermeture de la fissure pré-existante sans création de nouvelles fissures.
Figure 11.14 - Détails de la microstructure (échelle Méso) avant et après la succion à 44% RH.
avant succion après succion
Figure 11.15 - Détails de la microstructure (échelle Micro) avant et après la succion à 44% RH.
stratification 1 mm 50 µm 50 µm stratification stratification 4-5 µm
Partie IV - Effets d'une sollicitation hydrique sur les argilites Chapitre 11 - Evolutions des paramètres physiques et microstructuraux lors des transferts hydriques
- IV.27 -
11.1.3.2
- Déformations localesNous abordons maintenant les déformations mesurées en extensométrie optique par corrélation des images acquises avant et après succion en Méso et Micro DIC7.
a - problème de repositionnement des éprouvettes
La principale difficulté rencontrée est de retrouver les mêmes configurations d'imagerie entre l'état avant succion et l'état après succion. Selon les échelles considérées et les montages associés, les origines de ces difficultés diffèrent.
a.1 - échelle Méso DIC
A l'échelle Méso DIC, les principaux problèmes proviennent du repositionnement géométrique (cf. § 6.1.3.1) : en particulier l'angle βV qui détermine l'orthogonalité le méplat observé et l'axe optique
(Figure 6.6) est difficile à régler de façon à respecter cette normalité. De plus, il n'est pas aisé de se retrouver dans un positionnement identique pour les configurations avant et après succion. Cet ensemble de causes induit une rotation de la surface observée, ce qui a pour conséquence une variation globale du grandissement. Ceci se traduit sur le calcul des déformations par un gradient latéral entre les zones de gauche et de droite des cartographies selon l'axe T comme cela est visible sur la Figure 11.16. Par contre, les déformations selon l'axe L ne présentent pas de tels gradients, ce qui laisse penser que l'angle βH de la Figure 6.6 est correct (cet angle est assez facile à régler par l'emploi d'un
niveau à bulle).
Dans le but d'identifier, voire de quantifier cette erreur de grandissement et ses conséquences sur le calcul des déformations, nous avons mis en place une méthode de repositionnement présentée dans l'Annexe D2. Ainsi, nous montrons que cette méthode n'est pas optimale mais que toutefois il est possible d'extraire des déformations moyennes à partir des cartographies selon l'axe T. Les zones sur lesquelles ces déformations sont calculées sont mentionnées sur les cartographies par des rectangles rouges (cf. Figure 11.17, Figure 11.19, Figure 11.20 et Figure 11.23 pour les quatre états hydriques).
a.2 - échelle Micro DIC
A l'échelle Micro DIC, l'acquisition des images étant réalisée au microscope optique de type métallographie, le repositionnement des surfaces observées est plus aisé que en Méso DIC. En effet, la très faible profondeur de champ du microscope impose une orthogonalité quasi parfaite entre la surface et l'axe optique, ce qui limite les erreurs sur l'angle βV et ainsi les gradients de déformations sur
les méplats. Par contre, la corrélation entre images est particulièrement sensible aux évolutions importantes des états de surface qui peuvent introduire des réflexions locales différentes entre les deux états, ce qui se traduit par des différences de distribution spatiale de contraste. Dans notre cas, pour les fortes humidités, les surfaces ont beaucoup évolué durant les 30 ou 40 jours de la succion comme le montre la Figure 11.10, ce qui a rendu impossible l'appariement par corrélation à 98% RH. Il eût été souhaitable d'effectuer des acquisitions d'images au cours de la succion (typiquement avec des intervalles de temps de l'ordre de quelques heures), les évolutions microstructurales entre deux images successives auraient alors été a priori suffisamment faibles pour permettre l'appariement par corrélation. Ceci n'a pas pu être réalisé car cela aurait alors monopolisé le matériel optique pendant une durée longue (typiquement de 40 jours).
7 Rappelons que les bases de mesure des déformations sont de 530×530 µm2 et de 44×44 µm2
pour respectivement les échelles Méso et Micro DIC (Figure 11.2).
Partie IV - Effets d'une sollicitation hydrique sur les argilites Chapitre 11 - Evolutions des paramètres physiques et microstructuraux lors des transferts hydriques
- IV.28 -
déformation εT, // stratification déformation εL , ⊥ stratification
Figure 11.16 - Détails des cartographies de déformation sur les parties droite et gauche des méplats (cas 98% RH). déformations mesurées
sur zone non fissurée %
zone de gauche zone de droite
ε
T // stratification +0,05 -0,30εL
⊥ stratification +0,05 -0,15 0,20 0 -0,60 0,20 -0,40 L T stratification méplat θ = 90° 0 εL(%) εT (%)Partie IV - Effets d'une sollicitation hydrique sur les argilites Chapitre 11 - Evolutions des paramètres physiques et microstructuraux lors des transferts hydriques
- IV.29 - b - résultats
Les déformations sont calculées sur l'intégralité du champ ou sur des zones d'intérêt sélectionnées. Les résultats sont présentés dans le Tableau 11.3 en spécifiant les zones retenues (champ moyen, proche ou loin d'une fissure pré-existante …) et sous forme de cartographies superposées à la microstructure initiale (Figure 11.18 à Figure 11.22).
Tableau 11.3 – Déformations axiales et orthoradiales mesurées par jauges et par extensométrie optique Méso DIC (Cellule B).
H εL ε⊥ εT ε//
% RH
moyens de
mesure zone d'intérêt % %
ratio ε⊥/ε//
jauge zone centrale +0,50 +0,15 3,3
Méso DIC champ global (15×15 mm
2
)
loin d'une fissure pré-existante
+0,30 [-0,20;+0,40] +0,15 +0,15 +0,10 1,5 1,5 98
Micro DIC appariement des images non satisfaisant.
jauge zone centrale +0,13 +0,07 1,9
76
Méso DIC
champ global (15×15 mm2
)
loin d'une fissure pré-existante
sur fissure horizontale pré-existante
+0,12 [-0,07;+0,30] +0,07 +1,65 +0,10 +0,05 +0,10 1,2 1,4 -
jauge zone centrale -0,18 -0,08 2,2
Méso DIC champ global (15×15 mm
2
)
loin d'une fissure pré-existante
-0,18 [-0,40;0] -0,15 [+0,05;-0,40] -0,10 -0,10 1,8 1,5 44 Micro DIC champ global (1,5×1,5 mm2 )8 zone fortement argileuse zone fortement minérale zone pyritisée -0,11 [-1,00;0,40] -1,30 +0,02 +3,60 -0,07 [-0,70;0,50] -0,80 0 +0,21 1,5 1,6 - -
jauge zone centrale -0,27 -0,13 2,1
32
Méso DIC champ global (15×15 mm
2
)
loin d'une fissure pré-existante
-0,30 [-0,60;-0,20] -0,25 -0,25 -0,18 1,5 1,4
Sont mentionnées les valeurs moyennes de zone d'intérêt ainsi que leur dispersion entre crochets. En l'absence de valeurs entre crochets, il s'agit de mesures ponctuelles.
humidités de 98 et 76% RH
Pour les humidités à 98% RH, le matériau est globalement en extension (Figure 11.17) avec de fortes hétérogénéités associées aux micro-fissures créées par la succion et observées précédemment. A partir des cartographies détaillées (Figure 11.18), nous pouvons déterminer que l'ouverture des fissures est de l'ordre de 3% × base de mesure (530 µm à l'échelle Méso, cf. Figure 11.2) soit 15 µm pour les fissures horizontales parallèles aux strates (selon l'axe L) et de 2% × 530µm soit de l'ordre de 10 µm pour la fissure verticale (selon l'axe T).
A ce niveau de succion, du fait de l'ouverture des fissures, les zones fissurées ont des niveaux d'extension de l'ordre de plusieurs pourcents, alors que assez loin de ces discontinuités, la roche est dans un état global en extension perpendiculairement (ε⊥ = + 0,15%) et parallèlement (ε// = + 0,10%)
aux strates. Les dimensions de la zone affectée par les fissures hydriques en terme de déformation sont de l'ordre de 2 mm autour des fissures. L'impossibilité de déterminer les déformations Micro DIC complique l'interprétation des déformations à l'échelle Méso. Il semble apparaître toutefois que le gonflement des argiles par prise d'eau s'effectue principalement perpendiculairement aux strates, a priori par gonflement des agrégats dont nous avons signalé au Chapitre 9, la disposition préférentielle sub-horizontale.
8
A l'échelle Micro DIC, les données sont moyennées à partir de plusieurs champs et seuls les champs exempts de fissures pré-existantes sont sélectionnés. Ainsi les valeurs mesurées sont très proches de celles déterminées à l'échelle Méso DIC sur des zones éloignées de fissures.