liq
Partie II - Méthodes et techniques expérimentales Chapitre 5 - Investigation du volume poral : porosimétrie au mercure et isothermes de sorption
- II.22
Dans une première approche, nous supposons que le volume global des pores s pore
V reste identique pour les différents états hydriques de la roche (sèche, partiellement ou totalement saturée). Le volume poral total s
pore
V est ainsi connu par les mesures de porosimétrie sur des échantillons à l'état sec après étuvage. Nous pouvons alors en déduire les valeurs de s
az g
V
pour les différents états hydriques.(a) pore partiellement rempli d'eau (b) pore partiellement rempli d'eau liquide
liquide à l'état de succion s. en présence de mercure sous pression.
Figure 5.4 - Schéma d'un pore dans le cas d'un matériau poreux partiellement hydraté.
Lorsque le mercure pénètre dans un pore (donc dès lors que la pression de mercure est supérieure à la pression capillaire du pore), il occupe un volume VHg correspondant au volume d'air et au volume
laissé disponible par la compressibilité de l'eau liquide (volume rouge) (Figure 5.4-b) :
Équation 5.3 dans un pore : VHg =
s az g
V
+ Vcompressibilité eau liqLe volume Vcompressibilité eau liq peut être estimé à partir du cœfficient de compressibilité de l'eau χH2O .
Celui-ci diminue avec la pression. Cependant, sur la plage de pression investiguée en porosimétrie [0- 400 MPa], on peut faire l'hypothèse que χH2O est constant et est égal à 4,5.10-10 Pa-1 dans une première approximation (travaux de Amagat en 1897, cités par Rapinat [RAP 82]). La réduction de volume de l'eau liquide par action de la pression de mercure est de :
Équation 5.4 dP V dV O H 2
χ
=soit à 400 MPa, une réduction de volume de l'eau de l'ordre de 18%.
Il conviendra de corriger les volumes de gaz qui sont donc surestimés de 18% de la quantité d'eau présente dans les pores.
De plus, les rayons d'entrée de pore peuvent être modifiés par la présence d'eau. En effet, si de l'eau se trouve dans les capillaires d'entrée et si l'énergie d'adhésion est grande entre cette eau et les parois du capillaire, le rayon capillaire est réduit et la pression d'entrée est alors supérieure. Ceci devrait alors être visible sur les spectres de volume injecté en fonction du rayon d'entrée.
roche liquide s liq
V
mercureréduction de volume d'eau par la pression de mercure
Vcompressibilitéeau liq s
volume de mercure injecté VHg gaz s az g
V
pore total s pore VPartie II - Méthodes et techniques expérimentales Chapitre 5 - Investigation du volume poral : porosimétrie au mercure et isothermes de sorption
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5.2 - Isothermes de sorption
5.2.1 - Principe
Les expériences de sorption de vapeur d'eau fournissent les isothermes de désorption et d'adsorption6 d'eau, c'est-à-dire la connaissance de la teneur en eau en fonction de l'hygrométrie relative imposée, à température constante et dans un état thermodynamique d'équilibre soit une fois les transferts achevés entre atmosphère et matériau.
Comme évoqué au §1.2 (Figure 1.5), la relation entre teneur en eau et humidité relative n'est pas univoque car l'historique du chemin hydrique influe fortement sur les propriétés d'échange. En effet, comme mis en évidence dans plusieurs études sur des argilites [CHI 00] [DAU 97] ou sur le béton [BAR 94], une hystérésis importante est visible entre les phases de désorption et d'adsorption. Le principe des isothermes de sorption consiste à suivre les évolutions pondérale et géométrique d'échantillons qui, disposés dans une atmosphère hydrique contrôlée (i.e. à une succion donnée), se mettent à l'équilibre hydrique avec l'atmosphère environnante par échange de vapeur.
Ces expériences de sorption permettent :
- de corréler ainsi les variations pondérales et géométriques imposées par la sollicitation hydrique au cours des succions,
- de renseigner sur les cinétiques de transfert pour une géométrie et des dimensions données d'éprouvette.
Comme décrit au § 1.1.5, plusieurs techniques existent pour imposer un potentiel à l'eau interstitielle ou une succion selon la gamme de succion souhaitée. Dans le cadre de nos travaux, nous souhaitons prendre en compte une gamme large de teneur en eau (depuis des états quasi-saturés jusqu'à fortement désaturés) afin de se situer dans les conditions hydriques qui sont celles d'une galerie ventilée. Dans ce but, nous avons choisi de contrôler les pressions de vapeur par des solutions salines sursaturées, méthode permettant de couvrir une large gamme de succion de 2,5 à 400 MPa environ (i.e. des humidités relatives de 98 à 20% RH) par échange de vapeur d'eau. De plus, cette technique de faible coût est fiable et facile de mise en œuvre.
Cette méthode repose sur le fait qu'un sel, sa solution dans l'eau et la vapeur d'eau sont en équilibre pour une pression de vapeur et une température données. Ainsi, à une température donnée, l'humidité relative de l'air se trouvant au dessus d'une solution saline saturée donnée a une valeur bien déterminée. La pression capillaire imposée à la roche est directement reliée à l'humidité relative comme le décrit la loi de Kelvin (Equation 1.9) et est donc est dépendante de la nature du sel employé. D'après les dépendances vis-à-vis de la température aussi bien pour l'équilibre créé entre solution saline, sel et vapeur d'eau, que dans la définition même de la pression capillaire (Equation 1.9), la succion dépend de la température. Comme l'indique le terme isothermes de succion, il convient de se placer à une température donnée et de la maintenir constante.
Le Tableau 5.1 fournit des exemples de solutions salines avec les succions correspondantes (exprimées en MPa et en pF7) en mentionnant les limites de solubilité des sels [PAS 66] et les rayons capillaires affectés par le transfert hydrique aux humidités correspondantes [TES 84][BAR 94].
6 Nous donnons les mêmes sens à :
désaturation = dessiccation = séchage = drainage = désorption
et resaturation = imbibition = mouillage = humidification = adsorption
7 L'unité de succion traditionnellement usitée en agronomie est le pF, défini par :
log
(
)
10h
pF
=
avec h la hauteur d'eau exprimée en centimètres (pour mémoire, 1 MPa équivaut à 104 cm d'eau).Partie II - Méthodes et techniques expérimentales Chapitre 5 - Investigation du volume poral : porosimétrie au mercure et isothermes de sorption
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Tableau 5.1 - Données sur les solutions salines et les succions associées (à 20°C).
solubilité [PAS 66] humidité relative H [PAS 66] succion [TES 84] [BAR 94] rayon capillaire [TES 84] [BAR 94] sel formule chimique g/l % RH MPa pF nm sulfate de cuivre hydraté CuSO4,5H2O 317 98 2,83 4,45 52,80 sulfite de sodium hydraté Na2SO3,7H2O 95 6,92 4,84 20,79 sulfate de zinc hydraté ZnSO4,7H2O 540 90 15,1 5,18 10,12 sulfate d'ammonium NH4SO4 754 81 26,3 5,42 5,06
chlorure de sodium NaCl 360 75 40,1 5,6 3,89
nitrite de sodium NaNO2 820 66 56,3 5,75 2,57
carbonate de
potassium hydraté K2CO3,2H2O - 44 115 6,06 1,30
chlorure de calcium
hydraté CaCl2,6H2O 5 360 32,5 158,5 6,20 0,94
Les solutions salines utilisées au cours de nos travaux apparaissent en grisé.
5.2.2 - Moyens expérimentaux
Nous avons conçu et mis au point une installation expérimentale de sorptions contrôlées comme illustré en Figure 5.5. Ce dispositif comprend :
- une boîte étanche (dont les parois sont transparentes afin de pouvoir contrôler l'état de la solution saline),
- des capteurs de masse (capacité 1 000 g, résolution de 1/100 gramme),
- des capteurs de température (sonde résistive platine de type PT1000) et d'hygrométrie (modèle Hygroclip de marque Rotronics, de capacité 0-100% RH et de précision ± 0,5% RH),
- des jauges de déformation,
- divers conditionneurs et des alimentations stabilisées, - une centrale d'acquisition Agilent et un ordinateur,
- un programme de pilotage et d'acquisition développé spécifiquement.
Les éprouvettes cylindriques à base circulaire (d'un diamètre de 36 mm et d'une hauteur de 72 mm) sont disposées dans une boîte hermétique sur des berceaux reliés aux capteurs de masse, eux-mêmes fixés sur la face supérieure extérieure de la boîte (ainsi non soumis aux variations hydriques imposées dans la boîte). Sur la face intérieure inférieure de la boîte, est disposée la solution saline sursaturée dans un récipient offrant une grande surface d'échange avec l'atmosphère.
Des jauges de déformation sont collées axialement et orthoradialement sur la surface de l'éprouvette cylindrique selon les remarques énoncées au Chapitre 7, concernant les orientations des jauges par rapport à la stratification. Des capteurs de température et d'hygrométrie sont installés dans l'enceinte. Les différents capteurs sont reliés soit à leur conditionneur, soit directement à une centrale d'acquisition (0-10 V), elle-même pilotée par un ordinateur. Les voies de mesure sont lues toutes les minutes et leur valeur est stockée provisoirement dans une mémoire tampon. Une valeur moyenne de ces mesures est enregistrée toutes les 10 minutes. Les données se présentent sous forme de tableaux journaliers de données horodatées. Un programme désigné par Stan sous Labview a été spécifiquement développé au laboratoire par V. de Greef pour réaliser le pilotage et l'acquisition. De même, un programme de traitement des données a été développé par H.Gharbi.
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Au cours de certaines succions, en plus des instrumentations de la Figure 5.5, des enregistrements des émissions acoustiques ainsi que des observations microstructurales (microscopie optique) avant et après succion sont effectués dans le but de suivre les évolutions des déformations et de mettre en évidence des phénomènes d'endommagement d'origine purement hydrique.
Afin de minimiser les perturbations sur le maintien constant de l'hygrométrie (en particulier, la dépendance thermique de la pression de vapeur saturante) et de limiter les déformations liées à la dilatation thermique, l'installation expérimentale est installée dans un lieu thermiquement stable (pièce en sous-sol, climatisée où la température moyenne est de 21 ± 0,5°C). Au cours d'essais préliminaires, nous avions mis en place des agitateurs magnétiques afin d'homogénéiser les solutions salines. La chaleur dégagée par les dispositifs perturbant fortement l'équilibre thermique du système, nous ne les avons pas utilisés pour nos essais.
Une validation du banc expérimental a été réalisée en effectuant des essais avec des masses mortes et en faisant varier l'humidité relative dans l'enceinte. Aucune dérive significative des capteurs de masse et d'hygrométrie n'a été relevée sur plusieurs semaines (Annexe D1).
Figure 5.5 – Dispositif expérimental de succion contrôlée sans contrainte mécanique extérieure.
éprouvette instrumentée en jauges diamètre 36 mm hauteur 72 mm capteur de masse jauges de déformation longitudinale et orthoradiale(s)
solution saline sursaturée capteur de température et d'hygrométrie
génération d'un fichier journalier horodaté de données
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