Brevet FR2733049A1 — publié le 19961018

PROCEDE DE MESURE DE LA TENEUR EN EAU D'UNE MATIERE NON SATUREE La présente invention concerne un procédé de mesure de la teneur en eau volumique d'une matière non saturée et en particulier d'une roche compacte telle que l'argile. Sous le terme matière, on entend non seulement les roches auxquelles l'invention s'applique plus particulièrement, mais aussi tout autre matériau, substance, volume de grains, de poudre métallique ou non, de fibres, etc. Diverses méthodes ont été élaborées pour mesurer la teneur en eau de roches compactes non saturées et notamment pour mesurer la teneur en eau des argiles compactes rencontrées à grande profondeur dans le sous-sol. On connaît des procédés tensiométriques. Ils sont applicables uniquement pour les matériaux dont la succion est inférieure à quelques bar, donc à des matériaux faiblement compactés. Certains procédés électriques sont basés sur le fait que la résistivité d'une roche est sensible à la teneur en eau de cette roche. Cependant, cette résistivité est trop facilement perturbée par les phénomènes chimiques environnants pour donner des mesures fiables. D'autres procédés électriques sont basés sur une mesure capacitive effectuée entre deux électrodes plantées dans la roche. On mesure la capacité qui est fonction de la constante diélectrique de la roche, laquelle varie avec la teneur en eau. Ces procédés souffrent de problèmes de connexion et de corrosion des électrodes. Les procédés thermiques sont basés sur le fait que la teneur en eau d'une roche est déduite de la conductivité thermique de la roche, elle-même déduite de la cinétique thermique observée lorsqu'on impose une élévation de température instantanée en un point de la roche. Ce sont des procédés très indirects et tout juste qualitatifs. Les procédés nucléaires utilisent une source émettrice de neutrons qui sont ralentis puis provoquent l'émission de rayons gamma par les atomes d'hydrogène des molécules d'eau. Un détecteur approprié comptabilise ces rayons gamma qui révèlent la teneur en eau de la roche. Ces procédés exigent la mise en oeuvre d'une source radioactive et ne peuvent pas faire de mesures ponctuelles puisqu'ils nécessitent une sphère d'investigation de 0,5 m environ. Les procédés de mesure temporelle sont basés sur le fait que le temps de propagation d'une onde dans une roche dépend de sa constante diélectrique. Cette constante varie également selon que l'eau contenue dans la roche est libre ou liée. La mesure obtenue n'est pas très ponctuelle et la mise en oeuvre du procédé n'est pas aisée. I1 apparaît donc que la mesure de la teneur en eau de roches compactes non saturées et présentant une forte succion, dans lesquelles l'eau est majoritairement liée, n'est pas effectuée de manière satisfaisante par les procédés selon l'art connu. L'invention permet de remédier à ces inconvénients. Le procédé revendiqué présente l'avantage de permettre des mesures ponctuelles et permanentes. I1 met en oeuvre des capteurs de coût très modéré et leur mise en place sur le terrain ne pose pas de problème particulier. En outre, la mesure est facilement automatisable. Le procédé selon l'invention découle du fait que lorsque l'air et la roche à étudier sont en contact, les potentiels de l'eau à la paroi de la roche, dans l'air et dans la roche, finissent par s'équilibrer. Le potentiel de l'eau (c'est-à-dire la teneur en eau de la roche) se déduit de l'humidité relative de l'air par la loi de Kelvin. Le procédé de mesure comprend donc une phase d'étalonnage et la mesure proprement dite. L'invention a donc pour objet un procédé de mesure de la teneur en eau d'un volume de matière non saturée, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes - on établit des courbes de sorption/désorption de ladite matière qui donnent, pour une température donnée, la teneur en eau volumique de la matière en fonction de l'humidité relative de l'air en contact avec la matière, - on réalise dans le volume de matière une chambre de mesure fermée contenant un volume d'air, - on mesure l'humidité relative de l'air dans ladite chambre et pour une température donnée, - on détermine la teneur en eau du volume de matière au moyen desdites courbes de sorption/désorption. De préférence, les courbes de sorption/désorption sont établies à partir d'un échantillon de ladite matière enfermé dans une enceinte où l'air a une humidité relative imposée. La chambre de mesure peut être à parois nues ou être délimitée par une enceinte en matériau poreux si la tenue mécanique des parois de la chambre est incertaine. La chambre de mesure peut être avantageusement équipée d'un capteur d'humidité et également d'un capteur de température. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages et particularités apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, accompagnée des dessins annexés parmi lesquels - la figure 1 représente un échantillon de roche enfermé dans une enceinte de conditionnement, - la figure 2 représente des courbes d'étalonnage, - la figure 3 représente un bloc de roche dans laquelle a été creusée une chambre de mesure. L'étalonnage de la matière considérée (par exemple une roche) peut être réalisé à partir de l'enceinte de conditionnement 1 représentée à la figure 1. Cette enceinte permet d'obtenir, à des températures déterminées, des atmosphères d'humidité relative constante, lorsqu'on utilise pour cela des solutions aqueuses saturées de sels ou des mélanges de glycérine et d'eau. L'enceinte est un récipient de forme simple et dont les parois internes, facilement nettoyables, sont inertes vis-à-vis des solutions utilisées. L'enceinte 1 est pourvue d'un porte-échantillon 2 et son fond contient une quantité appropriée de solution 3 conférant à l'atmosphère interne à l'enceinte le taux d'humidité voulu. L'échantillon de roche 4 est placé sur le porte-échantillon 2. I1 constitue un volume relativement petit par rapport au volume d'air contenu dans l'enceinte de manière que ce soit la solution 3 qui impose à l'échantillon un taux d'humidité. Lorsque l'équilibre hygrométrique est établi, on peut relever la teneur en eau volumique de la roche en fonction de l'humidité relative de l'air dans l'enceinte 1. La perte ou le gain d'eau de l'échantillon est mesurée par pesée pour chaque valeur de l'humidité relative. On peut, pour effectuer la pesée, se servir du porte-échantillon 2 comme d'un plateau de balance. Lorsque la masse de l'échantillon ne varie plus, on considère que la roche est à équilibre avec l'air ambiant. A partir de différentes solutions imposant des taux d'humidité relative, on peut effectuer un certain nombre de relevés. Ces relevés peuvent être établis pour différentes températures. On trouvera dans le fascicule NF X 15-014 de novembre 1973, édité par l'Association Française de Normalisation (AFNOR), différents exemples de solutions utilisables dans l'enceinte de conditionnement. A partir des relevés établis on peut tracer les courbes de sorption/désorption de la roche considérée. La figure 2 représente un graphe d'étalonnage pour une roche donnée, avec en ordonnées la teneur T en eau volumique de la roche et en abscisses le taux d'humidité relative HR de l'atmosphère imposé à l'échantillon de roche. Chaque courbe 10, 11 et 12 a été tracée pour une température différente. La figure 3 illustre l'étape de mesure du procédé selon l'invention. Dans un bloc de roche 15, de même nature que l'échantillon 4 à partir duquel on a élaboré les courbes d'étalonnage, on aménage une chambre de mesure 16 que l'on ferme par un bouchon 17. La chambre de mesure 16 renferme la partie sensible d'un capteur d'humidité relative d'air 18. Elle renferme un petit volume d'air comparé au volume du bloc 15. Ceci fait que c'est la roche qui impose le taux d'humidité au petit volume d'air. En outre, cela permet de parvenir assez rapidement à l'équilibre entre les potentiels de l'eau dans la roche, dans l'air de la chambre de mesure et aux parois de cette chambre. Une fois l'équilibre atteint, la valeur donnée par le capteur 18 permet de connaître, grâce aux courbes de la figure 2, la teneur en eau volumique du bloc 15. On doit bien sûr tenir compte de la température à laquelle s'est faite cette mesure d'humidité relative. La chambre de mesure peut avantageusement contenir un capteur de température et également d'autres capteurs en cas de besoin. Si la roche est saturée, le potentiel de l'eau est nul et l'humidité relative de l'air vaut 100%. L'aménagement de la chambre de mesure 16 dans le bloc 15 peut se faire par fonçage, en paroi ou à l'extrémité d'un forage. On peut aussi envisager un forage équipé de sections de mesure isolées à intervalles réguliers ou s'il s'agit d'une matière formée de particules sans cohésion. Si la roche est friable ou s il s'agit d'une matière formée de particules sans cohésion, la chambre de mesure 16 peut être pourvue d'une crépine 19 permettant de soutenir les parois tout en autorisant la diffusion de l'humidité. REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure de la teneur en eau d'un volume de matière (15) non saturée, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes - on établit des courbes de sorption/désorption (10, 11, 12) de ladite matière qui donnent, pour une température donnée, la teneur en eau volumique de la matière en fonction de l'humidité relative de l'air en contact avec la matière, - on réalise dans le volume de matière (15) une chambre de mesure (16) fermée contenant un volume d'air, - on mesure l'humidité relative de l'air dans ladite chambre (16) et pour une température donnée, - on détermine la teneur en eau du volume de matière au moyen desdites courbes de sorption/désorption. 2. Procédé de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que les courbes de sorption/désorption sont établies à partir d'un échantillon (4) de ladite matière enfermé dans une enceinte (1) où l'air a une humidité relative imposée. 3. Procédé de mesure selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la chambre de mesure (16) dans le volume de matière (15) est délimitée par une enceinte (19) en matériau poreux. 4. Procédé de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la mesure de l'humidité se fait par un capteur d'humidité (18) placé dans la chambre de mesure (16). 5. Procédé de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la chambre de mesure (16) est équipée d'un capteur de température.