Brevet FR2761156A1 — publié le 19980925

La présente invention concerne un dispositif expérimental permettant d'imposer simultanément sur un échantillon de roche des états de contrainte, mécanique, hydrique (saturé et partiellement saturé) et thermique. Divers appareillages ont été élaborés pour imposer des états hydriques partiellement saturés. Ils sont tous caractérisés par la génération de pressions interstitielles négatives. La technique de la contre pression d'air est la plus couramment utilisée. Elle consiste à appliquer au sein du matériau par l'intermédiaire d'une des faces de l'échantillon une pression d'air supérieure à la pression atmosphérique. La deuxième face de l'échantillon est placée en contact avec de l'eau par l'intermédiaire d'une membrane semi-perméable ou d'une céramique à haute pression d'entrée d'air. La succion est définie comme étant la différence entre la pression de l'air et la pression de l'eau s=pa-pw. Dans ce cas la succion est égale à la pression de l'air, car la pression d'eau reste égale à la pression atmosphérique (uw =0). Cette technique est applicable dans un domaine de succion compris entre la pression d'entrée d'air dans le matériau et la pression de désaturation de la membrane ou de la céramique. Elle reste utilisable pour les matériaux faiblement compactés ( rayon moyen des pores d'environ 1,4 lim ) dans lesquels la phase eau est continue et correspond à des succions n'excédant pas 5 MPa. Le principe de la méthode osmotique repose sur la mise en contact du matériau, par l'intermédiaire d'une membrane semi-perméable, avec une solution contenant des macromolécules organiques(souvent du polyéthylène glycol). Les molécules d'eau peuvent à l'inverse des macromolécules, traverser la membrane. La succion est donc contrôlée par la concentration de la solution. Au moyen de cette technique le contrôle de la succion est possible entre 0 et 1,5 MPa; elle s'applique à des matériaux dont le rayon moyen des pores est égal à 4,8 clam. Certains sels présentent des propriétés spécifiques de sorption en présence d'eau et permettent d'imposer une valeur constante de l'humidité relative au-dessus de la solution. Une solution aqueuse saturée en un sel adéquatement choisi permet de donner un degré d'humidité relative fixe. La relation entre l'humidité relative et la = pwR.T succion est définie par s= 8 .Lnhr avec: hr humidité relative, T M température, R constante, M masse molaire, pu densité de l'eau. Cette technique est surtout utilisée pour déterminer les isothermes de sorptiondésorption sur matériau non confiné dans un domaine de pression allant de 2,7 à 360 MPa. Elle permet d'étudier des matériaux dont la dimension des rayons de pore est comprise entre 2*10.3 et 2,8Crm. L'invention permet d'imposer des succions dans une gamme étendue de 2,7 à 360 MPa et des températures de l'ambiante jusqu'à 95"C à des matériaux sous contrainte mécanique, ce que ne permettent pas les techniques de contre pression d'air ou osmotique. Le dispositif revendiqué permet d'imposer simultanément sur une galette cylindrique une contrainte verticale, une déformation radiale nulle, un état hydrique et une température. II permet les mesures des déplacements verticaux et des contraintes horizontales. La température est contrôlée en plaçant l'appareil dans une étuve régulée. La succion au sein du matériau est imposée en faisant circuler sur les deux faces de la galette un air à humidité relative contrôlée. L'invention a pour objet de proposer un appareillage permettant l'étude du comportement thermohydromécanique des matériaux poreux, caractérisé en ce qu'il comprend les dispositifs suivants: une cellule oedométrique qui contient l'échantillon et comporte quatre orifices d'air. Ces orifices permettent l'écoulement de l'air sur les deux faces de l'échantillon. Le balayage de l'air est réalisé alternativement sur la face supérieure du matériau à l'aller et sur l'autre face au retour. des tubulures dont la géométrie rappelle un C, qui sont assemblées sur les orifices de la cellule pour permettre à l'air de transiter de la face inférieure à la face supérieure de l'échantillon. Ces tubulures sont formées de deux parties assemblées par un collier au milieu du C. des canalisations qui sont connectées aux deux orifices restant: I'une concerne l'arrivée de l'air à humidité relative contrôlée et l'autre assure la sortie de l'air dont l'humidité relative se trouve modifiée après passage sur les deux faces de l'échantillon. un ventilateur qui assure l'écoulement de l'air en régime turbulent pour accélérer les transferts. un échangeur d'humidité relative contenant un bac qui permet de contrôler l'hygrométrie de l'air ventilé en recevant une solution saline saturée. Les différents types de sels couramment utilisés sont décrits dans le fascicule NF X 15-014 édité par l'Association Française de Normalisation (AFNOR, novembre 1973). Le ventilateur aspire l'air de l'oedomètre et le fait circuler au dessus du bac contenant la solution saline saturée. Le pesage en continu du bac des solutions permet de suivre la cinétique d'échange et la consolidation hydrique de l'échantillon. 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 et accompagnée de dessins annexés parmi lesquels: la figure 1 présente une coupe schématique de l'ensemble de l'appareillage avec son ventilateur, son échangeur d'humidité relative et ses canalisations la figure 2 présente une coupe de la cellule oedométrique instrumentée pour permettre la mesure des contraintes radiales. Le corps de l'oedomètre peut être réalisé à partir d'une ébauche en bronze coulé (2) dans laquelle deux lumières à section carrée sont réalisées (cf figure 1). A l'intérieur du corps de l'oedomètre coulisse un piston en acier inoxydable (2) comportant des ailettes dans sa partie supérieure. Ces ailettes sont réalisées par fraisage en deux fois sur la demi épaisseur du piston. Ainsi la partie inférieure des ailettes forme une pointe qui permet de conserver dans le plan moyen du piston une hauteur de passage égale à celles des lumières du corps. La profondeur maximale des ailettes est réalisée sur la partie extérieure du piston pour éviter l'étranglement de la section de passage au cours du déplacement du piston. Des languettes en cuir (3) fixées sur la partie inférieure des lumières du corps sont installées dans les fentes des ailettes du piston et limitent les variations de section de passage de l'air. Un disque poreux (4) dont l'étanchéité avec le corps est assurée par un anneau en Téflon est posé sur la partie supérieure du piston. La partie inférieure du piston est terminée par une tige sur laquelle est installée une languette permettant de mesurer le déplacement du piston. La fermeture du corps au niveau de son embase permet, par injection d'un fluide sous pression, d'appliquer une contrainte verticale sur le matériau à tester. Le corps de l'oedomètre reçoit la cellule (5) contenant l'échantillon à tester (1) réalisée en bronze et contenant le système de mesure des contraintes radiales. Le chapeau (6) en acier inoxydable comporte deux lumières et reçoit un diffuseur (7) en acier inoxydable. Le diffuseur de forme cylindrique est formé d'ailettes ayant une profondeur égale à la hauteur des lumières du chapeau. Sur les ailettes du diffuseur est installé un disque poreux (8) dont l'étanchéité est réalisée avec un anneau de Téflon. En configuration d'essai le dispositif comprend l'appareillage précédemment décrit relié à un échangeur d'humidité relative (11) et à un ventilateur (10) qui refoule dans les canalisations (9) un air à humidité relative contrôlée. L'air circule en boucle fermée, par l'intermédiaire des canalisations: il passe alternativement sur les faces supérieure et inférieure de l'échantillon. Dans le cas d'un essai de désorption l'air après passage sur les deux faces de l'échantillon se charge en eau qui provient du matériau. Le piégeage de l'humidité transportée par l'air peut s'opérer soit par une technique de condensation soit par la technique des solutions salines saturées. La mesure des contraintes radiales est réalisée par la cellule (5) en bronze et illustrée sur la figure 2. Elle comprend deux doigts (12) opposés dont les faces en contact avec l'échantillon suivent le diamètre intérieur de la cellule. Deux capteurs de force (13) sont en contact avec les doigts par l'intermédiaire des butées réglable (14). Les doigts sont immobilisés en rotation par des vis à téton (15). L'étanchéité des doigts par rapport à la cellule est obtenue par des joints toriques (16). La force appliquée sur le doigt par le matériau est mesurée par un capteur électrique. REVENDICATIONS 1. Dispositif oedométrique haute pression à température et hygrométrie contrôlées permettant d'imposer simultanément sur un échantillon de roche des états thermique, hydrique (saturé et non saturé) et mécanique 2. Dispositif d'imposition des états thermique, hydrique et mécanique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'imposition de la température est réalisée en plaçant l'ensemble des appareillages dans une enceinte régulée en température. 3. Dispositif d'imposition des états thermique, hydrique et mécanique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'état hydrique est obtenu en faisant circuler de l'air à humidité relative contrôlée alternativement sur les deux faces de l'échantillon (1). 4. Dispositif d'imposition des état thermique, hydrique et mécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'air balaye à l'aller la face supérieure de l'échantillon par l'intermédiaire d'un chapeau (6) contenant deux lumières dans lequel est installé un diffuseur contenant des ailettes (7) et au retour la face inférieure de l'échantillon en traversant successivement les lumières du corps et le piston à ailettes (2). 5. Dispositif d'imposition des états thermique, hydrique et mécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le passage de l'air de la face supérieure à la face inférieure de l'échantillon se fait par des canalisations (9) en forme de C démontables au milieu du C et assemblées devant les lumières du chapeau (6) et du corps (2). 6. Dispositif d'imposition des états thermique, hydrique et mécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'air circulant sur les faces de l'échantillon modifie son humidité relative et se dirige vers un échangeur d'humidité relative (11). 7. Dispositif d'imposition des états thermique, hydrique et mécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la circulation d'air est réalisée par un ventilateur (10) en boucle fermée sur l'échangeur (11) et la cellule oedométrique. 8. Dispositif d'imposition des états thermique, hydrique et mécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la détermination des contraintes radiales est obtenue par deux doigts (12) installés dans la cellule (5) dont la surface de contact cylindrique épouse la surface extérieure de l'échantillon. Les efforts sur les doigts sont traduits en signal électrique par deux capteurs de force (13) 9. Dispositif d'imposition des états thermique, hydrique et mécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'état mécanique correspondant à une contrainte axiale est obtenu par une pression hydraulique sous le piston (2).