Étude des propriétés hydriques et des mécanismes d ... - sacre

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Chapitre 2 : Caractérisation morphologique des matériaux Pompe à vide eau désaérée Figure II.11 : photographie et schéma explicatif du montage de mesure de la porosité à l’eau Les mesures ont été faites sur une quinzaine d’échantillons de formes différentes et les résultats sont présentés au tableau II.3. Le tuffeau blanc et la pierre de Sébastopol sont toutes deux des pierres très poreuses, leurs porosités totales étant de 49 % pour le tuffeau et 42 % pour la pierre de Sébastopol. En conséquence, ce sont des matériaux relativement légers comme le témoigne leurs densités apparentes sèches. Les densités du squelette solide des deux pierres ainsi mesurées correspondent bien à la densité moyenne des minéraux (2,71 pour la calcite ; 2,65 pour le quartz ; 2,68 pour la glauconite et une moyenne de 2,26 attribué pour l’opale cristobalite-trydimite) pondérée par leur proportion relative déterminée précédemment. Ces mesures déterminées par la méthode de la pesée hydrostatique sont corroborées par d’autres méthodes de mesure de densité comme la porosimétrie au mercure ou la mesure de la masse et du volume d’échantillons découpés dans une forme géométrique simple pour la densité apparente, et la pycnométrie Hélium pour la densité du squelette. 74 Tuffeau blanc Pierre de Sébastopol Densité sèche apparente ρa (g/cm 3 ) 1,31 ± 0,01 1,58 ± 0,02 Densité du squelette solide ρs (g/cm 3 ) 2,55 ± 0,01 2,71 ± 0,01 Porosité totale Ntot 48,7 % ± 0,5 41,8 % ± 0,7 Tableau II.3 : résultats de la pesée hydrostatique pour le tuffeau blanc et la pierre de Sébastopol 3.2. Observation des effets d’échelles Pompe à vide échantillons Toutes les mesures de propriétés physiques comme la porosité, la résistance mécanique, la perméabilité, … nécessitent une taille d’échantillon qui soit représentatif du matériau. Il existe donc une taille limite pour laquelle on peut encore considérer le matériau comme continu et homogène en moyennant ses propriétés à une certaine échelle. Le plus petit volume sur lequel les propriétés sont moyennes est appelé Volume Elémentaire Représentatif (VER). Il doit être suffisamment petit pour prendre en compte la structure microscopique du matériau et suffisamment grand pour pouvoir en Kévin Beck (2006)
Chapitre 2 : Caractérisation morphologique des matériaux décrire le comportement global. De plus, ses propriétés doivent être indépendantes de sa situation dans le matériau. La figure II.12 montre l’évolution d’un paramètre physique étudié, comme par exemple la porosité totale, en fonction de l’échelle. La valeur mesurée dépend de la quantité de matière étudiée et peut varier très fortement si on se trouve dans une zone plus ou moins dense. La taille du VER dépassée, les variations des mesures s’atténuent car elles peuvent se moyenner. Le VER est très utile en modélisation numérique car il peut être traité comme un point mathématique représentatif des propriétés macroscopiques du milieu qui peut être alors considéré comme la répétition suivant les trois directions de l’espace du VER (Al-Raoush, 2005). Une propriété physique VER Volume Figure II.12 : définition du Volume Elémentaire Représentatif L’étude réalisée n’a pas pour objectif de donner une estimation du VER au sens strict pour le tuffeau blanc et la pierre de Sébastopol mais d’observer les effets d’échelles afin de connaître la taille minimale des échantillons de pierre pour étudier une caractéristique physique afin qu’ils soient bien représentatifs des matériaux. Ainsi, les effets d’échelles ont été observés par la mesure de la porosité totale par la méthode de la pesée hydrostatique suivant le volume de l’échantillon testé, de 343 cm 3 à 0,125 cm 3 . En effet, pour chaque pierre, la porosité totale macroscopique a été déterminée en utilisant un cube de 7 cm d’arête. Ce cube a ensuite servi pour confectionner différents échantillons cubiques d’arêtes égales à 5 ; 3 ; 2 ; 1,5 ; 1 ; 0,8 et 0,5 cm. Pour les volumes inférieurs à 8 cm 3 , la porosité totale a été mesurée sur six échantillons. La porosité totale de ces différents échantillons mesurée par pesée hydrostatique est présentée aux figures II.13 et II.14 pour le tuffeau blanc et la pierre de Sébastopol respectivement. La porosité totale des échantillons d’un volume supérieur à 10 cm 3 reste identique à celle de l’échantillon-mère. Ensuite, la porosité totale étant déduite de la mesure de trois masses, l’incertitude de mesure augmente fortement avec la diminution du volume d’échantillon car la précision de la balance reste la même (voir annexe C). Dans le cas du tuffeau blanc, les valeurs de porosité totale mesurées pour les six échantillons de différentes tailles sont toutes assez proches de la valeur de l’échantillon-mère et contenues dans la zone d’incertitude due à la mesure. Dans le cas de la pierre de Sébastopol, les valeurs de porosité totale mesurées ne sont pas trop dispersées jusqu’à un volume égal à 1 cm 3 . Pour les volumes d’échantillon inférieurs à cette valeur, les valeurs de porosité totale mesurées sont très dispersées et s’éloignent très fortement des limites d’incertitude de mesure. Il y a donc manifestement un effet d’échelle concernant la porosité totale pour la pierre de Sébastopol Kévin Beck (2006) 75
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