Développement d un système de micropesée au sein de l ESEM : application à l étude du retrait-gonflement des argiles

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1 Journées SEMPA au 29 mars 2013 Développement d un système de micropesée au sein de l ESEM : application à l étude du retrait-gonflement des argiles Tatiana MAISON (1), Jean-Bernard KAZMIERCZAK (2), Patrice DELALAIN (2) (1) Institut Polytechnique LaSalle Beauvais, (2) INERIS

2 Sommaire 1 Contexte Contexte Approches expérimentales 2 Développement d un nouveau dispositif pour le phénomène de retraitgonflement Microscope Electronique à Balayage Environmental (ESEM) Protocole expérimental Analyse microscopique : observations et résultats Comparaison avec l échelle mésoscopique Système de micro-pesée Exemples de résultats 3 Conclusion 2/28

3 Contexte Les phénomènes de retrait/gonflement (R&G) de certains sols argileux se traduisent par deux conséquences majeures : 1) des effets sur l agriculture ; 2) des mouvements différentiels et des dégâts au niveau des structures et des ouvrages. 3/28

4 Contexte Sinistres engendrés sur les structures : Plus de 7300 communes affectées entre 1990 et août 2006 (soit environ 1/5 des communes françaises) 90 départements touchés 3 milliards d euros de dégâts entre 1989 et e cause d indemnisation derrière les inondations 4/28

5 Contexte L humidification et le séchage sont des phénomènes bien connus pour les sols argileux Des modèles de comportement existent, utilisant des couplages hydromécaniques et géochimiques mais : Il reste quelques insuffisances à différents niveaux: La transition micro-macro des phénomènes et ordres de grandeurs du R/G; La complexité des écoulements dans les milieux non saturés hétérogènes et anisotropes; Les phénomènes géochimiques et leurs conséquences sur le comportement mécanique; La connaissance des mécanismes du R/G ; Les cinétiques du phénomène. etc. 5/28

6 Approches expérimentales Essais classiques de laboratoire : longs Essai de chargement-déchargement sous succion contrôlée ; Essai d humidification-séchage sous chargement mécanique contrôlé; Essais de dessiccation sur échantillons intacts : limite de retrait et retraitlinéaire; Mesure de potentiel de gonflement/de retrait ; L essai de retrait, suivi par pesée (Makki et al, 2008) Idées pour mettre au point un essai rapide : Travailler avec une très petite quantité de matériau ; Imposer des conditions hydriques contrôlées. Besoins : Observer de faibles variations de volume -> Microscope Electronique à Balayage Environnemental (ESEM) Peser de très petites variations de poids -> Balance? Pas disponible sur le marché. 6/28

7 Microscope Electronique à Balayage Environnemental (ESEM) Modèle : Quanta 400 FEI Intérêt: appliquer des cycles d humidification-séchage sur des échantillons de sols argileux 7/28

8 Protocole expérimental des essais microscopiques Mise au point d un protocole expérimental: Avantage Inconvénient Objectif : établir un protocole pertinent avec la cinétique de R & G de l argile et retardant la saturation en eau de la zone d observation Essais sur agrégats (50 µm) Protocole expérimental «instantané» Gain de temps Déformation < échelle mésoscopique + problèmes d observations Humidification-séchage par paliers avec temps d équilibre Intérêts du protocole : Protocole expérimental progressif Déformation échelle mésoscopique + retard de la saturation en eau Essai plus long Essais rapides (par rapport aux essais classiques) Précision sur la cinétique de retrait-gonflement: nombreux paliers d équilibre gonflement plus régulier Quantification du retrait-gonflement en fonction de l humidité relative/succion Etude de la cinétique de retrait-gonflement 8/28 Nombre de paliers Temps d équilibre Temps total MG 24 H + 24 S 10 min 8 h AVR 24 H + 24 S 30 min 24 h Humidité relative (%) Protocole expérimental > 85 % : contrôlés en pression sans conditions imposées sur l humidité relative 50 % à 85 % : contrôlés en pression avec conditions sur l humidité relative Temps (minutes)

9 Protocole expérimental des essais microscopiques Mesure de la déformation des agrégats argileux HR: 30% Déformation surfacique ε s = S i S S 0 0 = S S 0 Déformation volumique HR: 90% ε = v αε s 9/28

10 Analyse microscopique : observations Montmorillonite grecque Observations + analyse d image 50 % d humidité relative 24 paliers de 10 minutes 90 % d humidité relative Agrandissement: x 800 Température: 10 C (fixe) 50 % d humidité relative 10/28

11 Analyse microscopique : observations 11/28 R & G ESEM Estimation R&G Conclusions

12 Analyse microscopique : observations 12/28 R & G ESEM Estimation R&G Conclusions

13 Analyse microscopique : observations 13/28 R & G ESEM Estimation R&G Conclusions

14 Analyse microscopique : résultats 70% du gonflement apparaît au-delà de 80% d HR 60% du retrait se produit entre 80% et 90% d HR Hystérésis entre le retrait et le gonflement: déformation «irréversible» de l agrégat sous l eau déformation surfacique initiale plus importante «Réversibilité» de la déformation aux moyennes et fortes succions 90 Retrait-gonflement d'un agrégat de montmorillonite grecque (50 µm) 80 Déformation surfacique (%) Gonflement Retrait ,00E+04 Succion (kpa) 1,00E+05 14/28

15 Analyse mésoscopique Comparaison micro/méso: Essais sur agrégats à l ESEM (mesure 2D) : 27% ( S) Essais oedométriques sur échantillons cylindriques (mesure 1D) : 25 à 30% ( H) 70 Retrait-gonflement de l'argile Verte de Romainville (agrégats de 50 µm) Gonflement Retrait Déformation surfacique (%) E Succion (kpa) 1.00E+05 Figure: essais à l ESEM Figure: Essais oedométriques (Audiguier et al., 2007) 15/28

16 Système de micro-pesée Brevet n Principe de l essai : Faire varier, au sein de l ESEM, à température constante T, les conditions de pression P, de manière à imposer un état hygrométrique connu HR (entre 5 et 90%); Observer et enregistrer la déformation surfacique et le poids de l échantillon ; Construire la courbe de variation de la déformation surfacique de l échantillon S (%) en fonction de la teneur en eau (w%). 16/28

17 17/28 Système de micro-pesée Brevet n

18 18/28 Système de micro-pesée

19 Système de micro-pesée Enceinte en Aluminium autour du dispositif pendant l essai Système de micro-pesée électronique de l échantillon 19/28

20 Système de micro-pesée Enceinte en Aluminium autour du dispositif pendant l essai Système de micro-pesée électronique de l échantillon Enceinte de confinement en cuivre posé sur la platine Peltier 20/28

21 Système de micro-pesée Alimentation électrique du capteur de force Centrale d acquisition 21/28

22 Exemple de résultats Donnée d entrée: Teneur en eau initiale w i Ordre de grandeur: 546 mg/v Résolution du dispositif de mesure: 1 mv i.e. 0,55 mg 22/28

23 Exemple de résultat d essai 14,00% 12,00% Argile verte de Romainville HR = 85% HR = 90% HR = 85% Teneur en eau (%) 10,00% 8,00% 6,00% 4,00% HR = 30% 1 heure HR = 70% HR = 50% HR = 30% HR = 70% HR = 50% HR = 30% 2,00% 0,00% HR = 5% HR = 5% Pas de mesure (dt = 10s) w(%) = f(hr) S = f(hr) S = f(w(%)) 23/28

24 Exemple de résultat d essai: sols argileux Réponse : déformation surfacique en fonction de la teneur en eau 30,00 Teneur en eau - Argile verte de Romainville 25,00 Teneur en eau (%) 20,00 15,00 10,00 5,00 0,00 1,00E+02 1,00E+03 1,00E+04 1,00E+05 1,00E+06 Succion (kpa) Humidification MEBE Humidification Geremew et al. Séchage Geremew et al. Séchage MEBE 24/28 L argile verte de Romainville Bonne concordance avec essais de laboratoire plus classiques (échelle méso) entre 5 et 90% de HR; Conclusion similaire pour la montmorillonite grecque.

25 Exemple de résultats: sur une argile industrielle Bentonite MX80 Réponse : déformation surfacique en fonction de la teneur en eau Bonne concordance avec les essais menés par Montes-H. (2002) (Montes-H., 2002) 25/28

26 70 Exemple de résultats 60 Argiles homogènes / «industrielles» Déformation surfacique (%) Argiles naturelles hétérogènes MG MX80 AVR MM AF cuite AF nat Teneur en eau (%) 26/28

27 Conclusions & perspectives Mise au point d un protocole expérimental (essais d humidification-séchage par paliers avec temps d équilibre) à l échelle «micro» Essais rapides et nécessitant peu de matériau Résultats qualitatifs et quantitatifs sur le retrait/gonflement et sa cinétique Mise au point d un dispositif nouveau et original : le système de micro-pesée Mesures de très petites variations de poids Mesures simultanées de l évolution de S et w(%) 27/28

28 Perspectives : Conclusions & perspectives Essais d humidification-séchage à l ESEM : Essai complémentaire pour caractérisation des sols argileux Etude d argiles industrielles telles que la bentonite Système de micro-pesée : nombreuses applications possibles en dehors de la géotechnique Absorption-désorption d un élément liquide ou gazeux: absorption du CO 2 sur le charbon ou roches argileuses; stockage des déchets radioactifs; capacité d absorption d un papier absorbant ou de couches-culottes; applications agricoles ou agro-alimentaires; et bien d autres à découvrir Utilisation d un MEB avec un canon FEG Analyse d images automatisée 28/28 Approches simples d estimation du retrait-gonflement in situ: méthodes rapides pour avoir un ordre de grandeur de la déformation bureaux d études, entreprises de construction, cabinets d expertises

29 Bien sûr, il y a d autres solutions pour échapper au problème du retrait-gonflement... Merci pour votre attention 29/28