Aspect microscopique de la desaturation-resaturation dans les matériaux argileux

ASPECT MICROSCOPIQUE DE LA DESATURATION-RESATURATION DANS LES MATERIAUX ARGILEUX 

Le comportement et les caractéristiques hydriques, mécaniques et hydromécaniques dépendent de la composition minéralogique, de la présence de l’eau et de la texture du matériau argileux. L’argilite de l’Est contient 40 à 50% d’argile. Dans cette partie, on présente des études microscopiques de la littérature relatives à la désaturation et à la resaturation des matériaux argileux.

Caractéristiques microscopiques de l’argile 

Les argiles sont des minéraux d’altération, c’est-à-dire qu’elles proviennent de l’altération et de la dégradation des roches : altération physique sous l’effet des variations de température mais surtout altération chimique au contact de l’eau. C’est ce dernier type d’altération qui permet la dégradation en particules très fines. Les conditions dans lesquelles cette dégradation a lieu (température, pH de l’eau, etc.), ainsi que son état d’avancement, peuvent expliquer la grande variété des argiles. Par ailleurs, les phénomènes physico-chimiques jouent un rôle important lors de la désaturation–resaturation de l’argile. Il convient donc de comprendre la microstructure des argiles, l’état de l’eau dans les matériaux argileux, l’hydratation des argiles et l’altération de l’argilite en atmosphère humide pour caractériser l’influence de la désaturation et de la resaturation sur les caractéristiques de l’argilite.

Microstructure de l’argile
Les minéraux argileux sont caractérisés par leur unité structurale ou cellule de base (cristallite) qui est constituée d’un feuillet et d’un interfeuillet appelé aussi interfoliaire. L’interfeuillet est constitué de fluide d’eau assurant une liaison électrochimique entre les feuillets. Il existe différents types de liaisons interfeuillet, liées notamment à des phénomènes de substitutions isomorphiques à la surface des cristallites. Une particule d’argile résulte de l’empilement de quelques cristallites élémentaires face à face. Des différentes possibilités d’empilement des couches dans les feuillets, de substitutions isomorphiques, de liaisons interfeuillets et d’arrangement spatial des cristallites résulte la grande diversité de structures et de propriétés des argiles. L’agrégat (appelé aussi grain) est un assemblage désordonné entre les particules dont la forme et les dimensions peuvent varier.

Structure de base 

Le feuillet est lui-même formé de deux ou trois couches cristallisées. Il existe deux types de couches :

• la couche dite tétraédrique (T) est formée de tétraèdres Si4+ entourés de quatre anions O2- aux sommets. Son épaisseur est 4,6 Å, son bilan de charge -1 .
• la couche dite octaédrique (O) est constituée par Al 3+ ou Mg2+ entouré de six groupes hydroxyle OH- . Son épaisseur est 5,05 Å et son bilan de charge +2 .

Suivant l’ordre d’empilement des couches octaédriques (O) et tétraédriques (T), les minéraux argileux sont classés en deux types :
• le type TO (ou dit encore 1 : 1) est formé d’une couche tétraédrique et d’une couche octaédrique . Ces argiles, dont l’unité structurale de base est dissymétrique, sont représentés par le groupe des kaolinites et des serpentines, ces derniers étant beaucoup plus rares.
• le type TOT (ou dit encore 2 : 1) possède une couche octaédrique (O) disposée entre deux couches tétraédriques (T). Ces argiles, dont l’unité structurale de base est symétrique, comportent de nombreux groupes (illite, smectites, interstratifiés, chlorites et montmorillonite) dont la structure et les propriétés sont très variables.

A partir de la structure de base des feuillets argileux, des substitutions entre cations sont possibles. On parle alors de substitutions isomorphes car les dimensions des feuillets ne varient quasiment pas. Ainsi, on observe fréquemment le remplacement de Si4+ par Al3+, dans le feuillet tétraédrique, et de Al3+ par Mg2+ et Mg2+ par Fe2+ dans le feuillet octaédrique. D’autres ions tels que Fe3+, Mn2+, Ti4+, Ni2+ et Cr3+ peuvent également être retrouvés, mais en plus faible quantité.

Dans le cas où le feuillet est chargé négativement, afin d’assurer l’électroneutralité à cette échelle, un processus de compensation de charges peut s’opérer à deux niveaux : soit au sein du feuillet qui, de fait, reste neutre ; soit, et c’est la majorité des cas, à l’extérieur du feuillet, par adsorption de divers cations métalliques appelés alors cations compensateurs. Ces cations compensateurs peuvent être plus ou moins mobiles, en fonction des propriétés des surfaces des feuillets argileux et de la nature de ces cations. Les cations mobiles peuvent donc être échangés avec d’autres ions présents dans la solution interstitielle. Par exemple, dans le groupe des montmorillonites (ou smectites), l’électroneutralité est assurée grâce à la présence de cations interfoliaires hydratés (i.e. associés à des molécules d’eau). On peut citer les cations suivants : Ca2+, Mg2+, Na+ et K+. La présence de molécules d’eau associées aux cations compensateurs concourt alors à l’écartement des feuillets argileux et donc au gonflement macroscopique observé.

Etat de l’eau dans les matériaux argileux

L’eau joue un rôle majeur dans le comportement du matériau argileux. Sa cohabitation avec l’air dans les pores prend des formes variées, selon que l’eau domine et que l’air ne peut se déplacer librement, ou au contraire que l’air occupe l’essentiel des pores, et que l’eau est bloquée aux contacts des particules, ou encore que l’eau et l’air peuvent se déplacer tous les deux. Outre les phénomènes capillaires, qui se développent aux contacts entre l’eau et l’air dans le matériau nonsaturé. L’eau peut interagir avec les minéraux des particules argileuses : ces interactions physicochimiques sont particulièrement importantes dans les argiles. Enfin, la concentration des sels dissous dans l’eau est à l’origine de phénomènes osmotiques, qui influencent la migration des molécules d’eau dans les pores de matériau argileux.

On distingue trois types principaux d’état de l’eau, qui ont une grande influence dans le processus de la désaturation-resaturation, dans les matériaux argileux : l’eau libre ou l’eau capillaire dont les propriétés sont modifiées par la présence et la courbure d’une interface liquide – vapeur, l’eau adsorbée dont les propriétés sont modifiées par la proximité d’une surface solide et l’eau interlamellaire.

Eau libre 

L’eau libre se retrouve principalement dans les espaces inter agrégats et éventuellement dans l’espace interparticuliaire (loin des surfaces externes des particules) de matériaux argileux. Cette eau circule librement dans le milieu sous l’effet d’un gradient de charge hydraulique.

Hydratation des argiles 

L’argile possède une grande variété de tailles d’espace poral, du nanomètre (espace interlamellaire ou interfoliaire) à une dizaine de micromètres (espace interagrégat) en passant par une centaine de nanomètres (espace interparticulaire). Les molécules d’eau peuvent s’intercaler en grande quantité dans ces espaces. D’autre part, la nature électrique des feuillets ou bien la présence des cations compensateurs peuvent influencer l’interaction eau-argile. Mitchell (1993) fait le point des mécanismes d’hydratation.

• Liaisons hydrogène : les groupements hydroxyles favorisent le développement de liaisons hydrogène : en effet, les atomes d’oxygène sont susceptibles d’attirer les pôles négatifs de l’eau. Au niveau des structures, la présence de ces liaisons entraîne une distribution électronique différente de ce qu’elle est dans l’eau libre. Cela permet de créer les couches d’eau supplémentaires liées à la première par le même type de liaisons.

• Attraction par des forces Van der Waals : du fait de la charge négative diffuse du feuillet, des liaisons électrostatiques de type Van der Waals peuvent s’établir entre l’eau et les sites où les charges négatives manifestent leur action attractive.

• Hydratation des cations échangeables : les cations dans l’espace interfoliaire deviennent des sites privilégiés sur lesquels les molécules d’eau viennent se fixer, l’ensemble forme un polyèdre de coordination.

• Attraction par osmose : plus on se rapproche de la surface chargée négativement du feuillet, plus la concentration des cations augmente. Les molécules d’eau ont tendance à diffuser vers les surfaces argileuses pour annihiler le gradient de concentration.

Table des matières

INTRODUCTION
Chapitre 1 : Etudes bibliographiques de l’effet de la désaturationresaturation sur l’argilite
1 Aspect microscopique de la desaturation-resaturation dans les matériaux argileux
1.1 Caractéristiques microscopiques de l’argile
1.1.1 Microstructure de l’argile
1.1.1.1 Structure de base
1.1.1.2 Principales familles de minéraux argileux
1.1.2 Etat d’eau dans les matériaux argileux
1.1.2.1 Eau libre
1.1.2.2 Eau adsorbée
1.1.2.3 Eau interlamellaire
1.1.3 Hydratation des argiles
1.1.4 Altération de l’argilite en atmosphère humide
1.2 Etude thermodynamique
1.2.1 Potentiel chimique
1.2.2 Loi Kelvin – Laplace
1.3 Mécanismes de retrait de désaturation et de gonflement de resaturation
1.3.1 Mécanismes de retrait
1.3.2 Mécanismes de gonflement
2 Etudes de l’effet de la desaturation – resaturation sur les matériaux argileux
2.1 Etudes expérimentales
2.1.1 Méthodes pour créer la désaturation et la resaturation
2.1.1.1 Plaque tensiométrique
2.1.1.2 La méthode osmotique
2.1.1.3 L’appareil de Richards (méthode de translation d’axes)
2.1.1.4 La méthode des solutions salines
2.1.1.5 Synthèses
2.1.2 Approches expérimentales
2.1.2.1 Argilite de Tournemire
2.1.2.2 Argile à Opalinus au Mont-Terri
2.1.2.3 Argilite de l’Est
2.1.2.4 Autres argiles
2.1.2.5 Synthèses
2.2 Comportement hydromécanique
2.2.1 Les approches théoriques
2.2.1.1 Contraintes effectives et poromécanique
2.2.1.2 Approche phénoménologique
2.2.1.3 Approche d’homogénéisation
2.2.1.4 Approche basée sur la théorie des mélanges
2.2.2 Modèles hydromécaniques appliqués à l’argilite non saturé
2.2.2.1 Modèle poroélastique non-linéaire
2.2.2.2 Modèle poroélastique couplé à l’endommagement induit
2.2.2.3 Modèle poroélastique avec potentiel chimique
2.2.3 Synthèse
3 Conclusion
Chapitre 2 : Transfert hydrique : études expérimentales et modélisation
1 Introduction
2 Théorie de la diffusion
2.1 Mécanisme de transfert hydrique
2.1.1 Etat A (degré d’hygrométrie élevé)
2.1.2 Etat B (degré d’hygrométrie moyen)
2.1.3 Etat C (degré d’hygrométrie bas)
2.1.4 Etat D (degré d’hygrométrie très bas)
2.2 Loi de Fick
2.3 Equation différentielle de la diffusion
2.3.1 Equation générale
2.3.2 Cas particuliers
2.3.2.1 Diffusion unidimensionnelle linéaire (D constant)
2.3.2.2 Diffusion radiale dans un cylindre
2.4 Méthode d’identification du coefficient de diffusion
2.4.1 Mesure des profils de teneur en eau
2.4.1.1 Méthode destructive
2.4.1.2 Méthode non destructive
2.4.2 Flux d’eau échangé entre le matériau et de l’air
2.4.2.1 Cinétique de séchage
2.4.2.2 Sorption ou désorption de l’eau dans une enceinte climatisée
2.5 Synthèse
3 Expérimentation
3.1 Procédure expérimentale
3.2 Résultats expérimentaux
3.2.1 Test de stabilité hydrique
3.2.2 Résultats des essais de transfert hydrique
4 Courbe de sorption-désorption
4.1 Courbe de sorption – désorption
4.2 Argilite de l’Est
5 Identification de diffusivité hydrique
5.1 Diffusion axiale
5.1.1 Equation de diffusion
5.1.2 Résolution
5.2 Diffusion radiale
5.2.1 Equation de diffusion
5.2.2 Résolution
5.3 Résultats
5.3.1 Désaturation
5.3.2 Resaturation
5.4 Irréversibilité et hystérésis
5.5 Analyses des erreurs
5.6 Conclusion
6 Modélisation du transfert hydrique
6.1 Introduction
6.2 Loi de conduction du liquide
6.2.1 Perméabilité intrinsèque
6.2.2 Perméabilité relative au liquide
6.3 Transport de la vapeur
6.3.1 Ecoulement de la vapeur par convection en phase gazeuse
6.3.2 Transport diffusif de la vapeur
6.3.2.1 Transfert de la vapeur dans l’air
6.3.2.2 Transfert de la vapeur dans le mélange gazeux d’un milieu poreux
6.3.2.3 Effet Knudsen
6.3.2.4 Echelle macroscopique
6.4 Modélisation du transfert hydrique
6.4.1 Milieu poreux
6.4.2 Bibliographie des modèles de transfert hydrique
6.4.2.1 Modèles isothermes
6.4.2.2 Modèles non-isothermes
6.4.3 Modèle de transfert hydrique
6.4.3.1 Equations de conservation
6.4.3.2 Transfert hydrique sous forme liquide
6.4.3.3 Transfert hydrique sous forme vapeur
6.4.3.4 Equation de diffusion non-linéaire
6.4.3.5 Coefficient Chy
6.4.3.6 Application pour l’argilite de l’Est
6.4.3.7 Variation de la masse et de l’humidité
6.4.3.8 Perméabilité
6.4.3.9 Discussion
7 Conclusion
Chapitre 3: Effet de la désaturation-resaturation sur le comportement mécanique de l’argilite de l’Est
1 Introduction
2 Essais de désaturation-resaturation
2.1 Expérimentation
2.1.1 Cure hydrique
2.1.2 Mesure de la vitesse des ondes de compression
2.2 Résultats expérimentaux
2.2.1 Vitesse des ondes
2.2.2 Déformation hydrique libre
2.2.3 Déformation hydrique sous contrainte
2.3 Synthèse
3 Essai de compression uniaxiale
3.1 Matériel
3.2 Procédure expérimentale
3.3 Caractérisation des paramètres mécaniques
3.4 Résultats expérimentaux
3.4.1 Courbes de résultat des essais de compression uniaxiale
3.4.1.1 Désaturation
3.4.1.2 Resaturation
3.4.2 Interprétation des essais
3.4.2.1 Module de Young et coefficient de Poisson
3.4.2.2 Déformation volumique
3.4.2.3 Déformation plastique
3.4.2.4 Endommagement en fonction l’état hydrique
3.4.2.5 Paramètres de rupture
3.5 Conclusion
4 Comportement différé
4.1 Comportement différé
4.1.1 Déformation différée
4.1.2 Modèle de comportement différé
4.2 Expérimentation
4.2.1 Essais de laboratoire
4.2.2 Bâti de fluage utilisés dans les essais
4.2.3 Procédure de l’essai de fluage uniaxial
4.3 Résultats expérimentaux
4.3.1 Seuil de fluage
4.3.2 Fluage primaire
4.3.3 Vitesse de fluage secondaire
4.3.4 Contrainte à la rupture de fluage
4.3.5 Synthèses
5 Conclusion
CONCLUSION

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