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Accueil du site > Productions scientifiques > Séminaires à PHENIX > 2012 > Séminaire 30.11.2012 à 14h00

Séminaire 30.11.2012 à 14h00

par Benjamin Rotenberg - 15 octobre 2012

Catherine Davy, du Laboratoire de Mécanique de Lille (Ecole Centrale de Lille), présentera un séminaire le 30 novembre 2012 à 14h00 dans la bibliothèque du laboratoire PECSA (7e étage, bâtiment F, porte 754) intitulé :

Microstructure, rétention d’eau, transport de gaz et poro-mécanique de milieux poreux cohérents naturels ou artificiels

Résumé

Cet exposé concerne les liens qui peuvent être faits entre la microstructure (à différentes échelles) de matériaux poreux artificiels (bétons, mortiers) ou naturels (roche argileuse, craie, grès tight), et leurs propriétés hydriques (rétention d’eau), poro-mécaniques et de transport de fluide.

En première approche, ces propriétés sont représentées par différentes relations de nature phénoménologique, en lien avec une représentation généralement très simplifiée du milieu poreux au sein duquel elles s’exercent. De l’échelle macroscopique jusqu’à l’échelle nanométrique, les propriétés hydriques sont généralement décrites par la loi de capillarité de Laplace, couplée à la loi de Kelvin relative à l’équilibre thermodynamique entre eau vapeur et eau liquide, ainsi que par plusieurs relations relatives à l’adsorption et la désorption de l’eau à la surface des parois solides des pores. Les propriétés de transport de fluide sont généralement décrites par la loi de Darcy valable pour un écoulement laminaire, sinon par différentes relations non linéaires entre vitesse d’écoulement du fluide et gradient de pression. A l’heure actuelle, on ne sait mesurer directement ces propriétés de transport que jusqu’à l’échelle d’un échantillon centimétrique. Différents modèles relient la perméabilité à un diamètre de pore caractéristique et à une tortuosité, le plus répandu étant celui de Katz-Thompson.

Les propriétés poro-mécaniques sont liées à la notion de contrainte effective, qui pilote le comportement mécanique via la pression qui s’exerce au sein des pores et les contraintes totales que le milieu subit. Différents paramètres ont été proposés initialement par M. Biot, dont le tenseur (ou, plus simplement pour le cas isotrope, le coefficient) de Biot b [1]. Contrairement à la théorie initiale, les paramètres poro-mécaniques, et le coefficient de Biot en particulier, ne sont pas des constantes quelles que soient les sollicitations subies par le matériau poreux. Il existe notamment un effet du degré de saturation pour les roches argileuses (argilite), et un effet du chauffage (qui endommage la microstructure) pour les matériaux cimentaires. A l’heure actuelle, les approches les plus fines, permettant de relier physiquement ces différentes propriétés (hydriques, hydrauliques et poro-mécaniques) à la microstructure du milieu poreux, utilisent des techniques d’homogénéisation par changement d’échelle (périodique ou non) [2,3]. Ces approches utilisent une description fine de la microstructure à l’échelle mésoscopique (voire nano- ou micro-scopique), pour prédire des propriétés qui restent pour la plupart mesurées à l’échelle macroscopique.

Dans ce cadre, pour disposer d’une microstructure la plus réaliste possible, certaines études ont consisté à générer aléatoirement un réseau poreux (et un squelette solide) validé à partir de données expérimentales accessibles à l’échelle macroscopique. Parmi les moyens les plus utilisés pour obtenir ces données macroscopiques figurent la porosimétrie au mercure, l’adsorption d’azote, la pycnométrie à l’hélium, la thermogravimétrie, la DRX, les isothermes de sorption/désorption, etc. Des moyens plus récents permettent d’observer directement la microstructure, et d’en obtenir une représentation relativement réaliste. Ainsi, de nombreux matériaux poreux cohérents ont fait l’objet d’analyses par micro-tomographie, au MEB et au FIB/MEB, au MET, à l’AFM, via la micro et la nano-indentation, etc. On montrera des exemples pour l’argilite (roche argileuse hôte du site de stockage profond de déchets radioactifs en France), la craie d’Haubourdin (Nord, France), les grès tight (partenariat GDF/Suez), et les matériaux cimentaires. On verra qu’un verrou important est la préparation d’échantillons de matériau, nécessitée par la plupart de ces techniques, qui exigent un fonctionnement sous vide poussé, et donc des matériaux secs, ce qui n’est généralement pas leur état naturel.

Références :

[1] O. Coussy, Poromechanics, J. Wiley & Sons, New York, 2004.

[2] L. Dormieux, D. Kondo, F.J. Ulm, Microporomechanics, John Wiley & Sons, Inc, ISBN 978-0-470-03188-9, 2006.

[3] S. Brisard, L. Dormieux, FFT-based methods for the mechanics of composites : A general variational framework, Computational Materials Science, 49 (2010) 663–671, 2010.

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