revue du gl esc 15 et 16 septembre 2009
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Revue du GL ESC 15 et 16 septembre 2009. Evolution des propriétés de transport de mortiers et de bétons ANDRA avec l’état de fissuration et la température. Catherine A. Davy, F. Skoczylas Ecole Centrale de Lille & LML - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
Evolution des propriétés de transportde mortiers et de bétons ANDRA
avec l’état de fissuration et la température
1
Revue du GL ESC15 et 16 septembre 2009
Catherine A. Davy, F. SkoczylasEcole Centrale de Lille & LML
Autres contributeurs : X.T. Chen, W. Chen, F. Agostini, S. Mjahad, Th. DuboisE. Lemarchand, L. Dormieux
Publié (en partie) dans : Cement & Concrete Research, sous presse, juillet 2009 Transport in Porous Media, Vol.79 (3), septembre 2009 Transport in Porous Media, accepté, septembre 2009
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Plan de l’exposé
1- Introduction
2- Perméabilité à chaud de mortier normalisé et béton ANDRA1.1- Méthodologie expérimentale
1.2- Résultats et analyses
3- Effet d’une macro-fissure sur les propriétés de transport3.1- Méthodologie expérimentale
3.2- Résultats et analyses3.3- Complément : modélisations micro-mécanique
4- Effet d’une micro-fissuration sur les propriétés de transport au gaz4.1- Méthodologie expérimentale
4.2- Résultats et analyses
5- Conclusion - Perspectives
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1- Introduction
Contexte industriel et scientifique
Vu lors de la revue à mi-parcours du GL « Transfert de gaz » (J.
Talandier) :
Déchets à durée intermédiaire : T < 50°C
Déchets de longue durée : Tmaxi = 80°C sur de courtes périodesObjectifs des travaux
expérimentaux
Pour évaluer la sécurité et la performancedes installations de stockage à long terme,
il est indispensable de connaître
l’effet de la température sur les capacités
de rétention des bétons
l’effet d’une fissuration(micro- ou macro) sur ces propriétés
=> évaluation par la perméabilité au
gaz
Courtesy: ANDRA
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1- Introduction : Méthode de mesure de la perméabilité au gaz
en conditions isothermes
En considérant le régime d’injection comme quasi-permanent suivant x, loi de Darcy,conservation de la masse et loi des gaz parfaits [Skoczylas-96] impliquent que :
Kgaz = 2 L Qv Pmoy / (A (Pmoy2 - P0
2)) = 2 L V1 P1 / (A t (Pmoy2 - P0
2))
où est la viscosité du gaz et Pmoy = P1 - P1/2
Echantillon
Manomètre
Sourcede gaz
injection via le réservoir tampon
AV1
Réservoir tampon
La pression d’injection Pi
est stabilisée à P1
puis elle chute
d’une valeur P1<<P1
pendant t
Pmoy
P0 est la pressionatmosphérique
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1- Introduction : Méthode de mesure de la perméabilité au gaz
en conditions non isothermes
En conditions non isothermes, Kgaz(T) est calculée
en corrigeant le débit volumique Qv par Qv(T)
et la viscosité du gaz par (T) [Chen et al.-09] :
Qv(T) = T P1 V1 / T0 Pmoy t
(T) = ref (T/T0)0,72 , avec T0 = 300K (= 27°C) et ref = (T0)
En particulier, pour l’Argon : (T0) = 2,283 x 10-5 Pa.sec
D’où finalement : Kgaz (T) = 2 L Qv(T) Pmoy / (A (Pmoy2 - P0
2))
Kgaz (T) = (T/T0)1,72 Kref
où Kref est la perméabilité au gaz à T0 = 27°C
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Plan de l’exposé
1- Introduction
2- Perméabilité à chaud de mortier normalisé et béton ANDRA1.1- Méthodologie expérimentale
1.2- Résultats et analyses
3- Effet d’une macro-fissure sur les propriétés de transport3.1- Méthodologie expérimentale
3.2- Résultats et analyses3.3- Complément : modélisations micro-mécanique
4- Effet d’une micro-fissuration sur les propriétés de transport au gaz4.1- Méthodologie expérimentale
4.2- Résultats et analyses
5- Conclusion - Perspectives
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Objectifs et originalité de l’étude expérimentale
Au moyen d’essais en laboratoire sur échantillons
de mortier ou béton ANDRA à température uniforme à tout instant,
la perméabilité au gaz est mesurée en continu lors du chauffage
Mise en évidence d’un effet bouchon ?
Effet du degré de saturation initial du matériau ?
Effet d’échelle ?
Effet bouchon =le fluide interstitiel
(ici du gaz)ne passe plus au travers
du matériau poreux,il y a augmentation de la pression de
pore
=> écaillage des structures en béton[Ulm et al.-99, Khalifa et al.-00]
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2.1- Méthode expérimentale :matériaux et conditions de chauffage
Matériaux : mortier normalisé (E/C) = 0.5 avec ciment type CEM II et béton ANDRA avec ciment type CEM V (E/C) = 0.48
Echantillons de diamètre 37mm, (L/D) et degré de saturation Sw variables
Une étude préliminaire sur bétons BAP (CERIB) a montré l’uniformitéde la température à tout instant dans des échantillons de diamètre 65mm
La vitesse moyenne de chauffage dépend de la température cible :60, 105 ou 200°C
mortier Béton ANDRA
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2.1- Méthode expérimentale : banc d’essai thermique
Le confinement est fixé à 5MPa pour toute l’étude
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2.1- Méthodologie : analyse thermogravimétrique (ATG)
XXXX
Décomposition de la pâte de ciment hydratéelors du chauffage [Lea-98, Mounanga-03]
Lors d’un chauffage continu (méthode dynamique), on considère que :
• pour l’eau, l’eau libre est entièrement partie avant 105 ou 145°C (par convention).On s’en assure par séchage préalable à 105°C jusqu’à stabilisation de la masse.
• pour les C-S-H et les aluminates hydratés, la perte d’eau liée a lieu de 145 à 400°C
• pour la Portlandite Ca(OH)2, la perte d’eau liée se fait de 400 à 600°C
• pour la calcite CaCO3, la perte de CO2 se fait de 600 à 800°C
2.1- Description du banc d’essai d’ATGdisponible au LML (Ecole Centrale de Lille)
Un appareil intégrantla balance et le four
un système informatisé de pilotage
du chauffage du four,et d’acquisition
de mesures
Arrivée d’eau :pour la régulation du four
Arrivée de gaz :fonctionnement
sous atmosphère inerte
Appareil LabsysTM (Setaram) : Tmaxi = 1600°C
2.1- Description du banc d’essai d’ATGdisponible au LML (Ecole Centrale de Lille)
La variation de masseest donnée par une balance
à fléau en partie basse(sous le capot)
La température est
donnéepar un thermocoupleplacé entre les deux
échantillons
Le flux thermique estdonné par deux thermocouplesreliés entre eux
situés sous les deux creusets
On teste des matériaux plutôt en poudre, pour augmenter leur surface d’échangeet accélérer les réactions de décomposition au chauffage
2.1- Méthode de dépouillement d’un essai d’ATG
20
On dispose égalementdu flux thermique (en Volts),
équivalent à une dérivéethermogravimétrique DTG
Un premier essai à videpermet de tenir compte
de la dérivée de l’appareillors des essais proprement dits
La perte de masseest exprimée
en % de la masse de ciment
départde l’eau libre
décompositiondes CSH
décompositionde CH
décompositionde la calcite CaCO3
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2.2- Résultats d’ATG
Pour le mortier,la réaction principale
de décomposition des C-S-Hse produit vers 150°C
Pour le béton CEMV,la décomposition des C-S-H
est beaucoup plus progressive (moins ample à T donnée)
entre 150 et 400°C
La stoechiométrie des C-S-H est plus variéeet avec des rapports C/S plus petits
que pour le mortier=> Moins d’eau par C-S-H
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2.2- Résultats :Effet du degré de saturation initial - échantillons longs
Ko est la perméabilité au gaz initiale (avant cycles de chauffage)
Echantillon sec N°23
Un phénomène de bouchona lieu pour le mortier
long,partiellement saturé,
à vitesse de chauffage élevée
Echantillon partiellement saturé(Sw=44.7%) N°16
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2.2- Observations en cours d’essai
Qu’est-ce que l’effet bouchonconcrètement ?
Echantillon partiellement saturé(Sw=44.7%) N°16
Des gouttes d’eaus’échappentdu dispositif
La pression de gazmesurée en amont
de l’échantillonaugmente.
Cela signifie que le gazne parvient
plus a passeret s’accumule en amont
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2.2- Résultats :Effet d’échelle pour le mortier partiellement saturé
Echantillon court N°26 (Sw=44.7%)
Echantillon long N°17 (Sw=53.4%)
L’effet bouchon a lieu seulementpour la vitesse de chauffage
la plus élevéeet pour les échantillons
longs
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2.2- Résultats :Effet du degré de saturation initial pour le béton ANDRA
Béton sec CEMV N°1
Béton partiellement saturé CEMV N°2 (Sw=79.6%)
L’effet bouchon est observépour le béton ANDRA
saturé à 79,6%dès le chauffage
jusqu’à 60°C
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2.2- Résumé des principaux résultats
Remarques : 60°C est une températurepossible pour le stockage,et une saturation à 79,6%
est déjà très basse(Cf exposé N. Burlion)
La perméabilité au gazpeut donc s’annuler in situ,
par contre, quelle estla durée de ce bouchon/
durée du stockage, cela reste une question ouverte
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2- Conclusion partielle
Un effet bouchon a été mis en évidence.
Il est très sensible à l’effet d’échelle, au degré de saturation Sw initial,
et à la vitesse de chauffage.
Il a été observé pour les mortiers et les bétons CEMV ANDRA
longs (L/D ≈ 2) et partiellement saturés.
Aucun effet bouchon n’est constaté pour du matériau sec,et des échantillons suffisamment petits (L/D ≈ 1).
Jusqu’à 200°C, notre interprétation est qu’à la fois
de l’eau libre (jusqu’à 150°C environ),
et de l’eau liée (due à la décomposition des CSH au-delà)
se dilate, se vaporise, se met sous pression,
et obstrue le réseau poreux connecté : le gaz ne peut plus passer.
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Plan de l’exposé
1- Introduction
2- Perméabilité à chaud de mortier normalisé et béton ANDRA1.1- Méthodologie expérimentale
1.2- Résultats et analyses
3- Effet d’une macro-fissure sur les propriétés de transport3.1- Méthodologie expérimentale
3.2- Résultats et analyses3.3- Complément : modélisations micro-mécanique
4- Effet d’une micro-fissuration sur les propriétés de transport au gaz4.1- Méthodologie expérimentale
4.2- Résultats et analyses
5- Conclusion - Perspectives
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3.1- Méthode expérimentale :Obtention d’une macro-fissure diamétrale
par essai de fendage
Macro-fissure
Essai brésilien
Echantillon 2 : CEMI
Echantillon 1 :CEMV (E/C)=0,39
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3.1- Méthode expérimentale :Utilisation d’une cellule triaxiale de
confinement
dispositif de mesurede perméabilité
celluletriaxiale
échantillond’argilite
macro-fissuré manomètre
manomètre
sourcede gaz
réservoirtampon
Pc
P0
Pi
pompeGilson
Nota : Pc = étanchéité échantillon + niveau d’écrasement de la macro-fissure
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3.1- Méthode expérimentale :Mesure des variations d’écrasement de fissure e
L’écrasement de fissure e est compté positivement (ouverture <0)
Tous les effets parasites (déformations des supports plastiques,
déformation élastique du matériau, etc.) sont pris en compte
lors des phases de calibrage
Fracture
ManchonViton
capteurs LVDT
Echantillon
Anneau support
Macro fissure
CapteursLVDT
Echantillon
manchonen Viton
anneau support
Vue de dessus
(non représenté sur le schéma de la page précédente)
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3.2- Résultats : comportement mécanique
Après deux à trois cycles de charge-décharge,le comportement mécanique
de deux échantillons différents est quasiment identique,même si la fermeture initiale était différente
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3.2- Résultats : comportement hydraulique
Après un 1er cycle de chargement, la perméabilité au gaz se stabiliseet devient moins sensible au confinement, échantillon.
Pas d’effet de la pression d’injection (Pi = 0.5 ou 1 MPa).
Pour ces macro-fissures, il subsistera toujours des chenaux préférentielspour l'écoulement et une contrainte usuelle (<40MPa) ne pourra pas les
refermer.
K0(Echantillon 2) = 7x10-15 m2K0(Echantillon 1) = 3,2x10-14 m2
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3.3- Essai complémentaire « rudimentaire »Effet d’une injection d’air humide
et d’une faible augmentation de température
Procédure expérimentale :
1) balayage de la fracture non confinée sous air humide (92%HR) à 24°C ou 40°C pendant 48h minimum puis pendant des durées de 5 jours.
2) mesure de la perméabilité de la fracture sous confinement croissantpar injection d'argon sec à température ambiante
ou en cellule chauffée à 50°C
(Pi= 5 puis 10 bars à Pc donné).
L'humidité réelle est alors un peu plus faibleque 92% dans la fracture.
3) reprise du balayage sous air humideet répétition des opérations.
Enceinte thermique à HR contrôlé = 92%(l’air humide est extrait de l’enceinte puis envoyédans la cellule triaxiale par pompe à vide)
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3.3- Essai complémentaire « rudimentaire »Effet d’une injection d’air humide
et d’une faible augmentation de température
Premiers résultats sur l’échantillon 1 (similaires pour 2)
Pinjection gaz = 5 bars Pinjection gaz = 10 bars
Peu d’effet de la pression d’injection (Pi = 0.5 ou 1 MPa).
Effet limité du balayage par air humide à 92%HR, et d’une variation de T->
50°C.
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3.3- Essais complémentairesEffet d’une augmentation forte de la température
Premiers résultats un échantillon macro-fissuré de béton CEM I
on n’observe pas un effet notable du chauffagesur la perméabilité au gaz du béton macro-fissuré.
Echantillon h = 70mm; = 36mm
Trois cycles de chauffage successifs :20-50°C,20-105°C,20-150°C
Perméabilité au gaz en continu
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3.3- Essais complémentairesEffet d’une injection d’eau
Premiers résultats sur l’échantillon 1 (CEM V E/C=0,39)
on observe une chute régulière du débit, et donc de la perméabilité,dans un rapport de 1 à 3-4.
La perméabilité à l’eau initiale est deux ordres de grandeur en dessous de la perméabilité au gaz.
Conditions expérimentales:
Pc = 3 MPaet Pi = 5 bars
Keau = Q L /(A (P1-P0))
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3.4- Suite à cette étude expérimentale :
(1) Distribution de cylindres parallèles (2) Distribution de sphéroïdes aplatis 3D
Prédictionde la perméabilité
au gaz avec (_)ou sans (- -)tortuosité
Deux modèles micro-mécaniques ont été proposés,visant à décrire les propriétés mécaniques et de transport
du matériau macro-fissuré
(collaboration avec L. Dormieux et E. Lemarchand,deux publications acceptées dans TIPM)
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Plan de l’exposé
1- Introduction
2- Perméabilité à chaud de mortier normalisé et béton ANDRA1.1- Méthodologie expérimentale
1.2- Résultats et analyses
3- Effet d’une macro-fissure sur les propriétés de transport3.1- Méthodologie expérimentale
3.2- Résultats et analyses3.3- Complément : modélisations micro-mécanique
4- Effet d’une micro-fissuration sur les propriétés de transport au gaz4.1- Méthodologie expérimentale
4.2- Résultats et analyses
5- Conclusion - Perspectives
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4.1- Préparation de bétons ANDRA micro-fissurés(mastère recherche de Sofia Mjahad, thèse en démarrage)
2- Procédures expérimentales testées pour obtenir une micro-fissuration
(potentiellement) reproductible
Echantillon Béton (1) : = 37,7 mm, h=30 mm
3 cycles de gel/dégel (un cycle = -18°C puis 100°C)
Echantillon Béton (2) : = 37,7 mm, h=73,5 mm
Immersion dans l’azote liquide (-196°C) puis dans l’eau bouillante (100°C)
1- Etat initial de tous les échantillons (CEM I E/C=0,43) :
étuve à 65°C jusqu’à stabilisation de la masse => Kgaz initiale (pulse test)
puis mise en atmosphère à RH = 100% jusqu’à stabilisation de la masse
3- Ensuite, chaque échantillon est mis en étuve à 105°C => Kgaz après choc thermique
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4.2- Premiers résultats :une micro-fissuration efficace
Pour les deux échantillons testés, la perméabilité a fortement augmenté
suite au choc thermique + passage en étuve à 105°C.
NB : un choc thermique sur béton initialement sec ne voit pas d’augmentation de Kgaz
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Plan de l’exposé
1- Introduction
2- Perméabilité à chaud de mortier normalisé et béton ANDRA1.1- Méthodologie expérimentale
1.2- Résultats et analyses
3- Effet d’une macro-fissure sur les propriétés de transport3.1- Méthodologie expérimentale
3.2- Résultats et analyses3.3- Complément : modélisations micro-mécanique
4- Effet d’une micro-fissuration sur les propriétés de transport au gaz4.1- Méthodologie expérimentale
4.2- Résultats et analyses
5- Conclusion - Perspectives
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Conclusion - Perspectives
2) Propriétés de transport au gaz de bétons macro-fissurés :
Le confinement pilote la perméabilité (peu d’effet de Pi ou HR - à valider)
Question ouverte :Quel serait l’effet d’un chargement en confinement+déviateur (i.e. cisaillement) ?
1) Perméabilité à chaud :
La perméabilité au gaz peut s’annuler dans des conditions possibles in situ,
Question ouverte :
Quelle est la durée de ce bouchon/durée du stockage ?
3) Propriétés de transport au gaz de bétons micro-fissurés :La micro-fissuration est obtenue par choc thermique
Question ouverte :Quelle métrologie mettre en place pour l’évaluer ?