FR2733049A1 - Measuring water content in non-satd. material - Google Patents
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Abstract
Description
PROCEDE DE MESURE DE LA TENEUR EN EAU
D'UNE MATIERE NON SATUREE
La présente invention concerne un procédé de mesure de la teneur en eau volumique d'une matière non saturée et en particulier d'une roche compacte telle que l'argile.METHOD OF MEASURING THE WATER CONTENT
OF AN UNSATURATED MATERIAL
The present invention relates to a method for measuring the volume water content of an unsaturated material and in particular of a compact rock such as clay.
Sous le terme matière, on entend non seulement les roches auxquelles l'invention s'applique plus particulièrement, mais aussi tout autre matériau, substance, volume de grains, de poudre métallique ou non, de fibres, etc. The term material means not only the rocks to which the invention applies more particularly, but also any other material, substance, volume of grains, metallic or non-metallic powder, fibers, etc.
Diverses méthodes ont été élaborées pour mesurer la teneur en eau de roches compactes non saturées et notamment pour mesurer la teneur en eau des argiles compactes rencontrées à grande profondeur dans le sous-sol. Various methods have been developed to measure the water content of unsaturated compact rocks and in particular to measure the water content of compact clays encountered at great depths in the subsoil.
On connaît des procédés tensiométriques. Ils sont applicables uniquement pour les matériaux dont la succion est inférieure à quelques bar, donc à des matériaux faiblement compactés. Tensiometric processes are known. They are applicable only for materials whose suction is less than a few bars, therefore to weakly compacted materials.
Certains procédés électriques sont basés sur le fait que la résistivité d'une roche est sensible à la teneur en eau de cette roche. Cependant, cette résistivité est trop facilement perturbée par les phénomènes chimiques environnants pour donner des mesures fiables. Certain electrical processes are based on the fact that the resistivity of a rock is sensitive to the water content of this rock. However, this resistivity is too easily disturbed by the surrounding chemical phenomena to give reliable measurements.
D'autres procédés électriques sont basés sur une mesure capacitive effectuée entre deux électrodes plantées dans la roche. On mesure la capacité qui est fonction de la constante diélectrique de la roche, laquelle varie avec la teneur en eau. Ces procédés souffrent de problèmes de connexion et de corrosion des électrodes. Other electrical methods are based on a capacitive measurement carried out between two electrodes planted in the rock. We measure the capacity which is a function of the dielectric constant of the rock, which varies with the water content. These methods suffer from problems of connection and corrosion of the electrodes.
Les procédés thermiques sont basés sur le fait que la teneur en eau d'une roche est déduite de la conductivité thermique de la roche, elle-même déduite de la cinétique thermique observée lorsqu'on impose une élévation de température instantanée en un point de la roche. Ce sont des procédés très indirects et tout juste qualitatifs. Thermal processes are based on the fact that the water content of a rock is deduced from the thermal conductivity of the rock, itself deduced from the thermal kinetics observed when an instantaneous temperature rise is imposed at a point in the rock. These are very indirect and just qualitative processes.
Les procédés nucléaires utilisent une source émettrice de neutrons qui sont ralentis puis provoquent l'émission de rayons gamma par les atomes d'hydrogène des molécules d'eau. Un détecteur approprié comptabilise ces rayons gamma qui révèlent la teneur en eau de la roche. Ces procédés exigent la mise en oeuvre d'une source radioactive et ne peuvent pas faire de mesures ponctuelles puisqu'ils nécessitent une sphère d'investigation de 0,5 m environ. Nuclear processes use a source emitting neutrons which are slowed down and then cause the emission of gamma rays by the hydrogen atoms of the water molecules. A suitable detector counts these gamma rays which reveal the water content of the rock. These methods require the use of a radioactive source and cannot make specific measurements since they require a sphere of investigation of approximately 0.5 m.
Les procédés de mesure temporelle sont basés sur le fait que le temps de propagation d'une onde dans une roche dépend de sa constante diélectrique. Temporal measurement methods are based on the fact that the propagation time of a wave in a rock depends on its dielectric constant.
Cette constante varie également selon que l'eau contenue dans la roche est libre ou liée. La mesure obtenue n'est pas très ponctuelle et la mise en oeuvre du procédé n'est pas aisée.This constant also varies depending on whether the water contained in the rock is free or bound. The measurement obtained is not very punctual and the implementation of the method is not easy.
I1 apparaît donc que la mesure de la teneur en eau de roches compactes non saturées et présentant une forte succion, dans lesquelles l'eau est majoritairement liée, n'est pas effectuée de manière satisfaisante par les procédés selon l'art connu. I1 therefore appears that the measurement of the water content of unsaturated compact rocks with high suction, in which the water is mainly bound, is not carried out satisfactorily by the methods according to the known art.
L'invention permet de remédier à ces inconvénients. Le procédé revendiqué présente l'avantage de permettre des mesures ponctuelles et permanentes. I1 met en oeuvre des capteurs de coût très modéré et leur mise en place sur le terrain ne pose pas de problème particulier. En outre, la mesure est facilement automatisable. The invention overcomes these drawbacks. The claimed process has the advantage of allowing punctual and permanent measurements. I1 implements very moderate cost sensors and their installation in the field does not pose any particular problem. In addition, the measurement is easily automated.
Le procédé selon l'invention découle du fait que lorsque l'air et la roche à étudier sont en contact, les potentiels de l'eau à la paroi de la roche, dans l'air et dans la roche, finissent par s'équilibrer. The method according to the invention follows from the fact that when the air and the rock to be studied are in contact, the potentials of the water at the wall of the rock, in the air and in the rock, eventually equilibrate .
Le potentiel de l'eau (c'est-à-dire la teneur en eau de la roche) se déduit de l'humidité relative de l'air par la loi de Kelvin. The potential of water (ie the water content of the rock) is deduced from the relative humidity of the air by Kelvin's law.
Le procédé de mesure comprend donc une phase d'étalonnage et la mesure proprement dite. The measurement process therefore includes a calibration phase and the actual measurement.
L'invention a donc pour objet un procédé de mesure de la teneur en eau d'un volume de matière non saturée, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes
- on établit des courbes de sorption/désorption de ladite matière qui donnent, pour une température donnée, la teneur en eau volumique de la matière en fonction de l'humidité relative de l'air en contact avec la matière,
- on réalise dans le volume de matière une chambre de mesure fermée contenant un volume d'air,
- on mesure l'humidité relative de l'air dans ladite chambre et pour une température donnée,
- on détermine la teneur en eau du volume de matière au moyen desdites courbes de sorption/désorption.The subject of the invention is therefore a method of measuring the water content of a volume of unsaturated material, characterized in that it comprises the following steps
sorption / desorption curves of said material are established which give, for a given temperature, the volume water content of the material as a function of the relative humidity of the air in contact with the material,
- a closed measuring chamber containing a volume of air is produced in the volume of material,
the relative humidity of the air in said chamber is measured and for a given temperature,
- Determining the water content of the volume of material by means of said sorption / desorption curves.
De préférence, les courbes de sorption/désorption sont établies à partir d'un échantillon de ladite matière enfermé dans une enceinte où l'air a une humidité relative imposée. Preferably, the sorption / desorption curves are established from a sample of said material enclosed in an enclosure where the air has an imposed relative humidity.
La chambre de mesure peut être à parois nues ou être délimitée par une enceinte en matériau poreux si la tenue mécanique des parois de la chambre est incertaine. The measurement chamber can be with bare walls or be delimited by an enclosure made of porous material if the mechanical behavior of the walls of the chamber is uncertain.
La chambre de mesure peut être avantageusement équipée d'un capteur d'humidité et également d'un capteur de température. The measurement chamber can advantageously be equipped with a humidity sensor and also with a temperature sensor.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages et particularités apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, accompagnée des dessins annexés parmi lesquels
- la figure 1 représente un échantillon de roche enfermé dans une enceinte de conditionnement,
- la figure 2 représente des courbes d'étalonnage,
- la figure 3 représente un bloc de roche dans laquelle a été creusée une chambre de mesure.The invention will be better understood and other advantages and particularities will appear on reading the description which follows, given by way of nonlimiting example, accompanied by the appended drawings among which
FIG. 1 represents a sample of rock enclosed in a conditioning enclosure,
FIG. 2 represents calibration curves,
- Figure 3 shows a block of rock in which a measuring chamber has been dug.
L'étalonnage de la matière considérée (par exemple une roche) peut être réalisé à partir de l'enceinte de conditionnement 1 représentée à la figure 1. Cette enceinte permet d'obtenir, à des températures déterminées, des atmosphères d'humidité relative constante, lorsqu'on utilise pour cela des solutions aqueuses saturées de sels ou des mélanges de glycérine et d'eau. L'enceinte est un récipient de forme simple et dont les parois internes, facilement nettoyables, sont inertes vis-à-vis des solutions utilisées. The calibration of the material considered (for example a rock) can be carried out from the conditioning enclosure 1 represented in FIG. 1. This enclosure makes it possible to obtain, at determined temperatures, atmospheres of constant relative humidity. , when saturated aqueous solutions of salts or mixtures of glycerin and water are used for this. The enclosure is a container of simple shape and whose internal walls, which can be easily cleaned, are inert with respect to the solutions used.
L'enceinte 1 est pourvue d'un porte-échantillon 2 et son fond contient une quantité appropriée de solution 3 conférant à l'atmosphère interne à l'enceinte le taux d'humidité voulu. The enclosure 1 is provided with a sample holder 2 and its bottom contains an appropriate quantity of solution 3 giving the interior atmosphere to the enclosure the desired level of humidity.
L'échantillon de roche 4 est placé sur le porte-échantillon 2. I1 constitue un volume relativement petit par rapport au volume d'air contenu dans l'enceinte de manière que ce soit la solution 3 qui impose à l'échantillon un taux d'humidité. The rock sample 4 is placed on the sample holder 2. I1 constitutes a relatively small volume compared to the volume of air contained in the enclosure so that it is solution 3 which imposes on the sample a rate of 'humidity.
Lorsque l'équilibre hygrométrique est établi, on peut relever la teneur en eau volumique de la roche en fonction de l'humidité relative de l'air dans l'enceinte 1. La perte ou le gain d'eau de l'échantillon est mesurée par pesée pour chaque valeur de l'humidité relative. On peut, pour effectuer la pesée, se servir du porte-échantillon 2 comme d'un plateau de balance. When the hygrometric balance is established, the volume water content of the rock can be raised as a function of the relative humidity of the air in the enclosure 1. The loss or gain of water in the sample is measured by weighing for each value of the relative humidity. To carry out the weighing, the sample holder 2 can be used as a weighing pan.
Lorsque la masse de l'échantillon ne varie plus, on considère que la roche est à équilibre avec l'air ambiant.When the mass of the sample no longer varies, the rock is considered to be in equilibrium with the ambient air.
A partir de différentes solutions imposant des taux d'humidité relative, on peut effectuer un certain nombre de relevés. Ces relevés peuvent être établis pour différentes températures. From different solutions imposing relative humidity levels, a number of measurements can be made. These readings can be established for different temperatures.
On trouvera dans le fascicule NF X 15-014 de novembre 1973, édité par l'Association Française de
Normalisation (AFNOR), différents exemples de solutions utilisables dans l'enceinte de conditionnement.We will find in the booklet NF X 15-014 of November 1973, published by the French Association of
Standardization (AFNOR), different examples of solutions that can be used in the packaging enclosure.
A partir des relevés établis on peut tracer les courbes de sorption/désorption de la roche considérée. From the established readings, we can trace the sorption / desorption curves of the rock considered.
La figure 2 représente un graphe d'étalonnage pour une roche donnée, avec en ordonnées la teneur
T en eau volumique de la roche et en abscisses le taux d'humidité relative HR de l'atmosphère imposé à l'échantillon de roche. Chaque courbe 10, 11 et 12 a été tracée pour une température différente.Figure 2 shows a calibration graph for a given rock, with the grade on the ordinate
T in volume water of the rock and on the abscissa the relative humidity RH of the atmosphere imposed on the rock sample. Each curve 10, 11 and 12 has been plotted for a different temperature.
La figure 3 illustre l'étape de mesure du procédé selon l'invention. Dans un bloc de roche 15, de même nature que l'échantillon 4 à partir duquel on a élaboré les courbes d'étalonnage, on aménage une chambre de mesure 16 que l'on ferme par un bouchon 17. La chambre de mesure 16 renferme la partie sensible d'un capteur d'humidité relative d'air 18. Elle renferme un petit volume d'air comparé au volume du bloc 15. Ceci fait que c'est la roche qui impose le taux d'humidité au petit volume d'air. En outre, cela permet de parvenir assez rapidement à l'équilibre entre les potentiels de l'eau dans la roche, dans l'air de la chambre de mesure et aux parois de cette chambre. Une fois l'équilibre atteint, la valeur donnée par le capteur 18 permet de connaître, grâce aux courbes de la figure 2, la teneur en eau volumique du bloc 15. FIG. 3 illustrates the measurement step of the method according to the invention. In a block of rock 15, of the same nature as the sample 4 from which the calibration curves have been developed, a measurement chamber 16 is arranged which is closed by a plug 17. The measurement chamber 16 contains the sensitive part of a relative air humidity sensor 18. It contains a small volume of air compared to the volume of the block 15. This means that it is the rock which imposes the humidity rate on the small volume d 'air. In addition, this allows the equilibrium between the potentials of water in the rock, in the air of the measurement chamber and at the walls of this chamber to be reached fairly quickly. Once equilibrium has been reached, the value given by the sensor 18 makes it possible to know, by means of the curves of FIG. 2, the volume water content of the block 15.
On doit bien sûr tenir compte de la température à laquelle s'est faite cette mesure d'humidité relative. We must of course take into account the temperature at which this relative humidity measurement was made.
La chambre de mesure peut avantageusement contenir un capteur de température et également d'autres capteurs en cas de besoin.The measurement chamber can advantageously contain a temperature sensor and also other sensors if necessary.
Si la roche est saturée, le potentiel de l'eau est nul et l'humidité relative de l'air vaut 100%. If the rock is saturated, the potential of the water is zero and the relative humidity of the air is 100%.
L'aménagement de la chambre de mesure 16 dans le bloc 15 peut se faire par fonçage, en paroi ou à l'extrémité d'un forage. On peut aussi envisager un forage équipé de sections de mesure isolées à intervalles réguliers ou s'il s'agit d'une matière formée de particules sans cohésion. The arrangement of the measurement chamber 16 in the block 15 can be done by sinking, on the wall or at the end of a borehole. It is also possible to envisage a borehole equipped with isolated measuring sections at regular intervals or in the case of a material formed of particles without cohesion.
Si la roche est friable ou s il s'agit d'une matière formée de particules sans cohésion, la chambre de mesure 16 peut être pourvue d'une crépine 19 permettant de soutenir les parois tout en autorisant la diffusion de l'humidité. If the rock is brittle or if it is a material formed of particles without cohesion, the measurement chamber 16 can be provided with a strainer 19 making it possible to support the walls while allowing the diffusion of humidity.
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-
1995
- 1995-04-14 FR FR9504529A patent/FR2733049B1/en not_active Expired - Fee Related
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