FR2761156A1 - Porous rock thermohydromechanical properties measuring device - Google Patents

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Abstract

The device includes a brass body (2) with two slots and a sliding piston (2) made of stainless steel. Leather straps (3) are fixed in the body slots to vary the section through which air can circulate. A porous disc (4) with a teflon ring is placed on the top of the piston. The piston opposite extremity presents a blade which enables measuring of piston displacement. The material to be tested is placed inside a cell (5) inserted inside the body.

Description

La présente invention concerne un dispositif expérimental permettant d'imposer simultanément sur un échantillon de roche des états de contrainte, mécanique, hydrique (saturé et partiellement saturé) et thermique. The present invention relates to an experimental device making it possible to simultaneously impose stress, mechanical, water (saturated and partially saturated) and thermal states on a rock sample.

Divers appareillages ont été élaborés pour imposer des états hydriques partiellement saturés. Ils sont tous caractérisés par la génération de pressions interstitielles négatives. La technique de la contre pression d'air est la plus couramment utilisée. Elle consiste à appliquer au sein du matériau par l'intermédiaire d'une des faces de l'échantillon une pression d'air supérieure à la pression atmosphérique. La deuxième face de l'échantillon est placée en contact avec de l'eau par l'intermédiaire d'une membrane semi-perméable ou d'une céramique à haute pression d'entrée d'air. La succion est définie comme étant la différence entre la pression de l'air et la pression de l'eau s=pa-pw. Dans ce cas la succion est égale à la pression de l'air, car la pression d'eau reste égale à la pression atmosphérique (uw =0). Cette technique est applicable dans un domaine de succion compris entre la pression d'entrée d'air dans le matériau et la pression de désaturation de la membrane ou de la céramique. Elle reste utilisable pour les matériaux faiblement compactés ( rayon moyen des pores d'environ 1,4 lim ) dans lesquels la phase eau est continue et correspond à des succions n'excédant pas 5 MPa. Le principe de la méthode osmotique repose sur la mise en contact du matériau, par l'intermédiaire d'une membrane semi-perméable, avec une solution contenant des macromolécules organiques(souvent du polyéthylène glycol). Les molécules d'eau peuvent à l'inverse des macromolécules, traverser la membrane. La succion est donc contrôlée par la concentration de la solution. Au moyen de cette technique le contrôle de la succion est possible entre 0 et 1,5 MPa; elle s'applique à des matériaux dont le rayon moyen des pores est égal à 4,8 clam. Certains sels présentent des propriétés spécifiques de sorption en présence d'eau et permettent d'imposer une valeur constante de l'humidité relative au-dessus de la solution. Une solution aqueuse saturée en un sel adéquatement choisi permet de donner un degré d'humidité relative fixe. La relation entre l'humidité relative et la = pwR.T succion est définie par s= 8 .Lnhr avec: hr humidité relative, T
M température, R constante, M masse molaire, pu densité de l'eau. Cette technique est surtout utilisée pour déterminer les isothermes de sorptiondésorption sur matériau non confiné dans un domaine de pression allant de 2,7 à 360 MPa. Elle permet d'étudier des matériaux dont la dimension des rayons de pore est comprise entre 2*10.3 et 2,8Crm. Various devices have been developed to impose partially saturated water states. They are all characterized by the generation of negative pore pressures. The technique of air back pressure is the most commonly used. It consists in applying within the material via one of the faces of the sample an air pressure higher than atmospheric pressure. The second face of the sample is placed in contact with water by means of a semi-permeable membrane or a ceramic with high air inlet pressure. Suction is defined as the difference between air pressure and water pressure s = pa-pw. In this case the suction is equal to the air pressure, because the water pressure remains equal to the atmospheric pressure (uw = 0). This technique is applicable in a suction range between the air inlet pressure in the material and the desaturation pressure of the membrane or the ceramic. It can still be used for weakly compacted materials (average pore radius of around 1.4 lim) in which the water phase is continuous and corresponds to suction not exceeding 5 MPa. The principle of the osmotic method is based on bringing the material into contact, via a semi-permeable membrane, with a solution containing organic macromolecules (often polyethylene glycol). Water molecules can, unlike macromolecules, cross the membrane. Suction is therefore controlled by the concentration of the solution. By means of this technique the suction control is possible between 0 and 1.5 MPa; it applies to materials with an average pore radius of 4.8 clam. Certain salts have specific sorption properties in the presence of water and make it possible to impose a constant value of the relative humidity above the solution. A saturated aqueous solution of an adequately chosen salt makes it possible to give a fixed degree of relative humidity. The relationship between relative humidity and = pwR.T suction is defined by s = 8 .Lnhr with: hr relative humidity, T
M temperature, constant R, M molar mass, density of water. This technique is mainly used to determine the sorption-desorption isotherms on unconfined material in a pressure range from 2.7 to 360 MPa. It makes it possible to study materials whose dimension of the pore radii is between 2 * 10.3 and 2.8Crm.

L'invention permet d'imposer des succions dans une gamme étendue de 2,7 à 360 MPa et des températures de l'ambiante jusqu'à 95"C à des matériaux sous contrainte mécanique, ce que ne permettent pas les techniques de contre pression d'air ou osmotique. Le dispositif revendiqué permet d'imposer simultanément sur une galette cylindrique une contrainte verticale, une déformation radiale nulle, un état hydrique et une température. The invention makes it possible to impose suction in a wide range from 2.7 to 360 MPa and ambient temperatures up to 95 "C to materials under mechanical stress, which the backpressure techniques do not allow. The claimed device makes it possible to simultaneously impose on a cylindrical wafer a vertical stress, zero radial deformation, a hydric state and a temperature.

II permet les mesures des déplacements verticaux et des contraintes horizontales. La température est contrôlée en plaçant l'appareil dans une étuve régulée. La succion au sein du matériau est imposée en faisant circuler sur les deux faces de la galette un air à humidité relative contrôlée. It allows measurements of vertical displacements and horizontal stresses. The temperature is controlled by placing the device in a regulated oven. Suction within the material is imposed by circulating on the two faces of the wafer air with controlled relative humidity.

L'invention a pour objet de proposer un appareillage permettant l'étude du comportement thermohydromécanique des matériaux poreux, caractérisé en ce qu'il comprend les dispositifs suivants:
une cellule oedométrique qui contient l'échantillon et comporte quatre orifices d'air. Ces orifices permettent l'écoulement de l'air sur les deux faces de l'échantillon. Le balayage de l'air est réalisé alternativement sur la face supérieure du matériau à l'aller et sur l'autre face au retour.The object of the invention is to propose an apparatus allowing the study of the thermohydromechanical behavior of porous materials, characterized in that it comprises the following devices:
an oedometric cell which contains the sample and has four air openings. These holes allow air to flow on both sides of the sample. The air is swept alternately on the upper face of the material going and on the other face on the return.

des tubulures dont la géométrie rappelle un C, qui sont assemblées sur les orifices de la cellule pour permettre à l'air de transiter de la face inférieure à la face supérieure de l'échantillon. Ces tubulures sont formées de deux parties assemblées par un collier au milieu du C. tubes whose geometry recalls a C, which are assembled on the orifices of the cell to allow air to pass from the lower face to the upper face of the sample. These tubes are formed of two parts assembled by a collar in the middle of the C.

des canalisations qui sont connectées aux deux orifices restant: I'une concerne l'arrivée de l'air à humidité relative contrôlée et l'autre assure la sortie de l'air dont l'humidité relative se trouve modifiée après passage sur les deux faces de l'échantillon. pipes which are connected to the two remaining orifices: one concerns the arrival of air with controlled relative humidity and the other ensures the exit of air whose relative humidity is changed after passing over both sides of the sample.

un ventilateur qui assure l'écoulement de l'air en régime turbulent pour accélérer les transferts. a fan which ensures the flow of air in turbulent regime to accelerate transfers.

un échangeur d'humidité relative contenant un bac qui permet de contrôler l'hygrométrie de l'air ventilé en recevant une solution saline saturée. Les différents types de sels couramment utilisés sont décrits dans le fascicule
NF X 15-014 édité par l'Association Française de Normalisation (AFNOR, novembre 1973). Le ventilateur aspire l'air de l'oedomètre et le fait circuler au dessus du bac contenant la solution saline saturée. Le pesage en continu du bac des solutions permet de suivre la cinétique d'échange et la consolidation hydrique de l'échantillon.a relative humidity exchanger containing a tank which allows the humidity of the ventilated air to be controlled by receiving a saturated saline solution. The different types of salts commonly used are described in the booklet
NF X 15-014 published by the French Association for Standardization (AFNOR, November 1973). The ventilator draws air from the oedometer and circulates it above the tank containing the saturated saline solution. Continuous weighing of the solution tank makes it possible to follow the exchange kinetics and the water consolidation of the sample.

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 et accompagnée de dessins annexés parmi lesquels:
la figure 1 présente une coupe schématique de l'ensemble de l'appareillage avec son ventilateur, son échangeur d'humidité relative et ses canalisations
la figure 2 présente une coupe de la cellule oedométrique instrumentée pour permettre la mesure des contraintes radiales.The invention will be better understood and other advantages and features will appear on reading the description which follows, given by way of nonlimiting example and accompanied by appended drawings among which:
Figure 1 shows a schematic section of the entire apparatus with its fan, its relative humidity exchanger and its pipes
Figure 2 shows a section through the instrumented oedometer cell to allow the measurement of radial stresses.

Le corps de l'oedomètre peut être réalisé à partir d'une ébauche en bronze coulé (2) dans laquelle deux lumières à section carrée sont réalisées
(cf figure 1). A l'intérieur du corps de l'oedomètre coulisse un piston en acier inoxydable (2) comportant des ailettes dans sa partie supérieure. Ces ailettes sont réalisées par fraisage en deux fois sur la demi épaisseur du piston. Ainsi la partie inférieure des ailettes forme une pointe qui permet de conserver dans le plan moyen du piston une hauteur de passage égale à celles des lumières du corps. La profondeur maximale des ailettes est réalisée sur la partie extérieure du piston pour éviter l'étranglement de la section de passage au cours du déplacement du piston. Des languettes en cuir (3) fixées sur la partie inférieure des lumières du corps sont installées dans les fentes des ailettes du piston et limitent les variations de section de passage de l'air. Un disque poreux (4) dont l'étanchéité avec le corps est assurée par un anneau en Téflon est posé sur la partie supérieure du piston.The body of the oedometer can be made from a cast bronze blank (2) in which two square section lights are made
(see figure 1). Inside the body of the oedometer slides a stainless steel piston (2) with fins in its upper part. These fins are produced by milling twice on the half thickness of the piston. Thus the lower part of the fins forms a point which makes it possible to keep in the mean plane of the piston a passage height equal to that of the apertures of the body. The maximum depth of the fins is produced on the external part of the piston to avoid the constriction of the passage section during the displacement of the piston. Leather tabs (3) fixed on the lower part of the body lights are installed in the slots of the piston fins and limit the variations in air passage section. A porous disc (4) whose sealing with the body is ensured by a Teflon ring is placed on the upper part of the piston.

La partie inférieure du piston est terminée par une tige sur laquelle est installée une languette permettant de mesurer le déplacement du piston. La fermeture du corps au niveau de son embase permet, par injection d'un fluide sous pression, d'appliquer une contrainte verticale sur le matériau à tester. Le corps de l'oedomètre reçoit la cellule (5) contenant l'échantillon à tester (1) réalisée en bronze et contenant le système de mesure des contraintes radiales. Le chapeau (6) en acier inoxydable comporte deux lumières et reçoit un diffuseur (7) en acier inoxydable. Le diffuseur de forme cylindrique est formé d'ailettes ayant une profondeur égale à la hauteur des lumières du chapeau. Sur les ailettes du diffuseur est installé un disque poreux (8) dont l'étanchéité est réalisée avec un anneau de Téflon. En configuration d'essai le dispositif comprend l'appareillage précédemment décrit relié à un échangeur d'humidité relative (11) et à un ventilateur (10) qui refoule dans les canalisations (9) un air à humidité relative contrôlée. L'air circule en boucle fermée, par l'intermédiaire des canalisations: il passe alternativement sur les faces supérieure et inférieure de l'échantillon. Dans le cas d'un essai de désorption l'air après passage sur les deux faces de l'échantillon se charge en eau qui provient du matériau. Le piégeage de l'humidité transportée par l'air peut s'opérer soit par une technique de condensation soit par la technique des solutions salines saturées. La mesure des contraintes radiales est réalisée par la cellule (5) en bronze et illustrée sur la figure 2. Elle comprend deux doigts (12) opposés dont les faces en contact avec l'échantillon suivent le diamètre intérieur de la cellule. Deux capteurs de force (13) sont en contact avec les doigts par l'intermédiaire des butées réglable (14). Les doigts sont immobilisés en rotation par des vis à téton (15). L'étanchéité des doigts par rapport à la cellule est obtenue par des joints toriques (16). La force appliquée sur le doigt par le matériau est mesurée par un capteur électrique. The lower part of the piston is terminated by a rod on which a tongue is installed making it possible to measure the displacement of the piston. Closing the body at its base allows, by injection of a pressurized fluid, to apply a vertical stress on the material to be tested. The body of the oedometer receives the cell (5) containing the test sample (1) made of bronze and containing the system for measuring radial stresses. The stainless steel cap (6) has two lights and receives a stainless steel diffuser (7). The cylindrical diffuser is formed of fins having a depth equal to the height of the hatch openings. A porous disc (8) is installed on the fins of the diffuser, the sealing of which is carried out with a Teflon ring. In the test configuration, the device comprises the above-described apparatus connected to a relative humidity exchanger (11) and to a fan (10) which discharges into the pipes (9) air with controlled relative humidity. The air circulates in a closed loop, via the pipes: it passes alternately on the upper and lower faces of the sample. In the case of a desorption test, the air after passage on both sides of the sample is charged with water which comes from the material. The trapping of moisture transported by the air can be carried out either by a condensation technique or by the technique of saturated saline solutions. The radial stresses are measured by the bronze cell (5) and illustrated in FIG. 2. It comprises two opposite fingers (12) whose faces in contact with the sample follow the inside diameter of the cell. Two force sensors (13) are in contact with the fingers via the adjustable stops (14). The fingers are immobilized in rotation by stud screws (15). The sealing of the fingers with respect to the cell is obtained by O-rings (16). The force applied to the finger by the material is measured by an electrical sensor.

Claims (9)

REVENDICATIONS 1. Dispositif oedométrique haute pression à température et hygrométrie contrôlées permettant d'imposer simultanément sur un échantillon de roche des états thermique, hydrique (saturé et non saturé) et mécanique1. High pressure oedometric device at controlled temperature and hygrometry making it possible to simultaneously impose on a rock sample thermal, water (saturated and unsaturated) and mechanical states 2. Dispositif d'imposition des états thermique, hydrique et mécanique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'imposition de la température est réalisée en plaçant l'ensemble des appareillages dans une enceinte régulée en température.2. Device for imposing thermal, water and mechanical states according to claim 1, characterized in that the imposition of the temperature is carried out by placing all of the apparatus in a temperature-controlled enclosure. 3. Dispositif d'imposition des états thermique, hydrique et mécanique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'état hydrique est obtenu en faisant circuler de l'air à humidité relative contrôlée alternativement sur les deux faces de l'échantillon (1). 3. Device for imposing thermal, water and mechanical states according to one of claims 1 or 2, characterized in that the water state is obtained by circulating air at controlled relative humidity alternately on the two faces of the sample (1). 4. Dispositif d'imposition des état thermique, hydrique et mécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'air balaye à l'aller la face supérieure de l'échantillon par l'intermédiaire d'un chapeau (6) contenant deux lumières dans lequel est installé un diffuseur contenant des ailettes (7) et au retour la face inférieure de l'échantillon en traversant successivement les lumières du corps et le piston à ailettes (2).4. Device for imposing thermal, water and mechanical states according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the air sweeps on the outward side of the upper face of the sample by means of a cap (6) containing two lights in which a diffuser containing fins (7) is installed and on the return side the underside of the sample by successively passing through the lights of the body and the piston with fins (2). 5. Dispositif d'imposition des états thermique, hydrique et mécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le passage de l'air de la face supérieure à la face inférieure de l'échantillon se fait par des canalisations (9) en forme de C démontables au milieu du C et assemblées devant les lumières du chapeau (6) et du corps (2).5. Device for imposing thermal, water and mechanical states according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the passage of air from the upper face to the lower face of the sample is done by C-shaped pipes (9) removable in the middle of the C and assembled in front of the hatch (6) and body (2) lights. 6. Dispositif d'imposition des états thermique, hydrique et mécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'air circulant sur les faces de l'échantillon modifie son humidité relative et se dirige vers un échangeur d'humidité relative (11).6. Device for imposing thermal, water and mechanical states according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the air circulating on the faces of the sample modifies its relative humidity and goes to an exchanger d relative humidity (11). 7. Dispositif d'imposition des états thermique, hydrique et mécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la circulation d'air est réalisée par un ventilateur (10) en boucle fermée sur l'échangeur (11) et la cellule oedométrique. 7. Device for imposing thermal, water and mechanical states according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the air circulation is carried out by a fan (10) in a closed loop on the exchanger (11 ) and the oedometric cell. 8. Dispositif d'imposition des états thermique, hydrique et mécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la détermination des contraintes radiales est obtenue par deux doigts (12) installés dans la cellule (5) dont la surface de contact cylindrique épouse la surface extérieure de l'échantillon. Les efforts sur les doigts sont traduits en signal électrique par deux capteurs de force (13)8. Device for imposing thermal, water and mechanical states according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the determination of the radial stresses is obtained by two fingers (12) installed in the cell (5), the cylindrical contact surface matches the outside surface of the sample. The forces on the fingers are translated into an electrical signal by two force sensors (13) 9. Dispositif d'imposition des états thermique, hydrique et mécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'état mécanique correspondant à une contrainte axiale est obtenu par une pression hydraulique sous le piston (2). 9. Device for imposing thermal, water and mechanical states according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the mechanical state corresponding to an axial stress is obtained by hydraulic pressure under the piston (2).
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