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Proceedings of the 18
th
International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, Paris 2013
Un mixeur équipé d’une cuve de 2.5 litres est utilisé pour la
préparation de coulis de ciment. La première étape de
fabrication est le malaxage de l’adjuvant anti-mousse avec l’eau
pendant 5 min. Par la suite, deux autres adjuvants (un dispersant
et un anti-sédimentation) ainsi que le ciment sont ajoutés et le
tout est mélangé à haute vitesse (12000 t/min) pendant 35
secondes.
Le coulis de ciment est versé dans des moules cylindriques
de 45 mm de diamètre et de 110 mm de hauteur. Pour être plus
proche des conditions de puits, ces moules sont préparés avec
un calcaire oolithique de 20% de porosité et de perméabilité
égale à 10
-15
m
2
(Figure 1). Ce choix s’explique d’une part par le
fait que l’aquifère du Dogger est constitué d’un calcaire
oolithique similaire, d’autre part, pour que le coulis de ciment
soit en contact avec une solution saline, il était nécessaire
d’utiliser un matériau poreux (figure 1 et 2).
Figure 1. Moules préparés en calcaire oolitique
Figure 2. Image MEB de la pâte de ciment hydraté à 20°C à 6 jours
avec présence de NaCl dans le fluide environnant.
C’est pour cette raison, que des essais au Microscope
Electronique à Balayage (MEB) ont été réalisés afin de vérifier
la pénétration du sel. En effet, la figure 2 représente une image
MEB de la pâte de ciment hydratée à 20°C avec présence de
NaCl dans le fluide environnant. Elle montre bien la migration
des ions Na
+
et Cl
-
(valeurs indiquées en pourcentage massique
%Wt) du calcaire oolithique dans la pâte de ciment.
L’objectif est de simuler les conditions environnementales
de l’hydratation du ciment (température, pression, présence du
NaCl dans le fluide) dans un puits géothermique et de comparer
séparément l’influence de ces facteurs sur les propriétés
physico-mécaniques du matériau. Les moules sont ainsi soumis
à différents couples de température et de pression pendant 7
jours. Les différents couples pression/température sont
présentés dans le tableau 2. Les températures et les pressions
choisies représentent le plus fidèlement possible les conditions
environnementales pour l’hydratation en sub-surface, à environ
1000m et 2000m de profondeur (60°C et 90°C). Les cases
grisées matérialisées par « x » représentent les couples réalisés
et la notation « + sel » précise qu’il s’agit d’éprouvettes
hydratées avec la présence de NaCl dans le fluide environnant.
A noter qu’au minimum 4 éprouvettes ont été coulées pour
chaque couple P/T. Tous les essais ont été réalisés sur des
échantillons appartenant à une même préparation.
Tableau 2 : Descriptif du programme expérimental
P
atm
10MPa
20MPa
20°C
x (+ sel)
x
60°C
x
x
x
90°C
x
x
Après 7 jours, les éprouvettes sont carottées au diamètre 40
mm, puis sont sciées et rectifiées pour obtenir une longueur de
80 mm. L’ensemble de ces opérations est réalisé à température
ambiante et les éprouvettes sont par la suite conservées dans des
bains à 20°C et à P
atm
ou avec une teneur en NaCl pour les
essais avec présence de sel.
2.3 Essais réalisés
Des essais de vitesse du son et la détermination du module de
Young ont été réalisés pour connaitre les effets des conditions
environnementales sur les propriétés mécaniques du ciment.
2.3.1 Vitesse du son
(
NF EN 14579 (2005)).
La vitesse de propagation du son dans les matériaux est une
fonction directe de leurs propriétés élastiques et de leur
compacité. Plus la porosité du matériau est faible, plus la
propagation des ondes est rapide. Les mesures sont faites par
transparence et longitudinalement car il est considéré que les
éprouvettes étudiées ne présentent pas d’anisotropie
.
Afin
d’assurer une bonne transmission du signal, du miel est utilisé
comme produit couplant. Cet essai présente une bonne
répétabilité inférieure à 3%.
2.3.2 Détermination du module de Young
(
NF P 94-425
(2002)).
L’essai s’effectue sur une éprouvette à section transversale
circulaire d’un diamètre de 40 mm. Il consiste à appliquer, à
l’aide d’une presse de 10 tonnes, un effort axial de compression
avec un cycle de chargement/déchargement. Les déformations
longitudinales ainsi que transversales de l’éprouvette sont
mesurées durant l’essai qui est mené jusqu’à la rupture de
l’éprouvette. Au départ, l’essai est contrôlé avec une vitesse de
chargement
de
0.25
kN/min.
Un
cycle
de
chargement/déchargement est réalisé (selon la norme la
contrainte de début de décharge est comprise entre un tiers et
deux tiers de la résistance à la compression estimée et la
contrainte minimale lors du déchargement est environ égale à
un tiers de cette contrainte). L’objectif est d’évaluer le module
de Young sécant du matériau. Après ce cycle, l’essai est
poursuivi en contrôlant le déplacement avec une vitesse de
0.0005mm/min jusqu’à la rupture. Pendant l'essai, le
déplacement axial est mesuré à l’aide de 3 capteurs LVDT
placés sur l’éprouvette grâce à un collier de mesure. Le module
de Young est calculé par
1 1
avec
1
la contrainte
axiale de l’éprouvette et
la déformation axiale de
l’éprouvette.
E
1
3 CELLULE DE MATURATION IFSTTAR
3.1 Présentation générale
Un nouveau dispositif expérimental a été conçu à
l’IFSTTAR avec pour objectif la reproduction des conditions de
l’hydratation du ciment en terme de pressions, températures et
des fluides chargés chimiquement dans un puits géothermique
(Figures 3 et 4). Le système est composé d’une enceinte de 4
litres en inox formé d’un couvercle étanche d’une capacité
maximale de 220 bars relié à un surpresseur, d’un manomètre
sortie de 0-300 bars, d’une vanne d’isolement et d’une vanne
ure de la
andran et
i modifie
iques du
éité et la
s facteurs
e ciment
point à
eproduire
0.44 et la densité est égale à environ 1.9 (tous deux
représentatifs des valeurs utilisés dans un puits). La composition
du ciment de classe G utilisé est présentée dans le tableau 1.
Tableau 1 : Composition de ciment de classe G utilisé
Composants
C
3
S C
2
S C
3
A C
4
AF
Pourcentage %
61.2
17.7
1.7
16.3
2.2 Fabrication et conservation des éprouvettes
