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Wikigeotech:Coefficient de capillarité

De Wikibardig
Figure 1 : essai de capillarité en cours de réalisation. La frange d'ascension capillaire peut être visualisée grâce au changement de couleur lié à la saturation (crédits photo Univ.Eiffel - T.Coppee

On appelle couramment «capillarité», un phénomène spontanée d'humidification d'un matériau par la remontée d'eau libre dans le matériau, et ceci indépendamment de la gravité (figure 1). Ce phénomène spontanée ne peut se manifester que dans des matériaux dont la porosité est très fine (de la taille d'un capillaire) et au contact d'une surface d'eau libre.

Le coefficient de capillarité est une valeur qui permet de comparer les propriétés de remontée capillaire des roches entre elles. En effet, l'augmentation de la teneur en eau des roches peut affecter leur résistance mécanique et la connaissance de ce coefficient est indispensable dans le choix des roches notamment dans le bâtiment.

Sommaire

Les essais de références

Le coefficient de capillarité peut être facilement déterminé par l'essai normalisé NF EN 1925[1] qui s'applique aux matériaux rocheux, mais également dans certains cas, aux sols.
Ce coefficient correspond à l'augmentation de la masse d'eau remontée par capillarité, par unité de surface et de temps pour un échantillon donné. Il s’exprime en g.m.s-1. La courbe obtenue permet de comparer l'aptitude des matériaux à développer ce phénomène de capillarité. Plus le coefficient sera grand plus le matériau s'imbibe rapidement par remontée d'eau capillaire.

description de l'éprouvette

Les échantillons normalisés peuvent être des cubes ou des cylindres d’élancement égal à 1. Des formats d'éprouvettes de 7 ou 5cm sont à privilégier, toutefois des élancements ou des diamètres différents peuvent être utilisés. Il est très important d’avoir une surface de base plane et une géométrie mesurable pour déterminer la surface de remontée capillaire la plus précise possible.
Les échantillons doivent être préalablement séchés avant d’être immergé dans une frange d’eau de quelques millimètres. Un espace sous l’échantillon (à l’aide d’une pierre poreuse par exemple) doit être laissé pour une libre circulation du fluide et son imbibition.

description de l'essai

Le suivi de la masse des échantillons est fait par pesée sur une balance, d'abord à pas de temps régulier, puis à des intervalles de temps de plus en plus espacés. L'éprouvette est simplement prélevée à la main, en laissant égoutter quelques instants l'eau libre à la surface du matériau, puis posée sur la balance pour effectuer la pesée.
L'éprouvette est ensuite remise dans le bac pour poursuivre l'essai, et ainsi de suite. L'essai est arrêté lorsque la masse cesse d’évoluer (Figure 2).
La durée de l’essai peut être de quelques heures à plusieurs jours pour atteindre la valeur de saturation maximale.

Figure 2 : courbes d'ascension capillaire de différentes roches sédimentaires (Coppee, 2018)[2]

Expression du résultat

La prise de masse est rapportée à la surface de l'échantillon et au pas de temps (en racine carré seconde) de l'essai. Le pas de temps entre chaque pesée doit être adapté en fonction de la gamme de valeurs attendues. Il peut, si nécessaire, être allongé entre chaque essai : un échantillon peu capillaire devra, par exemple, avoir des pas de temps plus importants, la norme n'imposant pas de valeurs prédéfinies.

Le coefficient de capillarité obtenu est exprimé en g.m.s-1. La notation abrégée du coefficient de capillarité est C1 pour un matériau isotrope ou dans le sens perpendiculaire aux litages par exemple. Dans le cas d'une roche anisotrope, par exemple une roche sédimentaire avec un litage, un coefficient noté C2 peut être déterminé dans l'orientation parallèle à cette stratification.

Applications

Le coefficient d’absorption capillaire permet d’apprécier de manière indirecte la porosité, la connectivité et le dimensionnement du réseau poreux. Il s’agit de suivre la prise de masse d’un échantillon au contact d'une frange d’eau libre par la pression capillaire (qualifiée de succion par les géotechniciens). La prise de masse est conditionnée par le volume des vides disponibles (la porosité) et cette force qualifiée de pression capillaire (dépendante entre autre des diamètres de pore).

La pression capillaire correspond à la différence de pression à l’interface entre l’eau (un liquide mouillant) et l'air (non mouillant). La tension superficielle liée à la roche (dans notre cas) intervient dans l'équilibre des pressions entre l'eau et l'air contenues dans la porosité.

Le différentiel de pression entre l'air et l'eau est à l'origine d'un différentiel d’énergie générant spontanément une attraction de l’eau au sein de la porosité. C’est le principe du capillaire plongé dans l'eau de l'expérience de Laplace. Le réseau de pore étant généralement fin, l’attraction se fera sur l’ensemble du réseau jusqu’à sa quasi complète saturation, qui correspond globalement au volume de vide de l’échantillon, autrement appelée porosité. Lorsque les pores ne sont pas tous connectés, il peut subsister un écart entre la saturation théorique et la saturation mesurée à l'aide de l'essai.

Roche Craie blanche de Cappy Craie de vernon Grès rose grains fins Grès rose gros grains Calcaire de Caen banc 1/2 ferme Calcaire de Caen banc ferme Calcaire d'Euville Calcaire de Jaumont Calcaire de barutel Calcaire de Savonnières Calcaire de Saint-Maximin banc franche fine Tuffeau de touraine
Coefficient de capillarité (g.m.s-1) 72,1 15,1 74,9 77,7 87,0 103 46,0 39,9 121 250 250

Références

  1. Afnor. 1999. Méthodes d'essai pour pierres naturelles - Détermination du coefficient d'absorption d'eau par capillarité. Juillet 1999.
  2. T. Coppee. 2018. Etude physico-mécanique de l'imbibition de l'eau dans les pierres de contructions. Perte de résistance en fonction de la saturation. Mémoire de master GEORIS, univ.Reims, 78 pages.
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