Aurélien NICOLAS, post-doctorant au Laboratoire de Géologie de l’ENS Paris, donnera un séminaire à L’École Centrale de Nantes le 19 avril 2017 à 10h30.

Comportement mécanique des carbonates peu poreux : quels comportements, quels paramètres influents et quel(s) modèle(s) appliquer ?

Résumé:

Les matériaux soumis à des contraintes peuvent se déformer différemment selon différents paramètres tels que le régime de contrainte appliqué ou la température. Un exemple connu concerne le verre : A haute température, un souffleur de verre peut sculpter le matériau pour lui donner une forme complexe sans le casser. On parle alors d’un comportement ductile. A température ambiante, le vase cassera si on le laisse tomber. C’est dans ce cas un comportement fragile. Des comportements « similaires » sont observés dans les roches. Au cours de ce séminaire, j’exposerai une étude expérimentale sur les paramètres influant sur le comportement mécanique des calcaires de porosité intermédiaire, puis j’expliquerai la modélisation micromécanique qui peut en découler.

Des expériences de déformation triaxiale à vitesse constante et de fluage sous contrainte déviatorique constante ont été réalisées sur le calcaire de Tavel (porosité de 14.7%). La densité de fissures présentes dans l’échantillon est inversée à partir des vitesses ultrasoniques de propagation des ondes élastiques. Dans le cas des expériences de déformation triaxiale à vitesse constante, un comportement fragile est observé pour les confinements inférieurs ou égaux à 55MPa, puis le comportement devient ductile lorsque la pression de confinement est augmentée. En régime ductile, une compaction inélastique est causée par l’effondrement des pores par plasticité intra-grains associée à une microfissuration. Une dilatance apparaît ensuite à cause de la nucléation de nouvelles fissures. Ces résultats sont ensuite étendus au comportement mécanique sous contrainte différentielle constante. En régime fragile, une dilatance est observée lors des paliers de contrainte déviatorique constante. Cette dilatance est expliquée par la propagation sous-critique des fissures. Lorsque le comportement est semi-fragile (ductile), les premiers paliers de fluages présentent une compaction inélastique due à la micro- plasticité intra-cristalline. La déformation volumétrique devient ensuite dilatante. Cependant, la vitesse de déformation axiale reste contrôlée par les processus de plasticité. Au dernier palier, la vitesse de déformation axiale augmente significativement à cause de l’interaction des fissures menant à la rupture macroscopique.

Un modèle de comportement macroscopique est dérivé à partir d’un modèle microscopique qui comprend (1) la propagation de fissures, (2) une loi de plasticité pour le milieu poreux et (3) une loi de nucléation de nouvelles fissures due aux empilements de dislocations. Le modèle prédit l’évolution de la déformation volumique, de la contrainte et de l’endommagement (densité de fissures) au cours de la déformation. Les prédictions sont en bon accord avec les résultats expérimentaux.

L’ensemble des résultats montrent la complexité des mécanismes de déformation dans les calcaires et les roches en général. Les différences de comportement macroscopique qui doivent être prises en compte dans les applications fondamentales et industrielles. L’extension de ces résultats à d’autres roches carbonatées (marbres, craies) reste à explorer.