multi-scale analysis of a porous carbonate rock under triaxial loading
Analyse multi-échelle du comportement des carbonates poreux sous chargement triaxial
Résumé
One of the solutions being considered for reducing emissions of greenhouse gases is their capture and geological sequestration. Carbonate rocks are considered excellent candidates due to their high porosity and permeability. For these applications, it is necessary to assess their long-term mechanical evolution. Recent field and experimental studies on porous carbonate rocks identified heterogeneous strain accommodation for in situ conditions. They also highlighted the need to address strain localization and damage processes at different scales, to understand how microstructure controls deformation at the geosystem scale.In the present work, strain localization is studied experimentally on a high porosity carbonate rock, the Saint-Maximin limestone. This rock naturally presents dense and porous zones at centimeter scale. An earlier study on 40mm diameter samples showed that the nucleation and propagation of compaction bands is controlled by the heterogeneity of porosity at this mesoscale. A triaxial device compatible with in situ X-ray tomography imaging allows us to observe the localization phenomenon continuously along the loading process and on a smaller scale. The formation and evolution of deformation bands in SML is investigated by performing in situ triaxial experiments with high-resolution synchrotron X-Ray Computed Tomography on 8 mm samples cored in either dense or porous zones. The processing of images by Digital Volume Correlation techniques provides insight on the deformation modes for various loading conditions. Interpretation of calibrated 3D images as porosity maps allows to link microstructural information with the results of DVC calculations performed at the same local scale. A total of six dense and six porous samples were tested at six different confining pressures. 3D strain fields and porosity maps are constructed and superimposed, giving access to the porosity evolution of each element. Global and local measurements are studied concomitantly to understand the scaling effects.Both types of samples show brittleness at low confining pressure and ductility at high confining pressure. However, dense samples, which are stiffer and more heterogeneous, have an enlarged elastic domain and a wider range of confining pressures corresponding to the transition between brittle and ductile behavior, resulting from a competition between dilatant and contractant processes. At a local scale, initial porosity is found to control the onset of yielding at all confining pressures, indicating that the global behavior is mostly controlled by the porous inclusions. Post-yield behavior is dependent on the stress path: dilatancy is associated with shrinkage of the yield surface, while contractancy with an increasing elastic domain. Dilatancy is found to be enhanced in specimens with strong bonds, and cement heterogeneity at the sample scale is found to favor the formation of discrete deformation bands. Conversely, low heterogeneity and/or a high level of confinement induces a deformation distributed over the entire sample, with a level of local contractancy primarily controlled by local porosity. In any case, volumetric mechanisms are effective up to a well-defined ultimate state is reached, and the behavior of samples with both types of microstructures shows similarities to that of a structured soil.
Une des solutions envisagées pour réduire les émissions de gaz à effet de serre est leur séquestration géologique. Les roches carbonatées sont considérées comme d'excellents candidats en raison de leur porosité et de leur perméabilité élevée. Pour ces applications, il est nécessaire de pouvoir comprendre leur évolution mécanique à long terme. Des études récentes expérimentales et in situ sur des roches carbonatées poreuses ont identifié une accommodation hétérogène de la déformation sous contrainte. Ces études ont également souligné la nécessité d'aborder la localisation des déformations, ainsi que les processus d'endommagement, à différentes échelles, pour comprendre comment la microstructure contrôle la déformation à l'échelle du géosystème. La localisation est étudiée expérimentalement sur un calcaire poreux, le calcaire de Saint-Maximin. Cette roche présente naturellement des zones denses et poreuses alternant à l'échelle centimétrique. Une étude antérieure sur des échantillons de 40 mm de diamètre a montré que la nucléation et la propagation des bandes de compaction sont contrôlées par l'hétérogénéité de la porosité à cette méso échelle. Un dispositif triaxial compatible avec la microtomographie nous permet de tester in situ le matériau, et ainsi d'observer les phénomènes de localisation en continu et à plus petite échelle. La formation et l'évolution des bandes de déformation dans le SML sont étudiées en réalisant des essais triaxiaux in situ avec imagerie synchrotron à haute résolution sur des échantillons de 8 mm de diamètre qui ont été carottés soit dans une zone dense soit dans une zone poreuse. Le traitement des images par corrélation d’images 3D permet de voir les modes de déformation pour diverses conditions de chargement. L’interprétation des images 3D calibrées comme cartes de porosité permet de relier les informations microstructurales avec les résultats des calculs de corrélation menés à la même échelle locale. Au total, six échantillons denses et six échantillons poreux ont été testés à six confinements différents. Des champs de déformation 3D et des cartes de porosité sont construits et superposés, donnant accès à l'évolution de la porosité de chaque élément. Les mesures globales et locales confrontées pour investiguer les effets d'échelle. Les deux types échantillons présentent un comportement fragile à des contraintes de confinement faibles et une ductilité à fort confinement. Cependant, les échantillons denses, plus rigides et plus hétérogènes, présentent un domaine élastique élargi et une large plage de confinements où l’on observe une transition entre un comportement fragile et un comportement ductile, résultant d'une compétition entre des processus dilatants et contractants. A l'échelle locale, la porosité initiale contrôle le moment de la rupture à toutes les pressions de confinement, ce qui signifie que le comportement global est en grande partie contrôlé par ses inclusions poreuses à l’échelle du spécimen. Le comportement post-rupture dépend du chemin de contrainte : la dilatance est associée à la diminution de la taille du domaine élastique, tandis que la compaction est associée à une extension du domaine élastique. La dilatance est renforcée dans les échantillons fortement cimentés, comme les échantillons denses, et l'hétérogénéité de la cimentation à l'échelle de l'échantillon augmente la probabilité de formation de bandes de déformation discrètes. À l’inverse, une faible hétérogénéité et/ou un niveau élevé de confinement induit une déformation répartie sur tout l’échantillon, avec un niveau de contractante locale prioritairement contrôlé par la porosité locale. Dans tous les cas, les processus volumétriques sont observés jusqu'à ce qu'un état ultime bien défini soit atteint, selon le cas uniformément dans tout l’échantillon ou concentré dans les bandes discrètes. Le comportement des échantillons des deux types de microstructures présente une similitude avec celui des sols structurés.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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