interactions solides-solution dans les milieux confinés
Résumé
In the finely porous media, the confinement makes the geochemical dynamics to change,
for reasons unclear yet. The role of the pore size in the precipitation-mobilization
phenomena was identified in pedology (non-saturated porous soils) and in poral mechanics
of stone from cultural heritage (non-saturated finely porous stones). The collected
observations report that some minerals tends to precipitate in the finest pores
(subflorescence), while others rather precipitate in the largest pores (efflorescence). The
originality of this study has consisted in having an experimental approach of the
geochemical interactions, taking into account the pores size. Two experimental methods
were used. Firstly, we precipitated salts in micronic capillary tubes. That enabled us to
demonstrate the different behaviour of precipitates for a same saline solution, through
their crystalline shape, dimension and position in the capillary. It especially enabled us to
evidence the two crystallization types for most of the studied saline solutions:
efflorescence (precipitation at the solution-air interface) and subflorescence (precipitation
inside the solution). Contrary to conclusions of the literature, differences in the observed
behaviours were independent of the capillary size. The explanation is that the capillary
utilized had pore sizes much bigger than those of the literature and for which the
thermodynamic parameters (water activity, solubility and saturation indices) start to
evolve. We then tried to extract pore solutions from a natural material by class of pores
size. An argillite from the Mont Terri was centrifuged with increasing angular speed,
allowing us to extract increasingly confined solutions. Even though they did not permit us to
extract pore waters, the first trials enabled us to propose an improved protocol.
To conclude, this work enabled us to verify the different behaviour of salts as a function of
their pore water composition and experimental conditions. It also demonstrated the
necessity to pursue studies on: 1) thinner capillaries to precise the influence of the pore
size on the behaviour of precipitates and 2) pore water sequential extractions by
centrifugation through an improved protocol and by using a high pressure membrane
extractor to verify the occurrence of a chemical stratification as a function of the pore size.
Dans les milieux finement poreux, le confinement des solutions est à l’origine de
dynamiques géochimiques traitées généralement de façon assez vague. Le rôle de la taille
des pores dans les phénomènes de précipitation-mobilisation a été mis en évidence tant en
pédologie que dans les études de vieillissement des bétons ou de poro-mécanique des
matériaux de monuments historiques. Les observations collectées rapportent que certains
minéraux ont tendance à précipiter dans les pores les plus fins (subflorescence), tandis que
d’autres précipitent plutôt dans les pores les plus gros (phénomène d’efflorescence).
L’originalité de cette étude a consisté à mettre en œuvre une approche expérimentale des
interactions géochimiques, tenant compte de la taille des pores. Deux méthodes
expérimentales ont ainsi été mises en œuvre. Dans un premier temps, la précipitation des
sels dans des tubes capillaires microniques a été évaluée. Nos expériences ont montré une
différence de comportement des précipités pour une même solution saline, au travers de
l’évolution des formes cristallines, de leur dimension et de leur position dans les capillaires.
Elles ont permis, en particulier, de mettre en évidence les deux types de cristallisation :
efflorescence (précipitation à l’interface solution-air) et subflorescence (précipitation à
l’intérieur de la solution) pour la plupart des solutions salines étudiées. Contrairement à ce
qui est cité dans la littérature, les différences de comportement observées étaient
indépendantes de la taille des capillaires. Cela s’expliquerait par des tailles des capillaires
utilisés très supérieures à celles discutées dans la littérature et pour lesquelles les
paramètres thermodynamiques (activité de l’eau, solubilité et degré de saturation)
commencent à évoluer. Dans une deuxième phase, l’extraction de solutions porales d’un
matériau naturel par classe de taille de pores a été tentée. A cet effet, une argilite indurée
(Mont Terri) a été centrifugée par paliers croissants de vitesse de rotation. Les premiers
essais, s’ils n’ont pas permis d’extraire d’eau porale, ont néanmoins permis de dégager des
voies d’amélioration du protocole utilisé.
En conclusion, ce travail a permis de vérifier le comportement différencié des sels en
fonction de la composition chimique de l’eau porale et des conditions expérimentales mais
a également montré la nécessité de poursuivre :1) les études en capillaires plus fins pour
préciser l’influence de la taille des pores sur le comportement des précipités et 2) les
extractions séquentielles des eaux porales par centrifugation au travers du protocole
amélioré et d’un nouveau dispositif d’extraction par presse à membranes pour vérifier
l’occurrence d’une stratification chimique des eaux en fonction de la taille des pores.