Experimental study of the electrical and dielectric properties of consolidated clayey materials
Etude experimentale des proprietes electriques et dielectriques des materiaux argileux consolides
Résumé
This study is devoted to the electrical and dielectric properties of consolidated clays. A better understanding of the conduction and polarization phenomena in clays is necessary to better interpret in situ measurements in terms of water saturation and texture. An experimental study was carried out on synthetic clay samples (kaolinite and smectite) compacted with various water contents, porosities and mineralogical compositions, on a large frequency range, using three laboratory setups. The electrical properties of natural argillites (from Andra) were then investigated. We found that the response of the synthetic samples is mainly controlled by water content on the whole frequency range; two polarization phenomena were observed, which were related to the Maxwell-Wagner polarization and the electrical double layer polarization around the clay particles. The electrical response of argillites is more complex; it is controlled by water content but also by the microstructure of the rock. In these rocks, the electrical and dielectric anisotropies are high; anisotropy was also measured for the synthetic clays. The existing models explain the high frequency limit of the dielectric permittivity of the clayey materials, but the low frequency part of the spectra (<1MHz) needs theoretical developments.
L'objectif de cette thèse est de contribuer à une meilleure compréhension des phénomènes de conduction électrique et de polarisation diélectrique dans les matériaux argileux, et devrait aider par la suite à exploiter la mesure de ces paramètres sur le terrain pour suivre la fracturation, la saturation ou l'infiltration de polluants (sites de stockage de déchets en particulier). Nous avons réalisé des mesures en laboratoire sur des échantillons synthétiques d'argile compactée (kaolinite et smectique), à différentes teneurs en eau, porosités et compositions minéralogiques, sur une très large gamme de fréquences (avec trois dispositifs différents). Puis des argilites naturelles (Andra) ont été étudiées. La réponse des argiles compactées est principalement contrôlée par leur teneur en eau sur toute la gamme de fréquences ; nous avons également observé deux polarisations distinctes, attribuées à un phénomène de Maxwell-Wagner et à une polarisation de la double couche électrique autour des particules d'argile. La réponse des argilites naturelles est plus complexe ; elle est contrôlée par la teneur en eau ainsi que la microstructure de la roche. Dans ces roches, les anisotropies électriques et diélectriques sont fortes ; elles ont également été mises en évidence pour les échantillons synthétiques Les modèles théoriques existants prédisent bien la réponse à haute fréquence des matériaux étudiés, mais la réponse à basse fréquence (<1 MHz) doit être mieux comprise.