Cryogenic properties of soils and rocks 2. The influence of water types on the uniaxial mechanical behaviour of clays

Abstract

The characteristic changes in mechanical behaviour occurring in clays as the temperature is reduced to 77 K have been compared with the molecular mobility and freezing behaviour of the contained water: conventional techniques are used, together with the novel application to clays of dynamic mechanical-thermo analysis (DMA). There is now substantial evidence linking the low-temperature dilation of clays primarily with the loosely bound freezable water component as defined by differential scanning calorimetry; however, dilation is a complex process, and before an acceptable engineering model can be derived which will predict the performance of soils under conditions appropriate to cryogenic storage of liquefied gases, it will be necessary to develop a sound understanding of this phenomenon. A transition in the stress-strain behaviour of clays from ductile to brittle behaviour occurs at approximately 173 K; this transition has been shown to coincide with the loss in mobility of water observed by nuclear magnetic resonance techniques. It is clear that non-freezable water in clays contains sufficient mobility above 173 K to act as a lubricant between the laminae and allow some ductility. It is only below 173 K that clays become fracture-sensitive. Les changements caractéristiques dans le comportement mécanique des argiles au fur et à mesure que la température s'abaisse jusqu'à 77 K sont comparés avec la mobilité moléculaire et le comportement à la congélation de l'eau contenue. Des techniques classiques ont été employées en combinaison avec l'analyse thermomécanique dynamique, qui est nouvelle pour l'étude des argiles. Il existe maintenant beaucoup d'indications qui montrent la corrélation entre la dilation des argiles à basse température au constituant d'eau congelable défini par analyse différentielle calorimétrique. La dilation est cependant un événement complexe, et il faudra acquérir une bonne compréhension de ce phénomène avant d'obtenir un modèle de construction acceptable capable de prédire le comportement des sols dans des conditions adaptées au stockage cryogénique des gaz liquéfiés. Une transition entre la ductilité et la fragilité a lieu dans le comportement tension-déformation des argiles à environ 173 K ; il a été démontré que cette transition coïncide avec la perte de mobilité de l'eau observée par des techniques de résonance magnétique nucléaire. Il est clair que l'eau non-congelable dans les argiles a assez de mobilité audessus de 173 K pour agir comme lubrifiant entre les lamelles et pour permettre quelque ductilité. Les argiles ne deviennent sensibles à la rupture qu'audessous de 173 K.