Endommagement et fissuration du verre en compression triaxiale

Damage and cracking in glass under pressure

¹ Laboratoire de Géologie, École normale supérieure, CNRS UMR 8538, 24 rue Lhomond, 75005 Paris, France
e-mail : ougier@geologie.ens.fr
² CEA Centre de Marcoule DTCD/SECM, Bagnols-Sur-Cèze Cedex, France

Reçu : 8 Octobre 2010
Accepté : 20 Décembre 2010

Résumé

L’objet de ce travail de recherche expérimental est de documenter l’évolution de l’endommagement du verre synthétique SON68 sous contraintes compressives triaxiales (hydrostatiques et déviatoriques). Le dispositif expérimental utilisé nous a permis de contrôler et faire varier indépendamment la pression de confinement (de 0 à 50 MPa) et la contrainte axiale (jusqu’à 680 MPa) à température ambiante. Un réseau de capteurs fixés sur chaque échantillon nous a permis de mesurer au cours des expériences : (i) la déformation axiale et radiale; (ii) les vitesses de propagation des ondes élastiques P et S; et (iii) les émissions acoustiques. De plus, nous avons introduit dans certains échantillons une population de fissures (jusqu’à une densité de 0,24) par choc thermique. Nous comparons les résultats d’endommagement sur le verre sain et les verres traités thermiquement à différentes températures. Les données obtenues en contrainte-déformation illustrent les propriétés linéaires élastiques du verre sain, même à la contrainte élevée de 680 MPa (pour une pression de confinement de 15 MPa). On observe une forte diminution à la résistance pour les verres traités thermiquement (370 MPa au maximum à la contrainte axiale pour 15 MPa de pression de confinement). L’évolution des vitesses des ondes élastiques montrent que la plupart des fissures sont fermées pour une pression d’environ 30 MPa. Dans tous les verres, sain ou pré-fissuré, l’endommagement était accompagné par la propagation dynamique des fissures, produisant ainsi des émissions acoustiques de grande énergie. Grâce à un enregistrement continu, nous avons pu localiser ces émissions acoustiques afin d’imager le schéma de microfissuration et son évolution avant la rupture macroscopique.

Abstract

This experimental work documents the mechanical evolution of synthetic glass (SON68) under compressive triaxial stresses (hydrostatic and deviatoric conditions). The experimental setup enabled to monitor and vary independently confining pressure (range: [0.50] MPa) and axial stress (up to 680 MPa) at room temperature. An optimized set of sensors allowed us to perform measurements during the experiments of: (i) axial and radial deformation; (ii) P −  and S −  elastic wave velocities; and (iii) acoustic emissions. In addition, in some samples, initial crack densities up to a value of 0.24 were introduced by thermal cracking. We compare the original synthetic glass data set to results obtained in the same experimental conditions on thermally cracked glasses. Stress-strain data depict original linear elastic glass properties even up to an axial stress of 680 MPa (under 15 MPa confining pressure). A strong strength decrease (370 MPa at 15 MPa confining pressure) is observed for thermally cracked samples. Elastic wave velocity data highlight that cracks are mostly closed at a confining pressure of ~30 MPa. In all samples, damage was accompanied by dynamic crack propagation, producing large magnitude acoustic emissions. Thanks to a continuous recorder, we could locate a number of acoustic emissions in order to image the microcracking pattern evolution prior to failure.