2.1. Définition et impact sur l’écosystème
Les sédiments peuvent être classés en trois catégories, sédiments non cohésifs, sédiments cohésifs et sédiments mixtes :
Les sédiments non cohésifs contiennent des particules grossières comme les graviers, les sables, les galets de tailles supérieures à 63 µm où généralement il n’existe pas d’interactions physico-chimiques entre eux [9]. Les grains des matériaux non cohésifs peuvent, eux, se déplacer indépendamment.
Les sédiments cohésifs sont composés d’un mélange d’argiles, de limons, de sables fins, de matière organique et d’eau minéralisée.
Le principal composant est l’argile de taille inférieure à 2 µm (kaolinite, illite ou smectite) et sa présence conditionne le comportement mécanique de la vase [19]. Il est responsable de la nature cohésive des sédiments.
Les particules de taille inférieure à 0,1 μm représentent la fraction colloïdale sachant que les limons ont une taille entre 2 μm et 63 μm. Les sables sont les particules les plus larges qui se trouvent dans les sédiments cohésifs dont la taille varie entre 63 μm et 2 mm. Ils sont généralement composés de « quartz » [34].
La fraction organique provient des rejets domestiques, des activités industrielles et des débris végétaux. En milieu marin, les polysaccharides constituent un des principaux composés organiques possédant des pouvoirs floculants [9].
Les sédiments cohésifs sont différents des sédiments non cohésifs du fait de l’existence de forces attractives entre ces particules fines qui tendent à s’assembler et former un réseau structurel [19]. Les particules ont une tendance à se lier ensemble pour former de larges unités, de faibles densités (agrégats). Ce processus est fortement dépendant du type de sédiment, du type et de la concentration des ions dans l’eau et des conditions d’écoulements [21].
Les sédiments mixtes constituent un mélange de particules fines et de particules plus grosses comme le sable. Dans le milieu naturel, ils peuvent se présenter sous deux formes, un mélange de fines et de sables ou sous forme de couches alternées de sables et de vases d’épaisseurs variables. La forme dépend du degré d’exposition aux différents forçages hydrodynamiques. [9]
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Figure 1. 5 : Sédimentation vaseux au niveau de la baie du Mont Saint Michel
Les principales caractéristiques des sédiments cohésifs qui influencent leur entraînement et leur transport sont nombreuses [81]. Voici les principales :
La granulométrie, L’orientation des grains, La teneur en eau,
La densité apparente, La cohésion,
La perméabilité.
Les impacts des sédiments cohésifs sur l’écosystème peuvent être classés en quatre ensembles qui sont :
Impact des sédiments sur les surfaces et interfaces continentales : érosion des sols et perte de terres cultivables (impacts locaux, sécurité alimentaire),
Impact des sédiments sur les écosystèmes aquatiques : atténuation de la lumière liée à la turbidité, transport et fixation de métaux lourds,
Impact des sédiments à l’interface Continent-Océan : érosion des côtes par effets naturels (rupture du flux sédimentaire par les barrages),
Aléas et risques naturels : coulées de boues. [20]
2.2. Rhéologie de sédiments
Les sédiments se comportent comme des fluides viscoplastiques (rhéofluidifiants) avec une contrainte seuil qui représente la force de cohésion de la structure du sédiment. Ces sédiments possèdent aussi le caractère thixotrope, leur histoire mécanique et le temps ont un effet important. Les propriétés rhéologiques des sédiments cohésifs caractérisent sa résistance à l’écoulement, sa déformation et son changement de structure. Ils sont importants pour estimer sa sensibilité à l’érodabilité. À cause de la relation directe entre la rhéologie et la structure des
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sédiments cohésifs, les mêmes paramètres qui influencent les forces de liaisons entre les particules affectent aussi la rhéologie des sédiments [22]. Ce sont la salinité, la concentration en sédiment, la composition minéralogique ainsi que la quantité et la nature des matières organiques [23].
2.2.1. Mesure de la contrainte seuil des sédiments
La mesure de la contrainte seuil des sédiments a reçu une attention particulière à cause de la corrélation pouvant exister entre cette dernière et l’érosion. Cependant, les deux sont reliés à la résistance du lit de sédiment [24].
En dépit de l’augmentation de la résolution et de la précision de l'équipement moderne rhéométrique, les mesures de la contrainte seuil sont partiellement reproductibles. En effet, la première des raisons est liée à la nature même des sédiments qui sont des matériaux naturels avec des compositions minéralogiques et chimiques variant en fonction du lieu de prélèvement. La deuxième est liée au choix de différents types de protocoles rhéologiques pour la détection de la contrainte seuil : les rampes d'écoulement (soit en contrainte ou en en vitesse de cisaillement imposée), les tests de fluage et les balayages oscillatoires [3].
Au tout début, la contrainte seuil a été mesurée en utilisant le viscosimètre Brookfield qui mesure le moment de torsion nécessaire pour mettre en mouvement un cylindre immergé dans un fluide [25] [8]. Bien que cette méthode soit toujours la même sur les rhéomètres modernes, la précision de la mesure a beaucoup augmenté. Les différents protocoles appliqués peuvent maintenant conduire à des résultats plus fiables.
L’application d’une rampe de contrainte est l’une des méthodes utilisées pour trouver la contrainte seuil du matériau [17]. Généralement dans ce cas, la viscosité apparente augmente tant que la contrainte seuil n’est pas dépassée, puis elle diminue lorsque les interactions interparticulaires commencent à se briser. La contrainte seuil correspond donc au maximum de la viscosité apparente.
Dans l’étude de Pham Van Bang [26] des mesures sont faites sur des vases prélevées dans le port du Havre en utilisant le rhéomètre Bohlin C-VOR 200. Une courbe d’écoulement est appliquée pour trouver la contrainte seuil (un précisaillement de 50 s-1pendant 30s suivi d’un repos de 30s, ensuite une montée suivi d’une descente dont chaque phase a une durée de 200s). Dans ce cas, le seuil de contrainte correspond à la valeur de la contrainte pour laquelle une transition solide-liquide est observée dans la courbe de montée. Cela se traduit par un changement abrupt de pente dans le comportement. Le point d’intersection de ces deux pentes est défini comme la contrainte seuil et correspond à une valeur critique de vitesse de cisaillement de 0,02 s-1 dans son cas.
Pereira et Pinho [7] ont utilisé plusieurs méthodes pour trouver la contrainte seuil. Directement, par tests de fluage en appliquant des valeurs croissantes de palier de contraintes pendant une durée de temps de 6s suivi par un repos (contrainte nulle) durant 6s. Quand la contrainte appliquée est supérieure à la contrainte seuil, une déformation résiduelle reste présente après le repos. Une déformation remarquable est obtenue lorsque le seuil est bien dépassé. Indirectement, en appliquant des extrapolations (modèles rhéologiques) sur les rhéogrammes. Dans ce cas le modèle de Casson et le modèle Herschel-Bulkley sont appliqués.
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D’après ces auteurs, la différence entre les valeurs de contrainte seuil obtenues est normale : le test de fluage mesure la contrainte seuil sans détruire la structure interne du fluide, sachant que la méthode indirecte s’appuie sur un autre état d’équilibre dynamique. Ils ont trouvé que le seuil obtenu par les résultats hydrodynamiques est en rapport avec celui obtenu par la méthode indirecte, soit le modèle d’Herschel-Bulkley.
2.2.2. Modèles rhéologiques appliqués sur des sédiments cohésifs
Dans la plupart des études s’intéressant aux comportements des sédiments cohésifs, une grande majorité des auteurs utilise le modèle rhéologique de Bingham [9]. Cependant d’autres modèles comme le modèle d’Herschel-Bulkley sont aussi appliqués. Dans le tableau suivant nous regroupons le type de sédiment étudié avec le modèle appliqué et l’appareil utilisé.
Type de sédiment
Modèle appliqué Appareil utilisé référence
sur des suspensions sédimentaires, différentes lois selon l’état de tassement, ou suivant la concentration ont été appliquées :
- « Newtonien » pour la suspension peu concentrée
- « Bingham » pour la suspension moyennement concentrée
- « Casson » pour la suspension très concentrée Viscomètre Brookfield [27] Boues (sludge) Bingham [28] Herschel-Bulkley [29], [15] Vase de l’estuaire de la Gironde
Bingham Viscomètre Brookfield [8]
mixte vases/sable de la baie de Marennes-Oléron
Herschel-Bulkley. il est satisfaisant sur la partie de la courbe de descente inférieure à 10 s-1
Rhéomètre de type Physica MCR301 avec une géométrie plan-plan
[9]
Sédiment de la baie de Quiberon
Herschel-Bulkley Rhéomètre Malvern Gémini avec
une géométrie plan-plan
[30]
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2.2.3. Relation entre la contrainte seuil des sédiments cohésifs et sa concentration
Plusieurs auteurs ont formulé des expressions de la contrainte seuil en fonction de la concentration. Il apparaît que la relation suit soit une loi exponentielle, soit une loi de puissance. Le tableau suivant montre quelques-unes de ces expressions.
Auteur Nature de sédiment Formule Migniot [27] Plusieurs types de sédiments cohésifs bTsa
avec (Pa) la rigidité initiale mesurée avec un Brookfield, Ts (g/l) la concentration et a et b sont des entiers qui dépendent du complexe sol-eau (fluide, plastique) Kervella [9] Vase de la baie Marennes-Oléron 5 10-7 C3
avec (Pa) le seuil de contrainte de fluide interstitiel à une teneur en eau donnée et C (g/l) la concentration en solide
Hosseini [31]
Vase de la Loire = 1,39 10-5 C2,36 si 40 kg/m3 < C < 182kg/m3 1,5 10-11 C5 si 182 kg/m3 < C < 420kg/m3
(Pa) la rigidité initiale mesurée avec un Brookfield et C (kg/m3) la concentration Granboulan et al. [8] Vase de la Gironde exp ( )
avec (Pa) la rigidité initiale mesurée avec un Brookfield, C (g/l) la concentration de la masse solide et x et y sont des valeurs obtenues selon la salinité de l’eau (fraîche, saumâtre, eau de mer) Pham Van Bang
[26]
vase du port du Havre
0,05704 exp ( )
avec (Pa) la contrainte seuil obtenue sur la courbe d’écoulement pour un gradient de vitesse critique égal à 0,02 s-1 et la fraction volumique solide
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