Research Article

A versatile device for measuring the mode I fracture toughness with application to estimate the impact of water weakening in chalks

¹ CY Cergy Paris Université, GEC, 95000 Cergy, France
² Now at Stratum Reservoir, Aktau, Kazakhstan
³ GFZ German Research Centre for Geosciences, Potsdam, Germany

^* Corresponding author: christian.david@cyu.fr

Abstract

A newly built versatile device for mode I fracture toughness measurement is presented. To test this apparatus, measurements have been conducted on two crystalline rocks, the Aue Granite and the Äspö Diorite, and two chalks from the Paris basin, Obourg and Ciply chalks. The fracture toughness K_IC can be measured with two different testing procedures, the Semi-Circular Bend (SCB) and the Straight Edge Cracked Round Bar Bend (SECRBB) methods, both known for the easiness of the notched sample preparation. For the SCB tests, ultrasonic sensors were mounted at the sample surface to monitor changes in P-wave velocity and record acoustic emission activity. Our results are in reasonably good agreement with published data on the same rocks. The SECRBB test provides values of the fracture toughness 37% higher compared to the SCB test for the Obourg chalk. This discrepancy may be explained by a sample size effect. The fracture toughness of water saturated chalks is strongly reduced compared to that of the dry chalks by almost 50%. This shows that fracture toughness is a valuable parameter to assess the importance of water weakening in porous rocks.

Résumé

Un nouveau dispositif expérimental versatile pour la mesure de la ténacité en mode I est présenté. Pour tester cet appareil, des mesures ont été réalisées sur deux roches cristallines, le granite d’Aue et la diorite d’Äspö, et sur deux craies du Bassin de Paris, les craies d’Obourg et de Ciply. La ténacité K_IC peut être mesurée de deux manières différentes, avec la méthode SCB (Semi-Circular Bending) ou la méthode SECRBB (Straight Edge Cracked Round Bar Bend), connues toutes deux pour la facilité de préparation des échantillons rainurés. Pour les tests avec la méthode SCB, des capteurs ultrasoniques ont été installés à la surface des échantillons pour étudier la variation de la vitesse des ondes P et pour enregistrer l’activité en émissions acoustiques. Nos résultats sont en assez bon accord avec des données publiées pour ces mêmes roches. La méthode SECRBB donne une valeur de ténacité 37% plus grande que la méthode SCB pour la craie d’Obourg. Cet écart peut être expliqué par un effet de taille d’échantillon. La ténacité des craies saturées en eau est fortement réduite par rapport aux craies sèches de près de 50%. Ceci montre que la ténacité est un bon paramètre pour mettre en évidence l’importance des effets d’affaiblissement en présence d’eau dans les roches poreuses.