Sujet de thèse IFSTTAR

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Fiche détaillée :

Titre : Etude expérimentale et numérique de la durabilité des géomatériaux dans les structures géotechniques par approche couplée thermo-hydro-mécanique et géochimique (THM + GeoC)

Laboratoire principal - Référent principal   -

Directeur du laboratoire principal   -

Spécialité de la thèse chimie (géochimie couplée à la géotechnique)

Axe 2 - COP2017 - Améliorer l'efficience et la résilience des infrastructures

Site principal Marne-la-Vallée

Etablissement d'inscription UNIVERSITE PARIS-EST

Ecole doctorale SCIENCES, INGENIERIE ET ENVIRONNEMENT (SIE)

Directeur de thèse prévu GUEDON Jeanne-Sylvine  -    -

Co-directeur de thèse prévu POUYA Amade  -  Université Gustave Eiffel  -  Navier

Type de financement prévu Contrat doctoral  - Ifsttar

Résumé

Objectifs
L’objectif de la thèse est de poser les bases pour modéliser les processus à l’origine de la dégradation physico-chimique des matériaux et leur impact sur la stabilité mécanique et les propriétés hydrauliques des ouvrages. Cette thèse a pour ambition de coupler la géochimie et la géotechnique. L’objectif est de développer une approche à la fois numérique et expérimentale permettant de coupler la dégradation des matériaux dans leur environnement (approche géochimique) et les conséquences de ces dégradations du point de vue géotechnique (perte des performances). Force est de constater que peu d’études couplent ces deux aspects qui sont généralement traités séparément par deux communautés de chercheurs. En effet, beaucoup de recherches ont été menées sur le transport des polluants dans les matériaux poreux en relation avec les problèmes environnementaux. Mais le sujet du transport de fluide réactif, dans un contexte de durabilité des ouvrages (par exemple remblais, digues, sols de fondations…) n’a pas été beaucoup développé, hormis dans le contexte particulier du stockage géologique des déchets radioactifs. Dans ce cas, les fluides entrent en interaction physico-chimique avec la matrice poreuse et entrainent une modification des propriétés mécaniques et hydrauliques ce qui impacte la durée de vie ou l’intégrité de l’ouvrage et peut générer une situation à risque (rupture, effondrement…).
Cas d’étude
Cette étude se focalisera sur deux cas d’études : d’une part, le développement de fontis dans les roches calcaires pouvant conduire à l’effondrement des toits de cavités et d’autre part, la dégradation des sols traités à la chaux (voire au ciment) qui sont utilisés comme matériaux constitutifs de digue de protection en milieu fluvial ou maritime. Dans les deux cas, les conditions auxquelles sont soumis les matériaux, notamment le contact avec l’eau et l’air, entraînent leur dégradation lente et progressive via des processus de dissolution et/ou précipitation couplés au transport des espèces chimiques dans le matériau, ce qui conduit à la création d’un gradient chimique et finalement à une perte de matière lorsque l’espèce quitte le matériau.
Approche expérimentale
Les approches utilisées à l’heure actuelle pour étudier l’altération et/ou la durabilité des géomatériaux se basent sur des essais de laboratoire réalisés sur des éprouvettes pluri-centimétriques tels que les essais de dégradation accélérée (par exemple des cycles d’immersion dans l’eau en température puis un séchage à l’étuve). L’essai est suivi d’une mesure, généralement une mesure de la tenue mécanique. L’approche consiste à observer macroscopiquement l’effet global c’est-à-dire la diminution des performances du matériau lorsque celui-ci est soumis à un environnement agressif. Nous proposons d’aller plus loin dans cette démarche en introduisant les réactions physico-chimiques mises en jeu dans le matériau (dissolution/précipitation, adsorption, oxydo-réduction…) puis le transport des substances dissoutes dans le matériau (effet cinétique et formation de gradient). A cela s’ajoute la possibilité d’un transport de matière (mouvement des particules fines) via les fluides qui percolent ou la dégradation via l’activité bactérienne ou fongique par exemple.
Une approche basée sur l’acquisition de données d’essais de percolation couplée à une modélisation géochimie - transport est proposée. Les essais de percolation consistent à faire passer un fluide de composition connue à l’entrée dans une éprouvette macroscopique de géomatériau (h=10 cm et =5 cm). La réponse globale du système sera analysée à partir de la mesure des volumes percolés (rapportés au volume poral de l’éprouvette), du temps de percolation et de la composition chimique des eaux percolées (mesures par ICP/OES et/ou avec des capteurs de mesure en continu en sortie d’éprouvette). Les courbes de percée des éléments chimiques d’intérêt pourront ainsi être déterminées.
Pour évaluer la dégradation interne des éprouvettes et les gradients qui se mettent en place entre l’amont et l’aval, on se propose d’étudier séparément différents tranches découpées dans l’éprouvette après un temps t (variable) d’endommagement : mesure de l’évolution de la microstructure (par MEB couplé à l’EDX pour réaliser une cartographie suivi d’un traitement d’image, porosimétrie par intrusion de mercure voire tomographie de rayons X, approche pétrographique par microscopie optique) et caractérisation minéralogique quantitative (par DRX, ATD-ATG). Cette approche expérimentale à l’échelle micro sera mise en regard de la dégradation des propriétés mécaniques et hydrauliques des éprouvettes ayant subi l’étape de percolation : essai non destructif de type pund it (vitesse du son) et essai de perméabilité à l’eau avec une cellule triaxiale ou un banc de perméabilité roche, essai de compression simple, mesure du module d’Young dynamique… Dans la mesure du possible ces propriétés devront être mesurées sur chaque tranche d’éprouvette (si la configuration de l’essai le permet). Une approche par micro-indentation serait à explorer pour obtenir localement les propriétés mécaniques du matériau.
Approche numérique
L’aspect novateur dans notre approche est le couplage entre l’étude expérimentale et la modélisation numérique à la fois des processus chimiques et mécaniques qui se fera à l’aide des codes suivants :
• le code PhreeqC-3 (Parkhust et Appelo) utilisé très largement au niveau international est un code de calcul géochimique pouvant prendre en compte un système réactif complexe mais avec un module de transport hydrique 1D dont les performances sont limitées. Ce modèle calcule les concentrations à l’équilibre des espèces chimiques présentes dans un système eau-phases solides-gaz, par exemple de la calcite en présence d’une solution de NaCl à pH 3 va se dissoudre pour donner du calcium et des ions carbonatés. La cinétique des processus reste cependant un sujet en cours de développement dans ce code de calcul. Dans un autre cas de figure, si on met une certaine quantité de substances réactives au contact d’une matrice, le logiciel permet de quantifier les polluants qui restent en solution après adsorption par le solide. Noter que les calculs géochimiques dépendent fortement des réactions chimiques et de leurs constantes qui sont entrées dans les bases de données associées au code. On rajoutera, le cas échéant, les réactions chimiques et leurs constantes qui manqueraient par rapport au géomatériau, en réalisant des expériences en batch (étude des interactions en réacteur à l’état statique) à l’aide de systèmes modèles, ,. Sinon, ces paramètres seront considérés comme variables, et dans ce cas nous estimerons leur valeur et leur impact sur le résultat final des modèles géochimiques puis celui des calculs complets de transport réactif.
• le code de calcul Disroc (Fracsima, 2016). Généralement l’évolution de la microstructure est peu ou pas prise en compte dans les modélisations lorsque par exemple le matériau se dissout au cours de la percolation. Le code Disroc a la possibilité de modéliser les couplages entre les phénomènes Thermo-Hydro-Mécaniques (dont le transport hydrique) et avec des processus chimiques limités à ‘une’ réaction prépondérante. Notre objectif sera donc d’utiliser cette possibilité pour non seulement prédire le transport réactif (couplage de la géochimie et du transport d’eau) mais également modéliser l’effet de l’altération chimique sur la tenue mécanique ou l’intégrité hydraulique du géomatériau. Cette étape capitale pour comprendre l’évolution d’un ouvrage ou d’un site est offerte par le code Disroc sous réserve de certains ajustements en fonction de nos besoins (le code est suffisamment ouvert pour permettre à l’utilisateur d’introduire ses propres lois de réaction chimique ou de couplages chimie-transport ou chimie-mécanique).
Finalement, l’objectif sera de trouver de quelle manière on peut faire interagir ces deux codes de calculs qui couplent à la fois la réactivité du matériau, le transport des espèces dissoutes dans la matrice (effet de gradient) puis hors de la matrice et enfin les effets sur les propriétés d’usage (mécaniques et hydrauliques). Les résultats obtenus numériquement seront confrontés dans un premier temps aux essais expérimentaux de percolation et de caractérisation des éprouvettes post percolation afin d’identifier les paramètres des lois par une analyse inverse. La modélisation numérique sera appliquée ensuite aux deux cas d’études simples définis précédemment c’est-à-dire le phénomène de création des fontis et la durabilité des digues).
Plus précisément :
• Pour tester les outils de modélisation et la démarche expérimentale, l’étude des effets de la percolation de l’eau dans un matériau calcaire homogène (milieu poreux supposé ‘simple’ et représentatif d’un milieu karstique où peuvent se développer des cavités) servira de point de départ.
• Notre approche sera appliquée à un second système expérimental c’est-à-dire un sol traité à la chaux que l’on peut retrouver dans des digues fluviales ou maritimes. Il s’agit d’un système plus complexe où il sera nécessaire de poser des hypothèses simplificatrices (identification des réactions prépondérantes). Enfin, l’effet des modifications des propriétés mécaniques et hydrauliques résultants de ces réactions sur la stabilité d’une structure de type digue sera analysé par la modélisation numérique.

References
Description of Input and Examples for PHREEQC Version 3--A Computer Program for Speciation, Batch-Reaction, One-Dimensional Transport, and Inverse Geochemical Calculations, David L. Parkhurst and C.A.J. Appelo, USGS web site
Fracsima (2016) Disroc, a Finite Element Code for modelling Thermo-Hydro-Mechanical processes in fractures porous media (http://www.fracsima.com/DISROC/Disroc.html)

Mots-clefs: géomateriau, transport réactif, geochemistrie, mileux poreux, environnement, dissolution

Laboratoire principal - Référent principal	-
Directeur du laboratoire principal	-
Spécialité de la thèse	chimie (géochimie couplée à la géotechnique)
Axe	2 - COP2017 - Améliorer l'efficience et la résilience des infrastructures
Site principal	Marne-la-Vallée
Etablissement d'inscription	UNIVERSITE PARIS-EST
Ecole doctorale	SCIENCES, INGENIERIE ET ENVIRONNEMENT (SIE)
Directeur de thèse prévu	GUEDON Jeanne-Sylvine - -
Co-directeur de thèse prévu	POUYA Amade - Université Gustave Eiffel - Navier
Type de financement prévu	Contrat doctoral - Ifsttar
Résumé Objectifs L’objectif de la thèse est de poser les bases pour modéliser les processus à l’origine de la dégradation physico-chimique des matériaux et leur impact sur la stabilité mécanique et les propriétés hydrauliques des ouvrages. Cette thèse a pour ambition de coupler la géochimie et la géotechnique. L’objectif est de développer une approche à la fois numérique et expérimentale permettant de coupler la dégradation des matériaux dans leur environnement (approche géochimique) et les conséquences de ces dégradations du point de vue géotechnique (perte des performances). Force est de constater que peu d’études couplent ces deux aspects qui sont généralement traités séparément par deux communautés de chercheurs. En effet, beaucoup de recherches ont été menées sur le transport des polluants dans les matériaux poreux en relation avec les problèmes environnementaux. Mais le sujet du transport de fluide réactif, dans un contexte de durabilité des ouvrages (par exemple remblais, digues, sols de fondations…) n’a pas été beaucoup développé, hormis dans le contexte particulier du stockage géologique des déchets radioactifs. Dans ce cas, les fluides entrent en interaction physico-chimique avec la matrice poreuse et entrainent une modification des propriétés mécaniques et hydrauliques ce qui impacte la durée de vie ou l’intégrité de l’ouvrage et peut générer une situation à risque (rupture, effondrement…). Cas d’étude Cette étude se focalisera sur deux cas d’études : d’une part, le développement de fontis dans les roches calcaires pouvant conduire à l’effondrement des toits de cavités et d’autre part, la dégradation des sols traités à la chaux (voire au ciment) qui sont utilisés comme matériaux constitutifs de digue de protection en milieu fluvial ou maritime. Dans les deux cas, les conditions auxquelles sont soumis les matériaux, notamment le contact avec l’eau et l’air, entraînent leur dégradation lente et progressive via des processus de dissolution et/ou précipitation couplés au transport des espèces chimiques dans le matériau, ce qui conduit à la création d’un gradient chimique et finalement à une perte de matière lorsque l’espèce quitte le matériau. Approche expérimentale Les approches utilisées à l’heure actuelle pour étudier l’altération et/ou la durabilité des géomatériaux se basent sur des essais de laboratoire réalisés sur des éprouvettes pluri-centimétriques tels que les essais de dégradation accélérée (par exemple des cycles d’immersion dans l’eau en température puis un séchage à l’étuve). L’essai est suivi d’une mesure, généralement une mesure de la tenue mécanique. L’approche consiste à observer macroscopiquement l’effet global c’est-à-dire la diminution des performances du matériau lorsque celui-ci est soumis à un environnement agressif. Nous proposons d’aller plus loin dans cette démarche en introduisant les réactions physico-chimiques mises en jeu dans le matériau (dissolution/précipitation, adsorption, oxydo-réduction…) puis le transport des substances dissoutes dans le matériau (effet cinétique et formation de gradient). A cela s’ajoute la possibilité d’un transport de matière (mouvement des particules fines) via les fluides qui percolent ou la dégradation via l’activité bactérienne ou fongique par exemple. Une approche basée sur l’acquisition de données d’essais de percolation couplée à une modélisation géochimie - transport est proposée. Les essais de percolation consistent à faire passer un fluide de composition connue à l’entrée dans une éprouvette macroscopique de géomatériau (h=10 cm et =5 cm). La réponse globale du système sera analysée à partir de la mesure des volumes percolés (rapportés au volume poral de l’éprouvette), du temps de percolation et de la composition chimique des eaux percolées (mesures par ICP/OES et/ou avec des capteurs de mesure en continu en sortie d’éprouvette). Les courbes de percée des éléments chimiques d’intérêt pourront ainsi être déterminées. Pour évaluer la dégradation interne des éprouvettes et les gradients qui se mettent en place entre l’amont et l’aval, on se propose d’étudier séparément différents tranches découpées dans l’éprouvette après un temps t (variable) d’endommagement : mesure de l’évolution de la microstructure (par MEB couplé à l’EDX pour réaliser une cartographie suivi d’un traitement d’image, porosimétrie par intrusion de mercure voire tomographie de rayons X, approche pétrographique par microscopie optique) et caractérisation minéralogique quantitative (par DRX, ATD-ATG). Cette approche expérimentale à l’échelle micro sera mise en regard de la dégradation des propriétés mécaniques et hydrauliques des éprouvettes ayant subi l’étape de percolation : essai non destructif de type pund it (vitesse du son) et essai de perméabilité à l’eau avec une cellule triaxiale ou un banc de perméabilité roche, essai de compression simple, mesure du module d’Young dynamique… Dans la mesure du possible ces propriétés devront être mesurées sur chaque tranche d’éprouvette (si la configuration de l’essai le permet). Une approche par micro-indentation serait à explorer pour obtenir localement les propriétés mécaniques du matériau. Approche numérique L’aspect novateur dans notre approche est le couplage entre l’étude expérimentale et la modélisation numérique à la fois des processus chimiques et mécaniques qui se fera à l’aide des codes suivants : • le code PhreeqC-3 (Parkhust et Appelo) utilisé très largement au niveau international est un code de calcul géochimique pouvant prendre en compte un système réactif complexe mais avec un module de transport hydrique 1D dont les performances sont limitées. Ce modèle calcule les concentrations à l’équilibre des espèces chimiques présentes dans un système eau-phases solides-gaz, par exemple de la calcite en présence d’une solution de NaCl à pH 3 va se dissoudre pour donner du calcium et des ions carbonatés. La cinétique des processus reste cependant un sujet en cours de développement dans ce code de calcul. Dans un autre cas de figure, si on met une certaine quantité de substances réactives au contact d’une matrice, le logiciel permet de quantifier les polluants qui restent en solution après adsorption par le solide. Noter que les calculs géochimiques dépendent fortement des réactions chimiques et de leurs constantes qui sont entrées dans les bases de données associées au code. On rajoutera, le cas échéant, les réactions chimiques et leurs constantes qui manqueraient par rapport au géomatériau, en réalisant des expériences en batch (étude des interactions en réacteur à l’état statique) à l’aide de systèmes modèles, ,. Sinon, ces paramètres seront considérés comme variables, et dans ce cas nous estimerons leur valeur et leur impact sur le résultat final des modèles géochimiques puis celui des calculs complets de transport réactif. • le code de calcul Disroc (Fracsima, 2016). Généralement l’évolution de la microstructure est peu ou pas prise en compte dans les modélisations lorsque par exemple le matériau se dissout au cours de la percolation. Le code Disroc a la possibilité de modéliser les couplages entre les phénomènes Thermo-Hydro-Mécaniques (dont le transport hydrique) et avec des processus chimiques limités à ‘une’ réaction prépondérante. Notre objectif sera donc d’utiliser cette possibilité pour non seulement prédire le transport réactif (couplage de la géochimie et du transport d’eau) mais également modéliser l’effet de l’altération chimique sur la tenue mécanique ou l’intégrité hydraulique du géomatériau. Cette étape capitale pour comprendre l’évolution d’un ouvrage ou d’un site est offerte par le code Disroc sous réserve de certains ajustements en fonction de nos besoins (le code est suffisamment ouvert pour permettre à l’utilisateur d’introduire ses propres lois de réaction chimique ou de couplages chimie-transport ou chimie-mécanique). Finalement, l’objectif sera de trouver de quelle manière on peut faire interagir ces deux codes de calculs qui couplent à la fois la réactivité du matériau, le transport des espèces dissoutes dans la matrice (effet de gradient) puis hors de la matrice et enfin les effets sur les propriétés d’usage (mécaniques et hydrauliques). Les résultats obtenus numériquement seront confrontés dans un premier temps aux essais expérimentaux de percolation et de caractérisation des éprouvettes post percolation afin d’identifier les paramètres des lois par une analyse inverse. La modélisation numérique sera appliquée ensuite aux deux cas d’études simples définis précédemment c’est-à-dire le phénomène de création des fontis et la durabilité des digues). Plus précisément : • Pour tester les outils de modélisation et la démarche expérimentale, l’étude des effets de la percolation de l’eau dans un matériau calcaire homogène (milieu poreux supposé ‘simple’ et représentatif d’un milieu karstique où peuvent se développer des cavités) servira de point de départ. • Notre approche sera appliquée à un second système expérimental c’est-à-dire un sol traité à la chaux que l’on peut retrouver dans des digues fluviales ou maritimes. Il s’agit d’un système plus complexe où il sera nécessaire de poser des hypothèses simplificatrices (identification des réactions prépondérantes). Enfin, l’effet des modifications des propriétés mécaniques et hydrauliques résultants de ces réactions sur la stabilité d’une structure de type digue sera analysé par la modélisation numérique. References Description of Input and Examples for PHREEQC Version 3--A Computer Program for Speciation, Batch-Reaction, One-Dimensional Transport, and Inverse Geochemical Calculations, David L. Parkhurst and C.A.J. Appelo, USGS web site Fracsima (2016) Disroc, a Finite Element Code for modelling Thermo-Hydro-Mechanical processes in fractures porous media (http://www.fracsima.com/DISROC/Disroc.html)
Mots-clefs:	géomateriau, transport réactif, geochemistrie, mileux poreux, environnement, dissolution

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