Sujet de thèse IFSTTAR

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Fiche détaillée :

Titre : Durabilité des sols traités à l'aide d'enzymes et de cendres biosourcées comme liant alternatif pour une résilience accrue face au changement climatique

Laboratoire principal - Référent principal GERS - GIE  -  RAZAKAMANANTSOA Andry      tél. : +33 240845804

Directeur du laboratoire principal DENEELE Dimitri  -

Spécialité de la thèse Génie Civil - science des matériaux

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

Site principal Nantes

Etablissement d'inscription UNIVERSITE GUSTAVE EIFFEL

Ecole doctorale Sciences de l'Ingénierie et des Systèmes (SIS)

Directeur de thèse prévu RAZAKAMANANTSOA Andry  -  Université Gustave Eiffel  -  GERS - GIE

Type de financement prévu Contrat doctoral  - Université Gustave Eiffel

Résumé

L'augmentation de la fréquence des événements climatiques extrêmes souligne l'urgence de disposer d'infrastructures géotechniques et de logements durables et résilients. La rapide urbanisation et la croissance démographique aggravent ces défis, tandis que le changement climatique introduit des stress complexes et interconnectés — thermiques, hydromécaniques et chimiques — qui mettent en péril la stabilité des géomatériaux. Les approches actuelles négligent souvent les interactions cruciales entre les matériaux de construction et la variabilité climatique, en particulier pour les matériaux sensibles à l'eau utilisés dans les structures de protection telles que les digues et les barrages. Cette négligence compromet la durabilité et la résilience à long terme de ces infrastructures. Cette recherche vise à évaluer la durabilité des sols argileux expansifs stabilisés avec des enzymes naturelles et des cendres biosourcées comme liants alternatifs pour le traitement des sols. Elle aborde des défis majeurs, notamment l'impact environnemental des liants conventionnels, le manque de données complètes sur les matériaux biosourcés et le comportement hydromécanique des sols gonflants traités sous des stress climatiques cycliques. En adoptant une approche multidisciplinaire, l'étude analysera l'évolution microstructurale des sols stabilisés, étudiera leurs interactions physico-chimiques et évaluera leurs performances dans des conditions environnementales extrêmes, telles que des cycles de mouillage-séchage et des inondations. Un modèle prédictif de la conductivité hydraulique basé sur les conditions de mise en œuvre et la microstructure a été développé pour les sols naturels compactés et pour les sols traités avec des liants hydrauliques en milieu saturé et partiellement saturé (Ranaivomanana et al. 2016, 2021). La méthodologie pour quantifier la dissolution par lixiviation dans les matrices de sol compactées a mis en évidence l'importance de considérer le temps de séjour du fluide dans le sol lors de l’évaluation des interactions sol-fluide (Razakamanantsoa et al., 2016). De plus, l'influence du stress hydrique sur le comportement hydromécanique et les mécanismes de transport par dissolution des sols traités a été étudiée (Das et al., 2022, 2023).

Le présent travail se concentrera sur l’analyse des différents mécanismes en introduisant une approche d’analyse multiphysique, notamment la ratiométrie par fluorescence induite par laser (LIF). Le LIF sera utilisé pour suivre l'évolution des mécanismes de transport au niveau des milieux poreux via la dissolution lors des phases d'hydratation ou de lixiviation (Das et al. 2023). Cette phase est cruciale pour informer et améliorer le modèle de transfert hydromécanique existant (Ranaivomanana et al. 2016, 2022).

2. Impact des paramètres environnementaux : Les effets des paramètres environnementaux clés, tels que la température, les interactions fluides et les réactions chimiques, sur les mécanismes de stabilisation des sols seront étudiés. Cette analyse permettra d'identifier les mécanismes régissant la réversibilité du traitement et la préservation des performances hydromécaniques dans des conditions environnementales fluctuantes. Cette partie de l'étude sera réalisée à l'aide du dispositif breveté par le laboratoire.

La durabilité sera évaluée à différents niveaux comme suit :
1. Analyse microstructurale : L'étude examinera les changements microstructuraux, y compris les modifications de la structure des pores et du tissu, dans les sols stabilisés soumis à des facteurs de stress climatiques. La distribution des pores est évaluée à l'aide des techniques de porosimétrie par intrusion de mercure (MIP) et de Barrett, Joyner et Halenda (BJH), suivant une méthodologie d'analyse combinée développée en laboratoire.
2. Impact des paramètres environnementaux : Les effets des paramètres environnementaux clés, tels que la température, les interactions fluides et les réactions chimiques, sur les mécanismes de stabilisation des sols seront étudiés. Cette analyse permettra d'identifier les mécanismes régissant la réversibilité du traitement et la préservation des performances hydromécaniques dans des conditions environnementales fluctuantes. Cette partie de l'étude sera réalisée à l'aide du dispositif breveté par le laboratoire.
3. Modélisation prédictive : Un modèle prédictif des mécanismes de conductivité hydraulique et de dissolution dans les matrices poreuses lors d'événements climatiques extrêmes sera développé pour évaluer la stabilité à long terme des sols stabilisés. Cette approche améliorera la qualité des données d'entrée obtenues à partir des tests de perméabilité et des propriétés physico-chimiques du lixiviat, combinées aux coefficients de transfert dérivés des analyses des tests LIF. Les mesures de conductivité hydraulique et les tests de mouillage-séchage seront intégrés à l'analyse physico-chimique du fluide percolé à l'aide par la technique analytique à plasma à couplage inductif (ICP), tandis que la courbe de rétention d'eau et le niveau de succion seront mesurés respectivement à l'aide de la sorption dynamique de vapeur (DVS) et de la méthode du point de rosée (WP4C). Les modèles existants issus d'études de recherche antérieures serviront de point de départ à ce travail (Ranaivomanana et al. 2016, 2021). Les résultats de ces recherches contribueront à faire progresser les connaissances sur la durabilité des sols stabilisés face aux changements climatiques.

Profil du candidat :
Nous recherchons un candidat hautement motivé, titulaire d’un Master en génie civil, géotechnique ou sciences des matériaux. Le candidat idéal doit posséder une expérience substantielle dans la réalisation d’expérimentations impliquant la modélisation des milieux poreux, l’utilisation de techniques de simulation numérique, ainsi que la conduite d’essais en laboratoire (par exemple, analyses de perméabilité et de microstructure). Une bonne compréhension des enjeux environnementaux est également requise. Une expertise solide en modélisation physique utilisant la fluorescence induite par laser (LIF) pour étudier les phénomènes de transport et de transfert serait considérée comme un atout.

Encadrement
Affiliée à l'École Doctorale SIIS de Nantes Université, la thèse est encadrée par Andry Razakamanantsoa (PhD, HDR), au sein du département GERS-GIE supervisé par l'Université Gustave Eiffel, et pourrait inclure une co-encadrement avec Geetanjali Das (PhD) de l'Université de Huddersfield et de Harifidy Ranaivomanana du GeM. Elle pourrait également impliquer une collaboration avec une entreprise internationale.

Contact :
A. Razakamanantsoa*, CRHC, Université Gustave Eiffel, andry.razakamanantsoa@univ-eiffel.fr
Geetanjali Das** (PhD), Lecturer, University of Huddersfield; g.das@hud.ac.uk
H. Ranaivomanana ***, Researcher, GeM laboratory, Nantes University; harifidy.ranaivomanana@univ-nantes.fr

* GERS-GIE, Université Gustave Eiffel, Campus de Nantes.
**Department of Engineering and Technology, School of Computing and Engineering. Haslett Building (HA1/08). University of Huddersfield, Huddersfield HD1 3DH, UK. https://pure.hud.ac.uk/en/persons/geetanjali-das
*** Laboratoire GeM, Nantes University

Références :
Geetanjali Das, Valentin Roux, Andry Razakamanantsoa, Dimitri Deneele. Effect of carbonation on the properties of silty and sandy soils treated with lime and cement. (2024) Journal of Materials in Civil Engineering. Vol 37, N° 3. Journal of Materials in Civil Engineering. https://doi.org/10.1061/JMCEE7.MTENG-18355
G Das, A Razakamanantsoa, G Herrier, D Deneele (2023) Physicochemical and Microstructural Evaluation in Lime-Treated Silty Soil Exposed to Successive Wetting-Drying Cycles Submitted to Different Testing Conditions. Journal of Materials in Civil Engineering 35 (3), 04022458 https://ascelibrary.org/doi/abs/10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0004636
Ranaivomanana, H., Das, G., & Razakamanantsoa, A. (2022) Modelling of hysteretic behaviour of soil-water retention curves using an original pore network model. Transport in Porous Media. https://doi.org/10.1007/s11242-022-01759-7
Das, G., Razakamanantsoa, A., Herrier, G., & Deneele, D. (2022) Influence of wetting fluids on the compressive strength, physicochemical, and pore-structure evolution in lime-treated silty soil subjected to wetting and drying cycles. Transportation Geotechnics,35, https://doi.org/10.1016/j.trgeo.2022.100798
Ranaivomanana H., Razakamanantsoa A., Amiri O., (2016) Permeability prediction of soils including degree of compaction and microstructure. International Journal of Geomechanics. 17(4). https://doi.org/10.1061/(ASCE)GM.1943-5622.0000792
Razakamanantsoa A., Djeran-Maigre, I. (2016) Long term chemo-hydro-mechanical behavior of compacted soil bentonite polymer complex submitted to synthetic leachate. Waste Management. Pp. 92-104. http://dx.doi.org/10.1016/j.wasman.2016.04.023

Mots-clefs: stabilisation des sols, changement climatique, enzyme et cendres, liant alternatif, résilience

Laboratoire principal - Référent principal	GERS - GIE - RAZAKAMANANTSOA Andry tél. : +33 240845804
Directeur du laboratoire principal	DENEELE Dimitri -
Spécialité de la thèse	Génie Civil - science des matériaux
Axe	2 - COP2017 - Améliorer l'efficience et la résilience des infrastructures
Site principal	Nantes
Etablissement d'inscription	UNIVERSITE GUSTAVE EIFFEL
Ecole doctorale	Sciences de l'Ingénierie et des Systèmes (SIS)
Directeur de thèse prévu	RAZAKAMANANTSOA Andry - Université Gustave Eiffel - GERS - GIE
Type de financement prévu	Contrat doctoral - Université Gustave Eiffel
Résumé L'augmentation de la fréquence des événements climatiques extrêmes souligne l'urgence de disposer d'infrastructures géotechniques et de logements durables et résilients. La rapide urbanisation et la croissance démographique aggravent ces défis, tandis que le changement climatique introduit des stress complexes et interconnectés — thermiques, hydromécaniques et chimiques — qui mettent en péril la stabilité des géomatériaux. Les approches actuelles négligent souvent les interactions cruciales entre les matériaux de construction et la variabilité climatique, en particulier pour les matériaux sensibles à l'eau utilisés dans les structures de protection telles que les digues et les barrages. Cette négligence compromet la durabilité et la résilience à long terme de ces infrastructures. Cette recherche vise à évaluer la durabilité des sols argileux expansifs stabilisés avec des enzymes naturelles et des cendres biosourcées comme liants alternatifs pour le traitement des sols. Elle aborde des défis majeurs, notamment l'impact environnemental des liants conventionnels, le manque de données complètes sur les matériaux biosourcés et le comportement hydromécanique des sols gonflants traités sous des stress climatiques cycliques. En adoptant une approche multidisciplinaire, l'étude analysera l'évolution microstructurale des sols stabilisés, étudiera leurs interactions physico-chimiques et évaluera leurs performances dans des conditions environnementales extrêmes, telles que des cycles de mouillage-séchage et des inondations. Un modèle prédictif de la conductivité hydraulique basé sur les conditions de mise en œuvre et la microstructure a été développé pour les sols naturels compactés et pour les sols traités avec des liants hydrauliques en milieu saturé et partiellement saturé (Ranaivomanana et al. 2016, 2021). La méthodologie pour quantifier la dissolution par lixiviation dans les matrices de sol compactées a mis en évidence l'importance de considérer le temps de séjour du fluide dans le sol lors de l’évaluation des interactions sol-fluide (Razakamanantsoa et al., 2016). De plus, l'influence du stress hydrique sur le comportement hydromécanique et les mécanismes de transport par dissolution des sols traités a été étudiée (Das et al., 2022, 2023). Le présent travail se concentrera sur l’analyse des différents mécanismes en introduisant une approche d’analyse multiphysique, notamment la ratiométrie par fluorescence induite par laser (LIF). Le LIF sera utilisé pour suivre l'évolution des mécanismes de transport au niveau des milieux poreux via la dissolution lors des phases d'hydratation ou de lixiviation (Das et al. 2023). Cette phase est cruciale pour informer et améliorer le modèle de transfert hydromécanique existant (Ranaivomanana et al. 2016, 2022). 2. Impact des paramètres environnementaux : Les effets des paramètres environnementaux clés, tels que la température, les interactions fluides et les réactions chimiques, sur les mécanismes de stabilisation des sols seront étudiés. Cette analyse permettra d'identifier les mécanismes régissant la réversibilité du traitement et la préservation des performances hydromécaniques dans des conditions environnementales fluctuantes. Cette partie de l'étude sera réalisée à l'aide du dispositif breveté par le laboratoire. La durabilité sera évaluée à différents niveaux comme suit : 1. Analyse microstructurale : L'étude examinera les changements microstructuraux, y compris les modifications de la structure des pores et du tissu, dans les sols stabilisés soumis à des facteurs de stress climatiques. La distribution des pores est évaluée à l'aide des techniques de porosimétrie par intrusion de mercure (MIP) et de Barrett, Joyner et Halenda (BJH), suivant une méthodologie d'analyse combinée développée en laboratoire. 2. Impact des paramètres environnementaux : Les effets des paramètres environnementaux clés, tels que la température, les interactions fluides et les réactions chimiques, sur les mécanismes de stabilisation des sols seront étudiés. Cette analyse permettra d'identifier les mécanismes régissant la réversibilité du traitement et la préservation des performances hydromécaniques dans des conditions environnementales fluctuantes. Cette partie de l'étude sera réalisée à l'aide du dispositif breveté par le laboratoire. 3. Modélisation prédictive : Un modèle prédictif des mécanismes de conductivité hydraulique et de dissolution dans les matrices poreuses lors d'événements climatiques extrêmes sera développé pour évaluer la stabilité à long terme des sols stabilisés. Cette approche améliorera la qualité des données d'entrée obtenues à partir des tests de perméabilité et des propriétés physico-chimiques du lixiviat, combinées aux coefficients de transfert dérivés des analyses des tests LIF. Les mesures de conductivité hydraulique et les tests de mouillage-séchage seront intégrés à l'analyse physico-chimique du fluide percolé à l'aide par la technique analytique à plasma à couplage inductif (ICP), tandis que la courbe de rétention d'eau et le niveau de succion seront mesurés respectivement à l'aide de la sorption dynamique de vapeur (DVS) et de la méthode du point de rosée (WP4C). Les modèles existants issus d'études de recherche antérieures serviront de point de départ à ce travail (Ranaivomanana et al. 2016, 2021). Les résultats de ces recherches contribueront à faire progresser les connaissances sur la durabilité des sols stabilisés face aux changements climatiques. Profil du candidat : Nous recherchons un candidat hautement motivé, titulaire d’un Master en génie civil, géotechnique ou sciences des matériaux. Le candidat idéal doit posséder une expérience substantielle dans la réalisation d’expérimentations impliquant la modélisation des milieux poreux, l’utilisation de techniques de simulation numérique, ainsi que la conduite d’essais en laboratoire (par exemple, analyses de perméabilité et de microstructure). Une bonne compréhension des enjeux environnementaux est également requise. Une expertise solide en modélisation physique utilisant la fluorescence induite par laser (LIF) pour étudier les phénomènes de transport et de transfert serait considérée comme un atout. Encadrement Affiliée à l'École Doctorale SIIS de Nantes Université, la thèse est encadrée par Andry Razakamanantsoa (PhD, HDR), au sein du département GERS-GIE supervisé par l'Université Gustave Eiffel, et pourrait inclure une co-encadrement avec Geetanjali Das (PhD) de l'Université de Huddersfield et de Harifidy Ranaivomanana du GeM. Elle pourrait également impliquer une collaboration avec une entreprise internationale. Contact : A. Razakamanantsoa, CRHC, Université Gustave Eiffel, andry.razakamanantsoa@univ-eiffel.fr Geetanjali Das* (PhD), Lecturer, University of Huddersfield; g.das@hud.ac.uk H. Ranaivomanana **, Researcher, GeM laboratory, Nantes University; harifidy.ranaivomanana@univ-nantes.fr GERS-GIE, Université Gustave Eiffel, Campus de Nantes. Department of Engineering and Technology, School of Computing and Engineering. Haslett Building (HA1/08). University of Huddersfield, Huddersfield HD1 3DH, UK. https://pure.hud.ac.uk/en/persons/geetanjali-das * Laboratoire GeM, Nantes University Références : Geetanjali Das, Valentin Roux, Andry Razakamanantsoa, Dimitri Deneele. Effect of carbonation on the properties of silty and sandy soils treated with lime and cement. (2024) Journal of Materials in Civil Engineering. Vol 37, N° 3. Journal of Materials in Civil Engineering. https://doi.org/10.1061/JMCEE7.MTENG-18355 G Das, A Razakamanantsoa, G Herrier, D Deneele (2023) Physicochemical and Microstructural Evaluation in Lime-Treated Silty Soil Exposed to Successive Wetting-Drying Cycles Submitted to Different Testing Conditions. Journal of Materials in Civil Engineering 35 (3), 04022458 https://ascelibrary.org/doi/abs/10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0004636 Ranaivomanana, H., Das, G., & Razakamanantsoa, A. (2022) Modelling of hysteretic behaviour of soil-water retention curves using an original pore network model. Transport in Porous Media. https://doi.org/10.1007/s11242-022-01759-7 Das, G., Razakamanantsoa, A., Herrier, G., & Deneele, D. (2022) Influence of wetting fluids on the compressive strength, physicochemical, and pore-structure evolution in lime-treated silty soil subjected to wetting and drying cycles. Transportation Geotechnics,35, https://doi.org/10.1016/j.trgeo.2022.100798 Ranaivomanana H., Razakamanantsoa A., Amiri O., (2016) Permeability prediction of soils including degree of compaction and microstructure. International Journal of Geomechanics. 17(4). https://doi.org/10.1061/(ASCE)GM.1943-5622.0000792 Razakamanantsoa A., Djeran-Maigre, I. (2016) Long term chemo-hydro-mechanical behavior of compacted soil bentonite polymer complex submitted to synthetic leachate. Waste Management. Pp. 92-104. http://dx.doi.org/10.1016/j.wasman.2016.04.023
Mots-clefs:	stabilisation des sols, changement climatique, enzyme et cendres, liant alternatif, résilience

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N'oubliez pas de contacter préalablement le référent ou le Directeur du laboratoire