Approche microstructurale et modélisation des transferts d'eau et du gonflement dans les argiles non saturées

Microstructural approach and modelisation of water transfers and swelling in unsaturated clays

• Auteur / Autrice : Nadia Saiyouri
• Direction : Pierre-Yves Hicher
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des sols, structures et matériaux
• Date : Soutenance en 1996
• Etablissement(s) : Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris

Mots clés

Mots clés contrôlés

Milieux continus, Mécanique des

Sols gonflants

Argile

Mots clés libres

Microstructure

Barrière étanchéité

Diffraction RX

Résumé

Le travail que nous avons mené s'inscrit dans le cadre d'un projet de recherche et de prospection dans le domaine des stockages de déchets nucléaires de haute activité. Plus particulièrement, nous nous sommes intéressés à un concept de construction de barrières ouvragées en argile gonflante, dont l'objectif est de permettre de retrouver âpres entreposage des déchets une étanchéité suffisante du site aux écoulements d'eau. Des travaux antérieurs menés au CEA avaient permis de sélectionner une argile: foca7 pour ses qualités de gonflement et de mener un programme expérimental sur lequel nous nous sommes en partie appuyés. Les transferts d'eau dans les argiles constituent, par ailleurs, un sujet ou les approches pour le traiter sont nombreuses. Celle que nous développons dans cette thèse consiste à s'appuyer sur des analyses de l'évolution de la microstructure lors de la phase d'hydratation. L'application des lois de la mécanique des milieux continus au volume représentatif de l'argile nous a permis d'obtenir l'équation de richards que nous avons résolue à l'aide de la méthode des différences finies. Nous avons fait un schéma implicite que nous avons applique tout d'abord à l'étude des transferts d'eau en matrice rigide dans l'argile foca7. Ce calcul nécessite de connaitre, en plus des conditions aux limites et initiale, la fonction de diffusion dans l'argile. Nous supposons, dans ce cas, que l'écoulement est provoqué par le potentiel de succion uniquement. Les résultats obtenus sont compares à des profils de teneur en eau en fonction du temps et de la cote dans l'échantillon d'argile mesurées à l'aide d'un banc gamma double source du CEA. Sur un échantillon en gonflement à volume confine. L'accord observe est satisfaisant. La deuxième étape de ce travail à porte sur l'étude expérimentale du gonflement lors de l'hydratation d'échantillons compactes. Les expériences ont été faites sur deux argiles: foca7 qui est calcique et mx80 qui est sodique, afin de pouvoir établir des comparaisons concernant l'influence du cation échangeable de l'argile. Cette étude a permis de suivre le gonflement par hydratation des échantillons smectitiques par analyse par la méthode de diffraction des rayons x par transmission. Elle a permis d'apporter des éléments d'information sur le phénomène du gonflement des argiles compactées, a l'échelle macroscopique et microscopique, i. E. : en liaison avec le rôle de l'eau interfoliaire ou située dans des espaces poreux plus importants. Il ressort de cette étude que la transition de l'état presque sec à un état hydrate se fait d'abord par une insertion de molécules d'eau couche par couche dans les espaces poreux de petite dimension (espaces interfoliaires). Ceci provoque une division des particules initiales. Puis, on assiste à un éloignement progressif de ces particules de taille inferieures. Ensuite, l'évaluation théorique de la pression de gonflement à l'aide du modèle de la double couche diffuse à donne des résultats qui respectent l'ordre de grandeur obtenu expérimentalement. Ce potentiel de gonflement a servi dans l'évaluation des nouveaux coefficients de diffusion que l'on a utilisé pour modéliser le transfert d'eau dans une matrice déformable d'argile foca7. De la même manière ces résultats sont comparés aux valeurs expérimentales obtenues au banc gamma sur un échantillon de foca7 en gonflement libre. La aussi l'accord entre mesures et calcul s'est avère tout à fait satisfaisant