Modélisation du gonflement d'enrobés bitumineux par reprise d'eau

par Geoffroy Melot

Projet de thèse en Génie Civil

Sous la direction de Patrick Dangla.

Thèses en préparation à Paris Est , dans le cadre de École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....) , en partenariat avec NAVIER (laboratoire) depuis le 01-10-2016 .


  • Résumé

    Les colis d'enrobés bitumineux composent une part non négligeable des déchets nucléaires à moyenne activité et vie longue. Dans le cadre du stockage géologique CIGEO, ces déchets seront exposés à terme à l'eau de site. De nombreux mécanismes rentrent alors en jeux dans le comportement mécanique des bitumes et conduisent à son gonflement. La matrice bitumineuse contient des sels sous forme de cristaux (NaNO3, Na2SO4 et BaSO4). Au contact de l'eau les sels solubles vont se dissoudre avec une augmentation significative du volume entrainant un gonflement global. D'autre part un gradient de concentration en soluté va se former entre l'eau de site et la solution interstitielle chargée en sels. La matrice bitumineuse jouant le rôle de membrane semi-perméable, un phénomène osmotique va se mettre en place. A la clé, des flux d'eau vers le matériau bitume et une augmentation de la pression. Libre dans un premier temps, le gonflement deviendra contraint lorsque les jeux dans les alvéoles seront comblés conduisant à une montée en contrainte du matériau. Pour modéliser ces mécanismes, un formalisme de type poromécanique sera proposé. Les constituants à prendre en compte seront la matrice solide, l'eau, le sel en solution ainsi que les cristaux de sels (un seul sel soluble, NaNO3, dans un premier temps). La cinétique de dissolution du cristal sera représentée par les lois classiques de la littérature. Les mécanismes à prendre en compte pour le transport seront les flux diffusifs, les flux Darcéens ainsi que les flux osmotiques. Ils seront dépendants de paramètres corrélés à l'évolution de la porosité. La partie mécanique devra tenir compte des effets viscoélastiques liés à la nature de la matrice bitumineuse. Le fluage sera donc étudié avec attention. Les travaux s'appuieront principalement sur les essais expérimentaux réalisés au CEA, mais également sur les travaux réalisés sur les bitumes belges. D'un point de vu numérique, ce modèle sera in fine capitalisé dans un code généraliste THM aux éléments finis (Code_Aster).

  • Titre traduit

    Modeling of the swelling of bituminized radioactive waste due to water uptake


  • Résumé

    The mechanisms which are taken place into bituminized waste (BW) while water uptake are complex. Franch BW contain soluble salt crystals (NaNO3 and Na2SO4) and an insoluble salt Crystal (BaSO4). Soluble salts will play a major role: they will be dissolved by ground water inducing their leaching. Thereby, a porosity containing this solute and the water will appear. Due to low porosity of the solid matrix and the fact that the volume of the solute is greater than that of the Crystal, osmotic forces will occur and will induce an osmotic pressure. As a result, a water flow produced by osmosis will induce a long-term swelling phenomena. The objective of this PhD thesis is the modelling of this swelling and its interaction with host rock. For that, a chemo-hydro-mechanical approach will be proposed Under a classical poromechanical approach. The components to be considered are: solid matrix, water, solute and salt Crystal. Only sodium nitrate (NaNO3) will be considered as a soluble salt. Dissolution kinectic of the salt will be modelled by classical laws from literature. Processes to take into account for the transport are: (i) advection with a porosity dependant permeability, (ii) Fick's diffusion of solute in liquid and (iii) osmosis. Osmosis is a major phenomenon and will increase significantly the pressure and the (effective and total) stress. The machanical part should consider the visco-plactic behavior of the bitumen matrix. Therefore, the creep phenomena should be studied. This thesis will rely on existing works, for example work on Belgian BW. Fore the pure diffusive phenomena modelling done in CEA should be regarded. At least, the produced model should be capitalized in an industrial THM Finite Element software (Code_Aster). This will allow to model interaction between bituminized waste swelling and host rock (argillite). This thesis will rely on experimental tests done in CEA, which reproduce the leaching and the swelling of French bituminized waste Under different conditions (constant volume or constant stress).