Etude expérimentale et numérique du comportement hydromécanique des matériaux à base de pellets d'argile gonflante

par Benjamin Darde

Thèse de doctorat en Géotechnique

Sous la direction de Anh minh Tang.

Thèses en préparation à Paris Est , dans le cadre de École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement , en partenariat avec NAVIER (laboratoire) .


  • Résumé

    Les matériaux à base de bentonite sont envisagés pour la réalisation des ouvrages de fermeture dans les concepts de stockage de déchets radioactifs. Dans ce contexte, les matériaux mis en place sous forme de mélanges de granules (pellets) de bentonite sont étudiés car ils présentent moins de contraintes d'installation comparés aux blocs préfabriqués. Les pellets sont disposés dans les galeries à l'état sec et forment un matériau granulaire. Le matériau est humidifié par l'eau issue de la roche encaissante et acquiert une texture homogène. Avant homogénéisation, le caractère granulaire du matériau contrôle son comportement. Ce travail se concentre sur la caractérisation expérimentale et la modélisation numérique d'un mélange de pellets et pellets concassés (poudre) de bentonite en proportion 70/30 en masse sèche, envisagé pour réaliser les ouvrages de fermeture dans le concept français de stockage de déchets radioactifs. La proposition, l'implémentation et la validation d'un modèle de comportement tenant compte de la nature granulaire initiale et d'éventuelles hétérogénéités locales de densité est l'objectif principal de ce travail. L'influence de la nature granulaire est mise en évidence par l'intermédiaire d'essais de pression de gonflement à succion contrôlée au laboratoire. Les essais sont réalisés sur des échantillons préparés à différentes teneurs en poudre. A partir d'une caractérisation expérimentale à l'échelle du pellet, un modèle simple décrivant le comportement hydromécanique du pellet est proposé et implémenté dans un code de calcul utilisant la méthode des Éléments Discrets (DEM). Les essais réalisés au laboratoire sur les échantillons sans poudre sont simulés par la DEM et le modèle proposé. Les résultats expérimentaux sont reproduits de manière satisfaisante. Cette méthode est utilisée pour simuler de larges assemblages granulaires de densités variées soumis à des sollicitations hydromécaniques. Les paramètres influençant le comportement macroscopique des assemblages de pellets à l'état « granulaire » sont identifiés à partir de ces simulations. Un ensemble de lois de comportement sont proposées pour modéliser le matériau comme un milieu continu. La transition de l'état granulaire à l'état homogène est décrite par des critères faisant intervenir la succion et les fractions volumiques relatives des pellets et de la poudre. Une version modifiée du Barcelona Basic Model est proposée pour modéliser le comportement du matériau à l'état « homogène ». Le modèle est implémenté dans le code de calcul par Éléments Finis (FEM) BIL. Les essais de pression de gonflement réalisés au laboratoire sur des échantillons contenant différentes teneurs en poudre sont reproduits de manière satisfaisante, sur l'ensemble du chemin d'humidification, en utilisant un unique jeu de paramètres. Le comportement du matériau au cours de l'humidification en conditions de volume constant est finalement étudié à plus grande échelle par la réalisation d'essais d'imbibition en modèle réduit au laboratoire, à différentes teneurs en poudre. Les cellules sont de section carrée avec une face vitrée. Une caméra permet l'observation de l'évolution de la texture du matériau au cours de l'humidification. La prédominance des transferts en phase vapeur dans le processus de saturation du matériau, l'influence et l'évolution de la structure granulaire au cours de l'humidification et l'influence de la teneur en poudre sur la réponse macroscopique du mélange sont mis en évidence. Des lois de transferts hydriques sont proposées à partir des résultats et observations expérimentales et implémentées dans le code BIL. La perspective principale de ce travail est la réalisation de simulations à plus grande échelle en utilisant le modèle développé. Ainsi, des problématiques inhérentes à l'utilisation des mélanges de pellets et poudre, notamment la nature granulaire initiale et les hétérogénéités locales de densité, pourront être prises en compte.

  • Titre traduit

    Experimental and numerical study of the hydromechanical behaviour of bentonite pellet-powder mixtures.


  • Résumé

    Bentonite based materials are considered as a sealing material in radioactive waste disposal concepts because of their low permeability, radionuclide retention capacity and ability to swell upon hydration, thus filling technological gaps. Within this context, bentonite pellet mixtures have been studied owing to operational convenience. Pellets are laid in the galleries in a dry state as a granular assembly. The mixture progressively becomes more homogeneous upon hydration by the pore water of the host rock. Before homogenisation, the granular structure of the material controls the macroscopic behaviour of the mixture. The present work focuses on the experimental characterisation and numerical modelling of a mixture of bentonite pellet and crushed pellet (powder), in proportion 70/30 in dry mass, a candidate sealing material in the French concept of radioactive waste disposal. The proposition, implementation and validation of a new modelling framework, considering features such as the initial granular structure of the material or local heterogeneities of densities, is the main objective of this PhD work. The influence of the initial granular structure is evidenced by performing suction-controlled swelling pressure tests in the laboratory, using samples of various powder contents. From grain-level experimental characterisation, a simple model describing the hydromechanical behaviour of a pellet is proposed and implemented in a Discrete Element Method (DEM) code. Using DEM and the proposed model, aforementioned swelling pressure tests performed on samples containing no powder are satisfactorily simulated. The same method is used to model large granular assemblies of various pellet densities upon hydromechanical loadings. Relevant parameters involved in the macroscopic behaviour of pellet mixtures in “granular” state are identified from simulation results and constitutive laws are proposed to describe the hydromechanical behaviour of these materials using a continuum mechanics approach. The transition from “granular” state to “homogenised” state is described by criteria proposed from experimental results and data available in the literature and involves suction and relative volume fractions of pellet and powder. A modified version of the Barcelona Basic Model is proposed to model the material behaviour in “homogenised” state. The proposed model is implemented in the Finite Element Method (FEM) code BIL. Using a single set of parameters, all swelling pressure tests performed in the laboratory are satisfactorily reproduced in FEM simulations along the entire hydration path. The material behaviour upon hydration in constant volume condition is finally studied at a larger scale by performing mock-up imbibition tests, using various powder contents. Cells have a square section; a glass side and a camera allow the texture to be observed during hydration. The dominance of vapour transfers in the saturation process of the material, the influence and evolution of the granular structure upon hydration, and the influence of the powder content on the macroscopic response are notably identified. Transfer laws are proposed to describe the observed material behaviour in the mock-up tests and implemented in BIL. The realisation of larger scale coupled simulations using the proposed hydromechanical model is a perspective arising from this PhD work. Predictive simulations could be performed at the structure scale, considering relevant features such as the initial granular structure and local heterogeneities of density in the sealing plugs.