Effet de l'eau sur les propriétés mécaniques à court et long termes des argiles gonflantes : expériences sur films autoporteurs et simulations moléculaires

Influence of water on the short-term and long-term mechanical properties of swelling clays : experiments on self-supporting films and molecular simulations

• Auteur / Autrice : Benoît Carrier
• Direction : Henri Van Damme
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des Matériaux
• Date : Soutenance le 06/12/2013
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Navier (Paris-Est)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Delage
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Henri Van Damme, Matthieu Vandamme, Roland Pellenq
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Michot, François Xavier Coudert

Mots clés

Mots clés contrôlés

Effets de l'eau

Constructions en argile

Mécanique des fluides

Matériaux -- Fluage

Propriétés mécaniques

Argile

Mots clés libres

Simulation moléculaire

Argile

Fluage

Gonflement

Couplages hydromécaniques

Molecular simulation

Clay

Creep

Swelling

Hydromechanical coupling

Résumé

L'étude des matériaux argileux a de nombreuses applications en génie civil et environnemental. Ces applications, telles que l'enfouissement des déchets nucléaires, les risques naturels liés au gonflement et au retrait des sols, et l'extraction d'hydrocarbures, posent des défis technologiques qui nécessitent de comprendre et de prédire le comportement mécanique des argiles, en particulier sur le long terme. Les argiles gonflantes sont des matériaux complexes, poreux et multi-échelles dont les propriétés sont très sensibles à l'eau. Dans cette thèse, nous cherchons à comprendre l'effet de l'eau sur les propriétés mécaniques à court et long terme des argiles. Notre stratégie est de combiner des simulations numériques à l'échelle du nanomètre et des expériences à l'échelle du micromètre afin de mieux comprendre l'interaction entre ces échelles. Nous avons effectué des simulations moléculaires pour quantifier l'effet de l'eau et du cation interfoliaire sur les propriétés de gonflement, élastiques et de fluage des feuillets d'argile, qui à cette échelle sont inaccessibles à l'expérience. Nous avons également effectué une étude comparative de différents modèles de feuillets d'argile de complexité croissante afin de mieux comprendre les interactions qui régissent la cohésion entre les feuillets d'argile. Nous avons mesuré expérimentalement les propriétés de films d'argile autoporteurs bien ordonnés. Nous avons montré l'effet de l'humidité relative et de la nature du cation interfoliaire sur les déformations de ces films d'argile. En particulier, nous avons quantifié le gonflement de ces films induit par l'humidité en combinant microscopie électronique à balayage environnementale et corrélation d'images numériques. Nous avons également effectué des essais de traction et de fluage sur ces films à humidité contrôlée. Nous avons comparé les données obtenues par nos expériences aux résultats des simulations moléculaires. Cette comparaison permet de discuter les mécanismes élémentaires de déformation et les échelles pertinentes pour la compréhension du comportement hydromécanique des argiles

The study of clay-based materials has many applications in civil and environmental engineering. These applications include underground nuclear waste disposal, the natural risks associated to the swelling and shrinkage of soils, and the extraction of hydrocarbons. They pose significant technological challenges that require to understand and to predict the mechanical behavior of clays, in particular on the long term. Swelling clays are complex porous multi-scale materials and their properties are very sensitive to water. In this thesis, we aim at understanding the impact of water on the short-term and long-term mechanical properties of clays. Our strategy was to combine numerical simulations at the scale of the nanometer and experiments at the scale of the micrometer to have a better insight of the interplay between these scales. We performed molecular simulations to estimate the effect of water and of the interlayer cation on the swelling, elastic and creep properties of clay layers, which are inaccessible to experiments at this scale. We also carried out a comparative study of various numerical models of increasing complexity in order to better understand the interactions that governs the cohesion between the clay layers. We measured experimentally the properties of well-ordered self-supporting clay films. We investigated the impact of relative humidity and of the nature of the interlayer cation on the mechanical properties of these clay films. In particular, we quantified the humidity-induced swelling of these films by using a combination of environmental scanning electron microscopy and digital image correlation. We also performed tensile tests and creep tests on these films at controlled relative humidity. We compared the data obtained by our experiments to the results of the molecular simulations. This comparison makes it possible to discuss the elementary deformation mechanisms and the scales relevant to the understanding of the hydromechanical behavior of clays