Endommagement induit par cristallisation en milieux poreux hétérogènes dans le contexte de l'érosion de la côte basque française et de ses ouvrages de protection

Crystallisation-induced damage in heterogeneous porous media in the context of the erosion of the French Basque coast and the damage of protective structures

• Auteur / Autrice : Victor Okumko
• Direction : David Gregoire, Gilles Pijaudier-Cabot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 18/07/2023
• Etablissement(s) : Pau
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Exactes et leurs Applications
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Fluides Complexes et leurs Réservoirs - Laboratoire des Fluides Complexes et leurs Réservoirs
• Jury : Président / Présidente : Karim Aït-Mokhtar
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : David Gregoire, Gilles Pijaudier-Cabot, Beatriz Menendez, Catherine Noiriel, Hannelore Derluyn
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Beatriz Menendez, Catherine Noiriel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cristallisation

Littoraux -- Modifications

Mots clés libres

Cristallisation

Érosion côtière

Milieux poreux

Côte basque française

Crystallisation

Coastal erosion

Porous media

French Basque coast

Résumé

L'érosion côtière est une problématique majeure pour de nombreuses régions côtières du monde entier, et l'altération par cristallisation de sel est identifiée comme un facteur contributif à ce phénomène. Cette recherche porte principalement sur l'érosion du littoral basque français, en particulier entre le tronçon qui relie Saint-Jean-de-Luz à Hendaye et qui est caractérisé par des falaises rocheuses de type flysch santonien.L'objectif du projet global est d'étudier le rôle de l'altération saline et son impact dans l'endommagement mécanique des roches de type flysch mais également du béton utilisé pour fabriquer les blocs de protection de la digue de l'Artha située à Saint Jean de Luz. En particulier, cette étude porte sur la collecte de données expérimentales fiables et documentées permettant la calibration et la validation d'outils numériques prédictifs développés par ailleurs.À cette fin, un nouveau protocole de vieillissement accéléré au sel a été développé, impliquant l'immersion partielle d'échantillons par une solution de sulfate de sodium à une molalité de 3 mol/kg et une température contrôlée de 32 °C, tout en maintenant la température ambiante à 20 °C. Des techniques d'acquisition non destructives, comme l'analyse d'émissions acoustiques, la photographie directe ou la tomographie quasi-simultanée neutron et rayons X (Institut Laue-Langevin) - couplée à de la corrélation d'images numériques - ont été utilisées pour recueillir les données expérimentales fiables permettant à la fois de valider le protocole d'altération et de permettre une analyse numérique plus poussée ultérieure. L'efficacité du protocole a été confirmée par de nombreux essais menés sur les deux matériaux principaux visés (roches flysch et béton de la digue de l'Artha) mais aussi sur des grès des Vosges, moins hétérogènes et plus largement étudiés dans la littérature.Au cœur de cette étude, l'application originale de l'imagerie quasi-simultanée de neutrons et de rayons X a fourni une compréhension globale du rôle de la cristallisation du sel dans l'endommagement des matériaux rocheux poreux avec des données expérimentales encourageantes acquises pour permettre l'observation et la quantification de la formation de fractures et du sel hydraté contenu dans les échantillons. Les résultats recueillis indiquent que la cristallisation du sel est un facteur crucial dans les dommages observés sur les échantillons de flysch, de grès des Vosges et de béton, l'hétérogénéité jouant un rôle déterminant dans la déformation et la fissuration.Les résultats de cette étude apportent des informations précieuses sur le phénomène de l'endommagement induit par cristallisation de sels, qui a des applications pratiquesdans l'ingénierie du bâtiment, la science des matériaux et la science de l'environnement. La base de données expérimentales collectée, notamment sur les grès des Vosges, peut être directement utilisée pour la calibration et la validation de modèles numériques.

Coastal erosion is a growing concern for many coastal regions worldwide, and salt weathering has been identified as a contributing factor to this phenomenon. This research focuses on the ongoing erosion of the French Basque Country coastline, particularly between the connecting sections of Saint-Jean-de-Luz and Hendaye which are characterized by Santonian flysch rock cliffs.The objective of the global project is to investigate the role of salt weathering and its impact in the mechanical weakening of both the tight and low-porosity flysch rocks with rhythmic alternations of heterogeneity and concrete material used for protective blocks of the Artha dam located in Saint-Jean-de-Luz. Particularly, this study focuses on the gathering of reliable and fine experimental data allowing for the calibration and validation of predictive numerical tools developed besides.For this purpose, a novel accelerated salt weathering protocol has been developed, involving the continuous partial immersion of test samples in a 3 molal concentration of sodium sulfate solution at a controlled temperature of 32 °C, while maintaining room temperature at 20 °C. Non-destructive acquisition techniques, including acoustic emission analysis and time-lapse photography or quasi-simultaneous neutron and x-ray tomography (Institut Laue-Langevin) - coupled with digital image correlation - were employed to gather reliable experimental data for validating the weathering protocol and for further numerical analysis. The effectiveness of the protocol was confirmed through numerous tests conducted on the two targeted materials (flysch rocks and Artha dam concrete) but also on Vosges sandstones, which are less heterogeneous and widely studied in the literature.Central to this study, the unique application of quasi-simultaneous neutron and x-ray imaging provided a comprehensive understanding of the role of salt crystallization in damaging porous rock materials with encouraging experimental data acquired to enable the observation and quantification of fracture formation and hydrated salt content in the samples. The results gathered indicate that salt crystallization is a crucial factor in the observed damage of flysch rock, Vosges sandstone, and concrete samples, with heterogeneity playing a significant role in the deformation and failure.The findings of this study contribute valuable insights into the phenomenon of crystallization-induced damage by salt, which has practical applications in building engineering, materials science, and environmental science. The collected experimental database, especially on Vosges Sandstone, can be directly used for numerical model calibration and validation.