Analyse physique et modélisation dynamique de l’impact du gel-dégel sur la durabilité des matériaux en terre crue compactée pour la construction

Physical analysis and dynamic modelling of the impact of freeze-thaw on the durability of compacted raw earth materials for construction purposes

• Auteur / Autrice : Lassana Bakary Traoré
• Direction : Antonin Fabbri, Fionn McGregor
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géne civil
• Date : Soutenance le 22/11/2022
• Etablissement(s) : Vaulx-en-Velin, École nationale des travaux publics de l’État
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes (Écully, Rhône ; 1970-)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Emmanuel Aubert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Teddy Fen Chong, Céline Perlot, Fabrice Rojat
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Myriam Duc, Domenico Gallipoli

Mots clés

Mots clés contrôlés

Gel

Constructions en terre

Mots clés libres

Gel-Dégel

Constructions en terre

Déformation

Température

Poromécanique

Terre crue compactée

Microstructure

Saturation liquide initiale

Humidité relative

Cryosuccion

Durabilité

Freezing-Thawing

Earthen constructions

Strain

Temperature

Poromechanics

Compacted raw earth

Microstructure

Initial liquid saturation

Relative Humidity

Cryosuction

Durability

Résumé

En saison hivernale, les structures en terre crue peuvent être exposées à des cycles répétés de gel-dégel. Ce risque peut représenter une problématique majeure de durabilité de la construction en terre crue dans les régions froides. Cette thèse a pour but d’identifier les conditions nécessaires de formation de glace et de comprendre les mécanismes conduisant à l’endommagement au gel-dégel de la terre crue compactée.Dans un premier temps, un essai de gel-dégel avec un apport d’eau par absorption est réalisé sur des échantillons en terres crue et stabilisée au ciment. Dans ces conditions d’humidification, il a été montré que l’action couplée du gel-dégel et de l’absorption d’eau induisait de fortes dégradations du matériau terre même dans le cas de la terre stabilisée. Ainsi, dans la suite, une attention particulière est accordée au rôle de la saturation liquide initiale sur le comportement au gel-dégel du matériau terre. Pour cela, une méthode diélectrique a été mise au point pour déterminer les courbes de gel-dégel de différents matériaux en terre crue suivant leurs saturations liquides initiales. Ainsi, grâce à une analyse microstructurale, il a été possible de définir un critère de seuil sur l’état hydrique de la terre crue au-delà duquel la pérennité de l’ouvrage ne serait plus garantie à une température hivernale donnée. L’impact de la formation de glace sur la terre crue a été d’abord étudié via la mesure des propriétés mécaniques suivant la saturation liquide et la température. Ensuite, un essai de gel-dégel sous charge constante de 0 ou 100 kPa a été effectué sur des échantillons en terre crue scellés (sans apport d’eau). Il a été montré que l'endommagement au gel-dégel de la terre compactée ne se produisait que dans les conditions d'humidifications pathologiques étudiées. Initialement, les résultats de ces essais ont été analysés à la lumière d’une modélisation thermo-poromécanique adaptée aux matériaux poreux non saturés. L’approche incrémentale proposée a mis en évidence que le comportement de la terre crue est principalement gouverné par le mécanisme de cryosuccion et la modification progressive ses propriétés mécaniques avec la formation de glace.

During winter seasons, earthen structures can be exposed to repeated freezing-thawing cycles. This risk can be a major issue for the durability of earthen structures in cold regions. Then, this thesis aims at identifying the necessary conditions for ice formation and understanding the mechanisms leading to frost damage on compacted earthen materials.First, a freezing-thawing test with water supply was carried out on both unstabilized and cement-stabilized earthen samples. Under such wetting conditions, it was shown that the coupled action of freezing-thawing and water absorption induced severe degradation of earthen material even if it was cement-stabilized. Thus, in the following, particular attention is paid to the role of initial liquid saturation on the freeze-thaw behavior of compacted raw earth. For this purpose, a dielectric method has been developed to determine the freezing-thawing curves of different earthen materials according to their initial liquid saturation. Thus, thanks to a microstructural analysis, it was possible to define a threshold criterion on the hydric condition of earthen material beyond which the durability of the structure would not be guaranteed at a given winter temperature. The impact of ice formation on the raw earth was studied firstly by measuring the mechanical properties according to the liquid saturation and temperature. Secondly, a freeze-thaw test under a constant load of 0 or 100 kPa was performed on sealed raw earth samples (without water supply). It has been shown that frost damage on compacted earth occured only under the pathological wet conditions wich were investigated. Finally, the results of these experimental tests were analyzed in the light of a thermo-poromechanical model adapted to unsaturated porous materials. The proposed incremental approach revealed that the freeze-thaw behavior of raw earth is mainly governed by the mechanism of cryosuction and the modification of its mechanical properties.