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Influences de la microstructure sur les propriétés mécaniques et hydrauliques des matériaux poreux cohérents

/ Davy Catherine A. / Université Lille1 - Sciences et Technologies / 2010
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Mes principaux travaux concernent les performances mécaniques et la durabilité des matériaux poreux cohérents, en relation avec leur microstructure. L'approche, qui s'intéresse aux phénomènes physiques responsables de l'état microstructural, est essentiellement expérimentale, et en lien avec différents contextes industriels. Les milieux poreux sont caractérisés par un couplage entre le squelette solide et le (ou les) fluide(s) présents dans leur réseau poreux, ce qui justifie l'évaluation de leurs performances par l'approche poro-mécanique [Coussy-2004]. La durabilité est évaluée par les capacités de transport advectif au travers du réseau poreux capillaire, c'est-à-dire par la perméabilité, dont la mesure au laboratoire peut aller jusqu'à des valeurs très faibles (10-21m2).- Dans le contexte du stockage à long terme des déchets nucléaires radioactifs (confié à l'ANDRA par l'Etat français), la problématique est d'assurer une barrière étanche au sein de tunnels creusés dans une roche argileuse très peu perméable (l'argilite), consolidés par des bétons spécifiques et bouchés par des matériaux reconstitués (en particulier, l'argile gonflante qu'est la bentonite). J'ai contribué à la mise en évidence de la recicatrisation de l'argilite macro-fissurée (après excavation) sous l'effet d'une circulation d'eau (telle que celle présente in situ). Le transport advectif de gaz diminue également fortement sous l'effet d'un chargement mécanique de confinement (pression hydrostatique). Une cicatrisation similaire a été observée à l'interface entre argilite et bentonite, à partir d'une maquette reconstituée.- Les pressions d'entrée de gaz au travers de l'argilite intacte ou recicatrisée, ou encore à l'interface argilite/bentonite recicatrisée, ont également été identifiées. Suite à cela, un modèle numérique thermo-hydro-poro-mécanique couplé a montré que le passage de gaz au travers de l'argilite intacte ne se fait pas de façon homogène, mais a plus à voir avec un phénomène de capillary fingering (digitation capillaire) au travers de passages potentiellement instables dans le réseau poreux. Certains grès sont des réservoirs de gaz naturel. Dans le cadre d'un partenariat GDF/Suez, il s'est agi de caractériser l'évolution des propriétés de transport advectif (perméabilité) de ces grès en fonction du confinement, du degré de saturation en eau et de la morphologie du réseau poreux, dans le but d'aider à améliorer l'extraction de gaz. Pour les matériaux à matrice cimentaire, quatre types de modifications microstructurales ont été étudiées : 1) une substitution partielle des agrégats siliceux de mortiers normalisés par des fines calcaires ou par des sédiments pollués traités (procédé Novosol, Solvay S.A.), dans le contexte de la valorisation de déchets dans les matériaux structuraux ; 2) un traitement thermique de mortier normalisé jusqu'à 150, 200, 300 ou 400°C suivi d'un chargement mécanique, pour représenter des cas concrets d'incendie de tunnel ; 3) une sollicitation couplée, thermique et mécanique, de mortier et de bétons CERIB/ANDRA ; 4) la lixiviation de coulis de ciment, qui est une attaque chimique liée à la dissolution de CO2 dans l'eau interstitielle, dans la perspective de la séquestration de CO2, envisagée au sein d'anciens puits de pétrole (partenariat Total S.A.).- Dans le cas 1) de la substitution par des fines (les sédiments en comportent également), j'ai mis en évidence des modifications de l'ITZ (Interfacial Transition Zone) entre agrégat et pâte de ciment, expliquant (au moins en partie) l'amélioration des performances mécaniques et hydrauliques des mortiers substitués. Dans les cas de traitement thermique 2), nous avons montré que, sous confinement élevé, une proportion de pores connectés par la micro-fissuration (due au traitement thermique), se referme de façon irréversible et provoque une diminution du module de compressibilité Ks du squelette solide. Dans le cas 3) de sollicitation couplée thermique+confinement, nous avons mis en évidence l'apparition d'un effet bouchon, et démontré par thermogravimétrie qu'il était dû en partie, au-dessus de 200°C, à l'apparition, dans le réseau poreux, d'eau (vapeur) initialement liée dans les C-S-H.- L'objectif du projet ANR CHAMEAU était d'apporter une meilleure connaissance des transferts d'eau au sein des piles à combustibles à hydrogène de type PEMFC. Dans ce cadre, j'ai contribué à identifier expérimentalement les propriétés de transport advectif en régime diphasique (gaz+eau) des membranes GDL (Gas Diffusion Layers), faites de feutre de carbone graphite partiellement enduit de PTFE.

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