256 research outputs found
Couplage hydromécanique et perméabilité d'une argile gonflante non saturée sous sollicitations hydriques et thermiques : courbe de sorption et perméabilité à l'eau
No full textL'utilisation d'argile gonflante pour les barrières ouvragées des ouvrages de stockage des déchets nucléaires, nécessite la maîtrise de son comportement thermohydromécanique. Le travail présenté ici concerne la caractérisation et la modélisation du comportement de lune de ces argiles : largile FoCa 7.Les caractéristiques du matériau étudiées sont : la courbe de sorption (/ désorption) et la perméabilité à leau. Pour chacune delles, de nouveaux protocoles expérimentaux ont permis lacquisition de données dans des domaines encore peu explorés : en température (entre 20oC et 80oC) pour la courbe de sorption et dans le domaine non saturé pour la perméabilité à leau.Lanalyse de ces résultats et de données bibliographiques a permis dune part dévaluer limportance du phénomène dhystérésis et de linfluence de la température sur la courbe de sorption, et dautre part, détablir la nécessité dintroduire au niveau de la modélisation de la courbe de sorption, un paramètre plastique lié aux déformations irréversibles se produisant lors du compactage.De plus, les essais réalisés pour lacquisition des données ont également pu être utilisés afin de fournir des éléments de validation aux lois de comportement non linéaires proposées par O. Coussy et P. Dangla pour les milieux poreux non saturés. La particularité de ces lois est de supposer lexistence dune contrainte effective dans le domaine non saturé, doù limportance des éléments de validation présentés ici
Modelling multiphase geomaterials at high temperatures in dynamics with application to strain localization and rapid catastrophic landslides
No full textThis paper presents a finite element analysis of non-isothermal elasto-plastic multiphase
geomaterials in dynamics including frictional heating generation. A fully coupled mathematical
model is developed within the Hybrid Mixture theory. A computationally efficient reduced
formulation is derived following the u-p-T approach. Two strain localization problems are
simulated. The first one is a plain strain compression test of globally undrained water saturated
dense sand. The second test concerns a rapid strain localization example inspired by the Vajont
landslide (Italy, 1963). The numerical results show that cavitation occurs at strain localization in
the first test and the frictional heating increases slightly the temperature in the shear band,
anticipating the onset of cavitation in comparison with the case neglecting the heating generated
by friction. The second numerical test shows a temperature increase in the shear band much
higher than the boiling temperature of the liquid water, with consequent formation of a vapor
cushion and loss of shear strength. These simulations show that frictional heating generation may
have a role in dynamic strain localization, in particular during the development of rapid
catastrophic landslides
Atmospheric carbonation of low portlandite content cementitious materials
No full textLe phénomène de carbonatation des matériaux cimentaires est l'une des causes majeures de la corrosion des armatures de structures en béton armé. Ce phénomène est étudié depuis de nombreuses années sur les ciments Portland ordinaires CEM I, et les mécanismes sont relativement bien identifiés. Néanmoins, on remarque que si l'on substitue une partie du ciment par des ajouts tels que des cendres volantes, la réaction pouzzolanique ou les réactions d'hydratation qui s'en suivront amèneront à un contenu molaire plus faible en CHet aboutiront à la création d'une plus grande quantité d'hydrates de type C-S-H. Le pouvoir tampon qu'exerce la portlandite sur le pH de la solution interstitielle sera affaibli et le matériau cimentaire sera potentiellement plus sensible à la présence de CO2 au travers d'une carbonatation des C-S-H qui sera plus marquée. D'un point de vue physique, les évolutions microstructurales induites par un niveau élevé de carbonatation des C-S-H deviennent complexes et peuvent accélérer la diffusion du CO2. Cette thèse a ainsi pour but de caractériser le comportement vis-à-vis de la carbonatation des ciments contenant de forts dosages en cendres volantes et de développer une modélisation des systèmes cimentaires correspondants. Des pâtes de ciment et mortiers ont été formulés avec des rapports E/C variables et différents taux volumiques de substitution en cendre volante. Après une longue cure endogène, des essais de carbonatation accélérée ont été réalisés (10% de CO2, 25°C et 63% HR). À diverses échéances, des essais destructifs (analyse thermique, porosimétrie au mercure et projection de phénolphtaléine) et non-destructifs (gammadensimétrie) ont permis de quantifier le dioxyde de carbone fixé dans chaque type d'hydrate (CH et C-S-H), les changements de microstructure induits (porosité, distribution poreuse), ainsi que l'eau de structure libérée par carbonatation. On a ainsi pu relier les changements de microstructure et la libération d'eau avec les niveaux de carbonatation de la portlandite et des C-S-H.Dans un second temps, la plateforme de modélisation, Bil (sous licence GPL), développée à l'Ifsttar a été utilisée comme support pour le développement d'un modèle aux volumes finis. Il permet de décrire simultanément des réactions chimiques couplées à un transport de matière. Les lois de comportement chimiques - microstructurales (évolution du volume molaire des C-S-H en fonction de leur état de décalcification) et hydriques (eau relarguée par la carbonatation) mises en évidence par la campagne expérimentale ont pu être ainsi introduites dans le modèle. La cinétique de dissolution de la portlandite est paramétrée par une réduction d'accessibilité des amas de cristaux de CH qui, au cours du temps, se recouvrent d'une gangue de calcite de moins en moins perméable. La contribution des C-S-H est prise en compte. Une approche thermodynamique originale permet de décrire leur état de décalcification à l'équilibre au cours de la carbonatation. Au final, de nombreuses espèces chimiques, ainsi que leur spéciation, sont introduites dans le modèle, notamment les alcalins qui ont un effet marqué sur le pHReaction of gaseous atmospheric CO2 with calcium-bearing phases in concrete infrastructure components is known to cause a lowering of alkalinity, leading to depassivation and corrosion of rebars. Carbonation mechanism is quite well understood from a physico-chemical point of view, especially in the case of materials made of OPC. Nonetheless the impact of supplementary cementitious materials (SCM), such as fly-ash, on carbonation is still an active research field. The pozzolanic reaction between CH and fly ash implies a lower portlandite content and a higher C-S-H content. Whilst CH is buffering the pH, its lower content in these materials may lead to a lower resistance to carbonation and to a higher contribution of C-S-H in terms of microstructural changes. Thus, this PhD thesis aims at understanding the effect of cement substitution by high contents of fly ash and develop a numerical model describing the carbonation of these cementitious materials. Accelerated carbonation tests (10% CO2, 25°C and 63% RH) were performed on various cement pastes containing fly ash (0%, 30% and 60% of volumic substitution and water-to-cement ratio before substitution of 0.45 and 0.6). Carbonation profiles were assessed by destructive and non-destructive methods such as thermogravimetric analysis and mercury intrusion porosimetry (destructive), as well as gamma-ray attenuation (non-destructive). Carbonation penetration was studied at different ages of CO2 exposure. By correlating microstructure changes with the degree of carbonation of each hydration product related to the formation of calcium carbonate, we are able to propose analytical relationships linking the decrease in porosity and the amount of released water to the carbonation level of CH and C-S-H.The modeling platform Bil (GPL) developed at Ifsttar was used to develop a reactive transport modeling of atmospheric carbonation, using a finite volume method. We introduced in the model the constitutive equations we highlighted using the experimental data. Microstructure evolution was quantified, taking into account the effect of the progressive decalcification of C-S-H linked to their molar volume, as well as the quantity of water released by carbonation. Combined with a kinetic formulation of CH dissolution, C-S-H decalcification was described by an original thermodynamic approach. In the end, many chemical species were introduced in the model, such as alkalis which strongly affect p
influence of a macropore on flow and solute transport in porous media : experiments on macroporous model soil and numerical simulations
No full textLa modélisation des écoulements et du transport dans les milieux poreux est un domaine actif pour, notamment, progresser dans la compréhension du transfert des polluants dans les sols. Les sols présentent fréquemment des hétérogénéités comme des macropores (provoqués par la faune, la flore ou des fissures) et un certain nombre de modèles numériques utilisent les concepts de double ou de multi-perméabilité pour tenir compte de tous les types d’écoulements susceptibles de coexister dans de tels systèmes. Cependant, les modèles classiques semblent sous-estimer l’effet de la macroporosité sur l’écoulement et le transfert préférentiels et restreindre la zone d’écoulement préférentiel au seul volume occupé par la macroporosité. Diverses études expérimentales antérieures à cette thèse ont questionné cette hypothèse. Cette étude se propose de comprendre l’établissement de l’écoulement et du transport préférentiel et en particulier les mécanismes d’échange d’eau et de masse entre un macropore et une matrice poreuse environnante en condition saturée. Pour cela, des traçages de l’eau sont réalisés pour un milieu poreux modèle constitué de billes de verre, traversé par un macropore synthétique et mis en place en colonnes de laboratoire. Elution et transfert dans les colonnes sont caractérisés par suivi de la concentration en sortie et par imagerie par résonance magnétique. Un modèle numérique développé sur la base de la méthode de Boltzmann sur réseau est utilisé pour simuler numériquement des écoulements dans un système macroporé et identifier les mécanismes d’écoulements préférentiels à l’échelle de pores. Les données expérimentales montrent que le transfert du traceur est fortement dépendant du débit d’injection ainsi que du coefficient de diffusion dans l’eau. À fort débit, le transfert semble s’effectuer exclusivement dans le macropore, avec très peu d’échange avec la matrice. Pour des débits plus faibles, la percée présente une inflexion suivie d’un pic. Les images IRM montrent alors un échange significatif de traceur entre le macropore et la matrice poreuse environnante. Les simulations numériques sont utilisées pour calculer le champ de vitesse de l’écoulement dans le système en fonction du débit. Les modélisations numériques montrent que l’écoulement préférentiel est étendu dans la matrice poreuse sur une zone de même dimension que le diamètre moyen des grains indépendamment de la taille du macropore et du débit, dans la gamme de débits simulés. Ces résultats expérimentaux et numériques montrent que l’influence du macropore sur les transferts doit être étendue dans la matrice poreuse sur une zone de la taille des grains pour l’écoulement et sur une zone dépendant du coefficient de diffusion du traceur ainsi que du temps de séjour moyen de celui-ci pour le transfert des solutésFlow and transport modeling through porous media is of primary concern nowadays, especially in order to progress in the understanding of pollutant transfers through soils. Soils present frequently heterogeneities such as macropores (caused by fauna, flora or cracks) and several numerical models use double or multi permeability concepts in order to take into account all flow types that may exist in such porous systems. Nevertheless, classical models seem underestimate the macropore effect on preferential flow and transport by restricting the preferential flow zone only to the volume occupied by the macroporosity. Various experimental studies prior to this thesis have questioned this hypothesis. This study proposes to understand the establishment of preferential flow and transport and in particular the mechanism of flow and solute exchanges between a synthetic macropore and a surrounding porous matrix in saturated condition. For this purpose, water tracing are realized for a model porous media constituted by glass beads, crossed by a synthetic macropore and implemented in laboratory columns. Breakthrough and transport in columns are characterized by monitoring the concentration at the end of the column by magnetic nuclear resonance. A numerical model developed on the basis of lattice-Boltzmann method is used to simul ate flow in macroporous system and identify preferential flow mechanisms at pore scale. Experimental data show that tracer transport is strongly dependent on injection flow rate and the diffusion coefficient in water. At high flow rate, the transport seems to occur exclusively in the macropore, with very little masse exchange with the porous matrix. At lower flow rates, the breakthrough exhibits an inflexion followed by a peak. The MRI images show a significant mass exchange of tracer between the macropore and the surrounding porous matrix. The numerical simulations are used to calculate the flow field in a porous system as a function of flow rate. They show that preferential flow is extended in porous matrix into a zone of same dimension the mean diameter of beads regardless of macropore size or injected flow rate, in the range of simulated flow rates. These experimental and numerical results show that macropore influence on transport should be extended through the surrounding porous matrix into a zone of the same size of grains diameter for flow and into a zone depending on diffusion coefficient as well as mean residence time of the studied tracer for solute transpor
Diffusion characterization in cementitious materials : influence of microstructure of mortars
No full textLa diffusion des ions et des radionucléides au sein des matériaux cimentaires est l'un des facteurs les plus importants qui déterminent la durabilité et les propriétés de confinement de ces matériaux. Cette étude s'inscrit, en particulier, dans le domaine de confinement des déchets radioactifs de faible et moyenne activité. Elle consiste à mettre en évidence l'influence de la microstructure des mortiers, notamment la présence des granulats, sur la diffusion de l'eau tritiée au sein de ces matériaux. La démarche consiste, dans un premier temps, à sélectionner des formulations de mortiers à base de CEM I afin d'étudier l'influence de la teneur en granulats, de la granulométrie et du rapport eau/ciment sur les paramètres de diffusion. Des différentes techniques expérimentales complémentaires ont été utilisées afin de caractériser la structure poreuse : porosimétrie à l'eau, porosimétrie mercure, perte au feu et imagerie MEB associée à l'analyse d'image. Dans ce contexte, un protocole d'analyse d'images a été mis en place afin de quantifier la porosité à l'interface granulat/pâte. Le lien entre les propriétés de la microstructure et les paramètres de transport a été ensuite examiné. Pour cela, des essais de diffusion à l'eau tritiée (HTO) ont été conduits et des corrélations entre les paramètres de la microstructure et le transport ont été réalisées. Enfin, afin de mettre en avant le rôle des phases mésoscopiques (Matrice/granulats/ITZ) dans le mécanisme de diffusion un modèle 3D a été développé et des calculs de diffusivités équivalentes ont été effectués. La présente étude confirme la présence d'une interface granulat/pâte au voisinage des grains de sable siliceux. Cette auréole de transition (ITZ) se caractérise par une épaisseur qui varie entre 10 et 20 µm et une porosité environ trois fois plus grande que celle de la matrice cimentaire. En dessous de 55% de sable normalisé, l'effet de cette interface sur les propriétés macroscopiques de transport est faible. En effet, l'effet de dilution et de tortuosité liés aux granulats reste dominant. Par conséquent, les données acquises à l'échelle de pâte de ciment restent valables et sont extrapolable à l'échelle des mortiers. Ces résultats ont été confirmés par les calculs analytiques et numériques de la diffusivité homogénéisée. Au-delà de 55% de sable normalisé, d'autres effets liés au grands nombre de grains de sable rentrent en jeu comme les bulles d'air et les taches poreuses dus principalement à la difficulté d'obtenir des matériaux bien compactés. Ceci rend ces formulations extrêmes et ne permettent pas d'approfondir notre compréhension du lien entre la microstructure et les propriétés de transport au-delà de cette teneur en sableConcrete durability is a subject of considerable interest, especially with the use of cement based materials on structures increasingly demanding on term of sustainability and resistance to aggressive ions penetration or radionuclide release. Diffusion is considered as one of the main transport phenomena that cause migration of aggressive solutes and radionuclide in a porous media according to most studies. In order to enable more effective prediction of structures service life, the understanding of the link between cement based materials microstructure and transport macro properties needed to be enhanced. In this context, the present study is undertaken to enhance our understanding of the links between microstructure and tritiated water diffusivity in saturated mortars. The effect of aggregates via the ITZ (Interfacial Transition Zone) on transport properties and materials durability is studied. To this end, several series of tritiated water diffusion tests were conducted on mortars with various water-to-cement ratio, sand volume fractions and particle size. Materials microstructure was also characterized by water porosimetry, mercury porosimetry and by backscattered electron microscopy associated to images analysis. In particular, an image analysis protocol was developed to quantify the porosity in the vicinity of aggregates. The relationship between microstructure and transport properties was then examined. For this, tritiated water (HTO) diffusion tests were conducted and correlations between microstructure parameters and transport properties were made. Finally, in order to identify the role of mesoscopic phases (matrix / aggregate / ITZ) in diffusion mechanism, a 3D model was developed and calculations of equivalent diffusivities were made. The study showed that a porous interface exists in the vicinity of grains of silica sand. It has a thickness ranging from 10 to 20 µm and its porosity is approximately three times higher than the cement matrix one. Below 55% of standard sand, the effect of this interface on macroscopic transport properties is weak. In fact, the effect of dilution and tortuosity remains dominant. Therefore, data acquired across cement paste remain valid and are extrapolated across mortars. These results were confirmed also by analytical and numerical calculations of the diffusivity. Beyond 55% of standard sand, other effects related to the large number of sand grains appear such as air voids and porous patches mainly due to the difficulty of obtaining well-compacted materials. This makes these formulations extreme ones and not allows us to consider them to improve our understanding of the relationship between microstructure and transport propertie
Poromechanical modeling of the swelling of bituminized radioactive waste due to water uptake
No full textL'objectif principal de ce travail de thèse est le développement d'un modèle numérique pour reproduire le comportement d’enrobés bitumineux sous eau. Les enrobés bitumineux sont principalement produits lors du retraitement industriel du combustible usé et sont classés comme déchets radioactifs Faible ou Moyenne Activité à Vie Longue (FAVL et MAVL). Le stockage géologique est la solution de référence pour les enrobés bitumineux classés MAVL. Dans les conditions du stockage géologique, et après une longue période de temps, les enrobés bitumineux entreront en contact avec l’eau de site. Les cristaux de sel présents dans le bitume couplés à la nature semi-perméable de ce dernier pourront alors entraîner des phénomènes osmotiques conduisant à la reprise en eau et le gonflement du matériau. Un modèle poromécanique a été mis en œuvre dans un code de calcul élément finis pour modéliser le comportement des enrobés bitumineux dans de telles conditions. Ce modèle tient compte de l'impact de la dissolution des sels, du transport advectif, de la diffusion et de l'osmose. Il décrit également le comportement viscoélastique du matériau. Ce modèle a permis d’analyser et reproduire des essais expérimentaux réalisés sur différents types d’échantillons de bitumes français simplifiés. L’évolution de la quantité d'eau absorbée et de sel relargué par l'échantillon pendant les essais de lixiviation a ainsi été étudiée ainsi que le gonflement résultant. La dépendance des paramètres matériaux avec la variation de porosité est également prise en compte, notamment au moyen de méthodes d’homogénéisationThe main objective of this thesis is the development of a numerical model to reproduce the behaviour of simplified Bituminized Waste Products (BWP) during a leaching test. BWP is composed of salt crystals immobilised in a bitumen matrix. BWP were mainly produced during industrial reprocessing of spent fuel, and are classified as low or intermediate activity long lived radioactive waste. Geological disposal is the reference solution for intermediate level long-lived BWP. Under geological disposal conditions, and after a long period of time, BWP will undergo water re-saturation from the host rock. Dissolution of salt crystals and osmotic process could lead to swelling of the bitumen matrix and water uptake.A poromechanical numerical model has been implemented in a finite element software to model BWP behaviour under such conditions. The constitutive model takes into account the impact of dissolution, permeation, diffusion and osmosis. A viscoelastic constitutive law is also used. This model is calibrated with experimental data on French simplified BWP containing a highly soluble salt. Evolution of the amount of water absorbed and salt leached by the sample during the test and swelling are carefully studied. The dependency of material parameters with porosity variation is also examined. Some homogenization method are used for mechanical parameters
Geological storage of carbon dioxide in the coal seams : from material to the reservoir
No full textLes émissions de CO2 dans l'atmosphère sont reconnues comme ayant un effet significatif sur le réchauffement climatique. Le stockage géologique de CO2 est largement considéré comme une approche essentielle pour réduire l'impact de telles émissions sur l'environnement. De plus, injecter du dioxyde de carbone dans les veines de charbon remplies de méthane présent naturellement facilite la récupération de ce méthane, un processus connu sous le nom de récupération assistée du méthane des veines de charbon (ECBM en anglais). Mais le gonflement de la matrice de charbon induite par l'adsorption préférentielle de dioxyde de carbone par rapport au méthane conduit à la fermeture du système de cleats (un ensemble de petites fractures naturelles) du réservoir et donc à une perte d'injectivité. Cette thèse de doctorat est consacrée à l'étude de comment cet injectivité évolue en présence de fluides. Nous dérivons deux modèles poromécaniques à double porosité pour une veine de charbon saturée par un liquide pur. Les équations constitutives obtenues permettent de mieux comprendre et modéliser le lien entre injectivité de la veine de charbon et gonflement du charbon induit par l'adsorption. Pour les deux modèles, on considère l'espace poreux du réservoir comme divisé en les cleats macroporeuses et les pores de la matrice de charbon. Les deux modèles diffèrent dans la manière dont l'adsorption de fluide est prise en compte : le premier modèle est limité à une adsorption surfacique, tandis que le deuxième modèle peut être appliqué à l'adsorption dans un milieu possédant un réseau poreux générique, et donc dans un milieu microporeux comme le charbon, pour lequel l'adsorption se déroule principalement par remplissage de micropores. Le second modèle est calibré sur deux charbons avec des propriétés de sorption et de gonflement différentes. Nous effectuons alors des simulations à différentes échelles (du Volume Élémentaire Représentatif, de l'échantillon de charbon, la veine de charbon). En particulier, nous validons notre modèle sur des données expérimentales de variations de perméabilité de charbon induites par l'adsorption. Nous effectuons aussi des simulations de veines dont le méthane serait produit (un processus connu sous le nom de CBM en anglais) ou de veines sans méthane dans lesquelles du CO2 serait injecté. Nous étudions l'effet de différents paramètres tels que les conditions aux limites, la compressibilité de la matrice de charbon, ou la cinétique de transfert de liquide entre les cleats et la matrice de charbon. Dans une dernière partie, le modèle dérivé est étendu aux cas pour lesquels le charbon est en présence de mélanges fluides binaires tels que les mélanges de méthane et le dioxyde de carbone. Nous calibrons entièrement calibré ce modèle étendu sur des données disponibles obtenues expérimentalement et par simulations moléculaires. Des calculs sont alors effectués à l'échelle d'un Volume Élémentaire Représentatif pour prévoir comment sa porosité et sa perméabilité varient en présence de mélanges fluides de méthane et de dioxyde de carboneCO2 emissions into the atmosphere are recognized to have a significant effect on global warming. Geological storage of CO2 is widely regarded as an essential approach to reduce the impact of such emissions on the environment. Moreover, injecting carbon dioxide in coal bed methane reservoirs facilitates the recovery of the methane naturally present, a process known as enhanced coal bed methane recovery (ECBM). But the swelling of the coal matrix induced by the preferential adsorption by coal of carbon dioxide over the methane in place leads to a closure of the cleat system (a set of small natural fractures) of the reservoir and therefore to a loss of injectivity. This PhD thesis is dedicated to a study of how this injectivity evolves in presence of fluids. We derive two poromechanical dual-porosity models for a coal bed reservoir saturated by a pure fluid. The resulting constitutive equations enable to better understand and model the link between the injectivity of a coal seam and the adsorption-induced swelling of coal. For both models, the pore space of the reservoir is considered to be divided into the macroporous cleats and the pores of the coal matrix. The two models differ by how adsorption of fluid is taken into account: the first model is restricted to surface adsorption, while the second model can be applied for adsorption in a medium with a generic pore size distribution and thus in a microporous medium such as coal, in which adsorption mostly occurs by micropore filling. The latter model is calibrated on two coals with different sorption and swelling properties. We then perform simulations at various scales (Representative Elementary Volume, coal sample, coal seam). In particular, we validate our model on experimental data of adsorption-induced variations of permeability of coal. We also perform simulations of seams from which methane would be produced (CBM) or of methane-free seams into which CO2 would be injected. We study the effect of various parameters such as boundary conditions, compressibility of the coal matrix, or kinetics of transfer of fluid between cleats and coal matrix. In a final part, the derived model is extended to cases for which coal is in presence of fluid binary mixtures such as mixtures of methane and carbon dioxide. We fully calibrate this extended model on available data obtained experimentally and by molecular simulations. Calculations are then performed at the scale of a Representative Elementary Volume in order to predict how its porosity and its permeability vary in presence of fluid mixtures of methane and carbon dioxid
Modélisation de la lixiviation et du gonflement par reprise d’eau des enrobés bitumineux sous différents chargements
No full textLes colis de déchets radioactifs bitumineux ont été produits en conditionnant dans du bitume les boues de coprécipittion résultant du traitement industriel du combustible nucléaire usé. Le stockage géologique souterrain est l’une des potentielles solutions pour le stockage à long terme de certains colis de déchets bitumineux catégorisés moyenne activité à vie longue (MA-VL) en France. Une des problématiques à investiguer pour ces colis de déchets bitumineux est leur comportement de gonflement lié à la reprise en eau dans des conditions de stockage géologique. En effet, après une ou plusieurs centaines de milliers d'années, il est supposé que les parois de l’installation de stockage auront été totalement dégradés et l'eau de la roche hôte du stockage géologique profond saturera complètement les alvéoles de stockage. La présence d’eau, par un phénomène osmotique rendu possible par la capacité semi-perméable de la matrice bitumineuse, va conduire au gonflement des enrobés bitumineux. Ce gonflement pourrait conduire à un couplage mécanique avec la roche hôte qui se traduirait par l’application d’une pression qui pourrait l’endommager. Par conséquent, les effets de gonflement des enrobés bitumineux doivent être pris en compte dans les études de sûreté de l’installation de stockage souterrain. L'objectif de ce travail de thèse est de prédire le comportement à la lixiviation, dû à la reprise en eau des enrobés bitumineux en milieu libre et en milieu confiné, et de mieux comprendre les mécanismes correspondants, ceci afin de mieux estimer les contraintes maximales que les enrobés bitumineux français pourraient générer sur la roche, en fonction des déformations autorisées dans des conditions de stockage géologique. Le modèle numérique présenté dans ce travail est une extension du modèle ME-LOT2019 [1,2]. Une formulation novatrice des flux massiques de sel et d’eau avec une homogénéisation couplée des termes de transport (diffusion, perméation et osmose) est proposée pour mieux modéliser le rôle de la membrane semi-perméable jouée par le bitume et la dépendance à la porosité des coefficients de transport couplés pendant le processus de lixiviation. Un modèle poro-viscoélastique non linéaire prenant en compte les grandes déformations est également proposé pour mieux modéliser le comportement à la lixiviation des enrobés bitumineux en milieu confiné. Le modèle viscoélastique classique de Maxwell est ainsi adapté au cas de la poro-mécanique et un coefficient "visqueux de type Biot" est introduit. Le schéma d'homogénéisation Mori-Tanaka est appliqué pour modéliser la dépendance à la porosité des paramètres viscoélastiques du matériau homogénéisé.Un riche programme expérimental, en soutien à ces travaux de thèse, a été mené par le CEA Marcoule pour caractériser les comportements à la lixiviation des enrobés bitumineux français dans le cadre du programme de recherche BABYLONE [3]. Les résultats expérimentaux sont discutés dans le présent document et utilisés pour calibrer les paramètres du modèle. Le comportement à la lixiviation libre, sous contre-pression constante et à volume constant est étudié numériquement pour des enrobés simplifiés. Les paramètres recalés sont discutés et comparés aux mesures expérimentales publiées dans la littérature. Le rôle des sels peu solubles présents dans les enrobés bitumineux français est également discuté. Des études de sensibilité de la composition, des paramètres matériau et de la taille de l'échantillon sont également réalisées pour mieux comprendre les paramètres clés du comportement à la lixiviation libre et en milieu confiné. Enfin, l'effet des vides existants sur la génération de contraintes des enrobés bitumineux en milieu confiné est étudié numériquement en modélisant le cas d'une lixiviation libre suivie d'une lixiviation en volume constant. Cette dernière étude permet d’obtenir une relation entre contrainte générée en milieu confiné et déformation autorisée des enrobés bitumineuxBituminized Waste Products (BWPs) were produced by conditioning, in bitumen, the co-precipitation sludge resulting from the industrial processing of spent nuclear fuel. Underground geological disposal is one of the considered solutions for the long-term disposal of some intermediate level long-lived (ILW-LL) categorized BWPs in France.One of the challenges related to BWPs is their swelling behavior due to water uptake in geological dis-posal conditions. After one or several hundred thousand years, the water from the host rock will indeed fully saturate the disposal cells. By an osmotic phenomenon enabled by the semi-permeable capacity of the bituminous matrix, water in direct contact with BWPs could cause them to swell. This swelling, if sufficiently important, could lead to mechanical coupling with the host rock, resulting in the application of pressure that could damage it. Indeed, on a scale of hundreds of thousands of years, it is assumed that the walls of the storage facility will have disappeared. The penalizing safety scenario is therefore to consider the BWPs in direct contact with the host rock. Consequently, the swelling behavior of BWPs must be taken into account in safety studies for the underground storage facility after site closure.The objective of this PhD work is to predict the leaching behavior due to water uptake of French BWPs under both free leaching and confined leaching conditions and to better understand the corresponding mechanisms behind. The final goal is to better estimate the maximum stress that French BWPs could generate and apply to the host rock in terms of deformations allowed under geological disposal condi-tions. The numerical model presented in this work is extended from the MELOT2019 model [1,2]. An innovative formulation of water and salt mass flow with coupled homogenization of transport terms (diffusion, permeation, and osmosis) is proposed to better capture the role of the semi-permeable membrane played by the bitumen and the porosity-dependency of the coupled transport coefficients during the leaching process. A non-linear poro-viscoelastic model taking into account large strains is also proposed to better model the BWPs’ leaching behavior under confined conditions. The classic Maxwell viscoelastic model is therefore adapted to poromechanics, and a “viscous Biot-like” coeffi-cient is introduced. The Mori-Tanaka homogenization scheme is applied to model the porosity-dependency of the viscoelastic parameters of the homogenized material.To support the modeling, a rich experimental program has been conducted at CEA Marcoule to charac-terize the leaching behaviors of French BWPs, under the BABYLONE joint research program [3]. The experimental results are discussed in this PhD work and used to calibrate the model parameters. The leaching behavior under free leaching, constant counter-pressure, and constant volume conditions are numerically investigated for simplified French BWPs. The fitted parameters are then discussed and compared with the experimental measurements reported in the literature. The role of the poorly solu-ble salts present in French BWPs is also discussed. Sensitivity studies for composition, material parame-ters, and sample size are performed to better understand the key parameters of the leaching behavior under free leaching and confined leaching conditions. Finally, the effect of the existing voids on the stress build-up behavior of BWPs under confined leaching conditions is numerically investigated by modeling the case of free leaching followed by leaching under constant volume conditions. This study allows us to obtain a relation between the stress generated under confined leaching conditions and the deformations allowed for BWP
Modélisations physico-chimiques de la pénétration des ions chlorures dans les matériaux cimentaires
No full textThe main purpose of this research is to propose a physico-chemical model of chloride ingress in cement based materials submitted to a saline environment such as structures exposed to sea-water or deicing salts. The model takes into account the diffusion, the advection, the electrostatic coupling between ions of the pore solution and the salt crystallization, chloride binding or more general ion- matrix interactions. In fact, chloride ions diffuse in the pore solution of a cement-based material, react with unreacted aluminate phases to form new compounds such as Friedel's salt and also are adsorbed onto C-S-H. To account for these binding phenomena, a physico-chemical approach is developed which addresses separately physical adsorption of chlorides onto C-S-H layers, as a result of exchange between ClCette thèse répond au besoin de mieux maîtriser la durabilité des structures en béton armé exposées aux embruns d.eau de mer ou aux projections de sels de déverglaçage, en proposant une modélisation de la pénétration des ions chlorure dans les matériaux cimentaires lors des cycles de séchage- imbibition. Ce modèle tient compte de la cristallisation des sels, de la fixation des ions chlorure par les constituants solides de la pâte de ciment et plus généralement des interactions physico- chimiques entre les ions et la matrice cimentaire. Ces dernières sont basées sur l'équilibre chimique de la solution interstitielle avec les aluminates tricalciques (C3A), la portlandite (Ca(OH)2), et les sels de Friedel (3CaO.Al2O3.CaCl2.10H2O) et l'adsorption des ions chlorure sur les feuillets de C-S- H par substitution des l'ion hydroxyle. Cette description physico-chimique des interactions a permis de mettre en évidence que les isothermes de fixation des ions chlorure, mesurés expérimentalement, sont l'addition d'une partie dépendant seulement des teneurs initiales en composants solides issues de l'hydratation du ciment et d'une partie dépendant seulement de la nature intrinsèque des C-S-H produits. La pertinence de cette description est démontrée en comparant les résultats du modèle avec ceux de nombreux d'essais effectués sur plusieurs matériaux en conditions saturées issus de la littérature. L'extension de ce modèle d'interaction aux conditions non saturées n'introduit aucune donnée supplémentaire. Le reste du travail l'a démontré à travers la modélisation et la simulation de nombreux essais de séchage, d'imbibition ou de cycles d'imbibition-séchage sur des matériaux de construction ou cimentaires de caractéristiques différentes. Cette dernière partie a permis de mettre en évidence plusieurs phénomènes importants à prendre en compte tels que l'effet de la force ionique de la solution sur les courbes capillaires du matériau ou le colmatage des pores dû à la cristallisation du chlorure de sodium. Enfin le modèle a servi à expliquer les mécanismes physiques à l'origine de certains phénomènes observés lors du séchage et de l'imbibition de matériaux poreux en présence de sels
Modélisation de la carbonatation atmosphérique des matériaux cimentaires Prise en compte des effets cinétiques et des modifications microstructurales et hydriques
No full textAtmospheric carbonation is one of the most significant degradation factors in the durability of reinforced concrete structures. It entails the action of CO2 in the atmosphere, which diffuses through the concrete and then dissolves when in contact with the pore solution. This phenomenon induces acidification of the medium, which leads to the dissolution of the hydrates composing the reserve of concrete basicity. Then the pH value abruptly decreases from a value of the order of 13 to one less than 9. It leads to the corrosion of the reinforced bars which are protected with a high pH level. The aim of this work is to build up a physico-chemical modelling of carbonation of cement based materials which enables to predict the drop of the pH value in pore solution, given that the pH value constitutes a pertinent variables in comprehending reinforcement corrosion. A very informative experimental campaign (thermogravimetric analyses, gammadensitometry, mercury intrusion, etc.) is conducted on three different concrete mixes and many cement pastes (with cement CEM I). It is used to clarify the physico-chemical mechanism of carbonation in order to quantify the influence of carbonation on the microstructure and on the hydric state, to calibrate and eventually to validate the model with accelerated carbonation tests.La carbonatation atmosphérique est un des facteurs parmi les plus importants de la durabilité du béton armé. Elle repose sur l'action du CO2 de l'atmosphère qui diffuse à travers le béton et se dissout en acide au contact de la solution interstitielle. Cette acidification du milieu induit une dissolution de la portlandite qui constitue la réserve de basicité du béton. La baisse du pH, d'une valeur de l'ordre de 13 à une valeur inférieure à 9, peut conduire à la corrosion des aciers du béton armé qui ne sont passivés et protégés qu'en milieu fortement basique. L'objectif de la thèse est de construire un modèle physico-chimique de carbonatation des matériaux cimentaires permettant de prédire la chute du pH de la solution interstitielle, variable pertinente pour appréhender la corrosion des armatures. Une riche campagne d'analyses thermogravimétriques, de gammadensimétries et de porosimétries par intrusion de mercure, réalisées sur 3 bétons différents et plusieurs pâtes de ciment à base de CEM I, permet de comprendre les mécanismes physico-chimiques, de déterminer les conséquences de la carbonatation sur la microstructure et l'état hydrique des matériaux, de calibrer et enfin de valider le modèle proposé à partir d'essais de carbonatation accélérée
- …
