Couplage électro-chimio-hydro-mécaniques dans les milieux argileux

Electro-chemo-hydro-mechanical coupling in clavey media

• Auteur / Autrice : Thibault Lemaire
• Direction : Christian Moyne
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et énergétique
• Date : Soutenance en 2004
• Etablissement(s) : Vandoeuvre-les-Nancy, INPL

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électro-osmose

Micromécanique (physique du solide) -- modeles math

Microstructure (physique)

Sols argileux

Résumé

L'objet de cette étude est de comprendre les phénomènes couplés dont peuvent être le siège les milieux poreux gonflants comme les argiles. Les contributions prises en compte pour analyser les transferts dans de tels minéraux sont de nature électrique, chimique, hydraulique et mécanique. Dans une première partie nous introduisons des considérations minéralogiques et physico- chimiques des milieux argileux. Un objectif important de ce chapitre est de montrer le rôle crucial de leur microstructure. Dans une deuxième partie, un essai d'imbibition dans une poudre de bentonite MX80 est présenté. La décroissance avec la teneur en eau de la diffusivité hydraulique identifiée est expliquée au moyen d'un modèle à double porosité qui met en évidence la disparition progressive des mésopores en réponse aux effets de gonflement à la plus petite échelle. Ainsi une analyse multi-échelle est-elle nécessaire pour proprement décrire le comportement des milieux argileux. Le troisième chapitre expose une telle modélisation multi-échelle (basée sur l'homogénéisation périodique). Reposant sur la théorie de la double-couche, elle introduit un concept novateur de solution d'électrolyte virtuelle. Nous fournissons quelques résultats numériques pour une géométrie simple (plaques en vis-à-vis). Dans la partie suivante, nous exposons des simulations numériques de deux types: la réponse du système à un échelon de concentration et une simulation de l'électro-osmose. La fin de ce chapitre met en exergue la nécessité d'intégrer au modèle les effets du pH. Dans la dernière partie, les échanges surfaciques sont incorporés au modèle afin d'appréhender les rôles du pH et de la force ionique dans le processus électro-osmotique.

The aim of fuis study is to understand coupled phenomena that occur in swelling porous materials like clays. Electro-chemo-hydro-mechanical contributions are taken into account to analyze transfers in such minerais. Ln a first fart, an general discussion is proposed to introduce mineralogical and physico- chemical considerations of clayey media. An important objective of this chapter is to show the crucial role of the microstructure. Ln a second part is presented an imbibition test in a MX80 bentonite powder. The hydraulic diffusivity versus water content curve's decrease is explained thanks to a double porosity model that shows the progressive collapse of mesopores due to swelling effects at the microscale. Thus a multi- scale analysis is necessary to weil describe clayey media behaviour. The third chapter exposes such a multi-scale modelling (periodic homogenization). It is based on the double-layer theory and introduces an innovative concept of virtual electrolyte solution. First numerical results are given in a simple geometry (parai lei platelets). Ln the next part are proposed numerical simulations of two kinds : response of the system to a chemical gradient and simulation of electro-osmosis. The end of this chapter puts into relief the necessity to integrate pH effects in the model. In the last part, chemical surface exchanges are incorporated in the modelling to understand pH and ionic force roles in electro-osmotic process.