Etude multi-échelle du comportement thermomécanique d'une argile non-gonflante

Multi-scale investigation of the thermo-mechanical behaviour of non-active clay

• Auteur / Autrice : Angela Casarella
• Direction : Vincent Richefeu, Alessandro Tarantino
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, électrochimie, génie civil,
• Date : Soutenance le 22/11/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Sols, solides, structures - risques (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Gioacchino Viggiani
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Catherine O'Sullivan, Pierre Bésuelle, Jelke Dijkstra
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Juan Carlos Santamarina, Pierre Delage

Mots clés

Mots clés contrôlés

Argile

Mots clés libres

Microstructure des argiles

Comportement thermomécanique

Température

Argile

Dlvo

Cgmd

Clay micromechanics

Thermal response of soils

Temperature

Clay particles interaction

Dlvo

Cgmd

Résumé

L’effet de la température sur le comportement mécanique des géomatériaux argileux joue un rôle important dans plusieurs applications géotechniques (géostructures énergétiques, stockage souterrain des déchets nucléaires et glissements de terrain avec déformation rapide par cisaillement). Selon la littérature, l'argile montre une contraction irréversible en conditions normalement consolidés (NC) et une expansion réversible dans les états fortement surconsolidés (overconsolidated, OC) lors d'une augmentation de température suivie d'un refroidissement. On en déduit que les variations de volume ne sont pas uniquement dues à la dilatation thermique des constituants de l’argile, mais aussi à des réarrangements de la microstructure induite par les variations de température.Ce travail de thèse présente une étude multi-échelle des mécanismes physiques sous-jacents au comportement thermomécanique de l’argile. L’objectif est de développer un modèle micromécanique conceptuel capable de reproduire les mécanismes à la micro-échelle impliqués dans la réponse thermomécanique de l’argile.Une série d’essais de compression isotrope à température contrôlée ont été combinés avec des mesures de porosimétrie par intrusion de mercure (PIM) pour évaluer les changements microstructuraux d'une argile remaniée non-gonflante suite aux changements de température. Sur base des résultats obtenus, l'hypothèse proposée est que la déformation volumétrique lors d'un chargement thermique dépend de deux mécanismes simultanés: l’affaiblissement de l’attraction électrochimique aux contacts bord-à-face des particules d'argile et l’effet déstabilisateur des liens inter-particulaires sous l'action d'une contrainte externe.Une deuxième campagne expérimentale a été réalisée à l’aide d’une cellule œdométrique avec control de température pour valider cette hypothèse. Cette série d’expériences représente une contribution originale qui a permis de caractériser la relation non-monotonique de la déformation volumétrique thermique (et, par conséquent, de la forme de la surface de charge thermomécanique) avec la contrainte appliquée.Ces deux premières campagnes expérimentales suggèrent que la contraction thermoplastique observée dans l’argile NC est associée à la modification des forces électrochimiques inter-particulaires induite par les changements de température. Pour cette raison, le rôle des forces électrochimiques par rapport aux forces mécaniques de contact entre les particules d'argile a été étudiée en suite expérimentalement analysant des suspensions d'argile, sa consolidation sous poids propre et sa compression sous des contraintes appliquées allant de très faibles à élevées. Tout d'abord, des essais de sédimentation ont été effectués pour examiner les modes d’agrégation des particules d’argile dans différents fluides, au moyen d’une analyse d’image inférentielle des signaux optiques. Ensuite, une mesure précise de la distribution de porosité du sédiment a été faite utilisant la résonance magnétique nucléaire (RMN).Parallèlement à l’étude expérimentale, des travaux analytiques et numériques ont été menés pour établir une relation d'interaction entre les particules d’argile non-gonflante, capable de reproduire l’effet de la température sur le comportement mécanique. Dans le cadre de cette thèse une fonction d'énergie potentielle a été développée pour deux particules finies dans une configuration générique à six degrés de liberté (6DoF). La nouvelle formulation mathématique a été implémenté et testée dans un modèle 2D de Dynamique Moléculaire à Grains Grossiers (ou en anglais, Coarse Grained Molecular Dynamics –CGMD-) pour simuler l’interaction des particules d’argile à la mésoéchelle.Cette combinaison d’études expérimentales, analytiques et numériques fournit des réponses uniques à des questions non résolues concernant le rôle des interactions physicochimiques dans la réponse mécanique des argiles aux variations de température.

The effect of temperature on the mechanical behaviour of clay-based geomaterials is relevant in several geotechnical applications (e.g., low enthalpy geothermal systems, nuclear waste disposal, and heating in rapid shear deformation). According to literature, clay exhibits irreversible contraction in normally consolidated (NC) states and reversible expansion in highly overconsolidated (OC) states upon heating and subsequent cooling. As a result, volume changes not only occur due to thermal expansion of clay constituents but also to temperature-induced changes in clay microstructure.This thesis presents a top-to-bottom multiscale investigation into the physical mechanisms underlying macroscopic clay behaviour, focusing on its thermo-mechanical response. The aim is to develop a conceptual micromechanical model that mimics the particle-scale mechanisms involved in clay thermo-mechanical response.A series of temperature-controlled isotropic compression tests were coupled with mercury intrusion porosimetry (MIP) tests to explore microstructural changes in remoulded non-active clay samples due to temperature changes. It is proposed that the volumetric collapse upon thermal loading results from two competing mechanisms: the weakening of the electrochemical attraction at the edge to-face contacts in house-card clay fabric and the destabilising effect of the external stress.To validate this hypothesis, a second experimental campaign has been performed using a temperature-controlled oedometric setup focusing on characterising the irreversible thermal deformation of NC clay over a wide range of stress. This series of thermal loading experiments contributed to gaining an original insight into the non-monotonic dependency on stress level of volumetric collapse and, hence, the shape of the thermo-mechanical yield surface.The first two experimental campaigns suggest that the thermo-plastic contraction observed for NC clay is associated with the modification of the non-contact (electrochemical) inter-particle forces network induced by temperature changes. Hence, the importance of electrochemical forces over contact body forces in fine-sized clay has been experimentally investigated for clay in suspension, self-weight consolidation, and compression from very low to high effective stress. Firstly, sedimentation tests have been performed to examine modes of clay particle aggregation in different settling environments through inferential image analysis of optical signals. Then, for selected samples, an accurate measurement of porosity distribution along the sediment column has been collected through Nuclear Magnetic Resonance (NMR) technique. Finally, the evolution of compressibility and hydraulic conductivity has been observed from the sedimented slurry (consolidated by self-weight) to the heavily consolidated state (up to 1 MPa vertical stress).In parallel with the experimental investigation, analytical and numerical work has been carried out to lay down the fundamentals of particle-scale models for non-active clay, capable of capturing the effect of temperature on mechanical behaviour. This thesis focused on developing a DLVO-based energy-separation function for a pair of finite particles in a generic 6DOF configuration to be implemented and tested in a 2D Coarse-Grained Molecular Dynamics (CGMD) model.Additionally, the energy-separation function was derived numerically for elementary configurations (face-to-face, edge-to-face, and edge-to-edge) to calibrate the Gay-Berne potential energy function largely employed in CGMD simulation of clay particles.This combination of advanced experimental, analytical and numerical studies provides a unique insight into unresolved questions regarding the role of the physicochemical interactions driving the response of fine-grained soils due to thermal loading.