Dégradation multi échelle des matériaux granulaires cimentés

Multiscale degradation of cemented granular materials

• Auteur / Autrice : Georgia Laskari
• Direction : Alessandro Tengattini
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : MG - Mécanique, génie civil
• Date : Inscription en doctorat le 05/01/2026
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Sols, Solides, Structures et Risques

Mots clés

Mots clés libres

Dégradation

Matériaux granulaires cimentés

Multi échelle

Degradation

Cemented granular materials

Multiscale

Résumé

Les matériaux granulaires cimentés, comprenant les grès naturels et les sables artificiellement cimentés, sont courants tant dans les formations naturelles que dans les structures construites par l'homme. Leur comportement mécanique est très hétérogène, résultant des interactions entre les grains individuels et le ciment qui les lie. Les principaux processus micromécaniques régissant leur dégradation sont les dommages du ciment, le concassage des grains et le réarrangement des fragments. Les dommages du ciment correspondent à des microfissures ou au décollement du ciment, le concassage des grains désigne la fragmentation des particules, et le réarrangement des fragments traduit le déplacement et la rotation des grains, influençant directement les propriétés macroscopiques telles que la rigidité, la résistance et la ductilité. Les modèles constitutifs récents inspirés de la micromécanique intègrent des variables internes représentant ces processus, reliant les phénomènes microscopiques à la réponse macroscopique. La validation expérimentale reste cependant difficile. La tomographie par rayons X (CT) permet d'observer fissures, vides et réarrangements de grains, mais elle ne distingue pas toujours clairement les dommages du ciment du concassage des grains. L'utilisation combinée de la tomographie par rayons X et de la tomographie neutronique apporte des informations complémentaires, les neutrons étant sensibles à la composition chimique et révélant les altérations des ponts de ciment et de la microstructure. Des essais triaxiaux sur des grès artificiels utilisant ces deux modalités permettent de suivre simultanément l'évolution microstructurale et la réponse mécanique. L'analyse avancée des images, incluant segmentation et corrélation, permet de quantifier la distribution des dommages et leur impact sur le comportement du matériau. En complément des expériences, des simulations numériques multi-échelles sont employées pour étudier les mécanismes de dégradation. La méthode des éléments discrets (DEM) modélise la microstructure granulaire et les interactions entre particules, y compris leur fragmentation, tandis que la méthode des éléments finis (FEM) représente la réponse macroscopique. La création de microstructures numériques basées sur la tomographie, l'utilisation de lois de contact réalistes et l'analyse spatiale de l'évolution microstructurale permettent de relier les dégradations microscopiques aux comportements macroscopiques. Cette approche intégrée améliore la compréhension des processus complexes gouvernant la réponse mécanique des matériaux granulaires cimentés et permet des prédictions plus fiables ainsi qu'une meilleure conception des structures naturelles et artificielles.

Cemented granular materials, including natural sandstones and artificially grouted sands, are common in both natural formations and engineered structures. Their mechanical behavior is highly heterogeneous, governed by interactions between individual grains and the cement binding them. The main micro-mechanical processes controlling degradation are cement damage, grain crushing, and fragment rearrangement. Cement damage involves micro-cracking or debonding within the cement phase, grain crushing refers to particle fragmentation, and fragment rearrangement reflects the displacement and rotation of grains, all of which influence the macroscopic response, including stiffness, strength, and ductility. Recent micro-mechanics-inspired constitutive models incorporate internal variables representing these processes, linking micro-scale phenomena to macroscopic behavior. Experimental validation, however, remains challenging. X-ray computed tomography (CT) is widely used to observe cracks, voids, and particle rearrangement, but it cannot fully distinguish cement damage from grain crushing. Complementary imaging techniques are therefore needed. Combining X-ray and neutron tomography provides richer information, as neutrons are sensitive to chemical composition, revealing changes in cement bridges and material microstructure that X-rays alone cannot detect. Triaxial loading experiments on artificial sandstones using both modalities allow simultaneous monitoring of microstructural evolution and material response. Advanced image analysis techniques, including segmentation and correlation, enable quantification of damage distribution and its effect on material behavior. Complementing experiments, multi-scale numerical simulations are used to study degradation mechanisms. Discrete element methods (DEM) model the granular microstructure and particle interactions, including fragmentation, while finite element methods (FEM) represent the macroscopic response. Tomography-based numerical microstructures, realistic bond damage models, and spatial analyses of microstructure evolution allow researchers to connect micro-scale degradation to macro-scale behavior. This integrative approach advances understanding of the complex processes governing the mechanical response of cemented granular materials, supporting more accurate predictions and improved design of natural and engineered structures.