Les propriétés de rétention en eau et leur relation avec les caractéristiques du sol ont fait l'objet de nombreuses études ces trente dernières années. L'objectif de ce travail est d'analyser la validité des fonctions de pédotransfert (FPT) établies avec des sols du territoire national, et de les comparer à celles développées à l'échelle de l'Europe. Les résultats montrent que les FPT établies avec des sols du territoire national conduisent à des prédictions de qualité meilleure ou similaire à celles obtenues avec les FPT établies à l'échelle de l'Europe. Il a été aussi montré que pour des sols du territoire national, des classes de pédotransfert établies par classe de texture (CFPT texturales) ou par classe de texture et de structure (CFPT texturo-structurales) conduisaient à de prédictions de meilleure qualité que celles obtenues avec des FPT beaucoup plus élaborées et réclamant une connaissance détaillée de la composition des sols. La prédiction des propriétés de rétention en eau est améliorée significativement lorsque la teneur en eau volumique à la capacité au champ in situ est utilisée comme prédicteur par classe de texture. Enfin, Les propriétés de rétention en eau ont été discutées pour les sols argileux en fonction de leur état structural à l'échelle des constituants élémentaires (mode d'assemblage des particules d'argile). Les résultats montrent que les propriétés de rétention en eau peuvent s'expliquer par les différences de teneur en argile et de mode d'assemblage des particules composant la phase argileuse.

L'étude des matériaux argileux a de nombreuses applications en génie civil et environnemental. Ces applications, telles que l'enfouissement des déchets nucléaires, les risques naturels liés au gonflement et au retrait des sols, et l'extraction d'hydrocarbures, posent des défis technologiques qui nécessitent de comprendre et de prédire le comportement mécanique des argiles, en particulier sur le long terme. Les argiles gonflantes sont des matériaux complexes, poreux et multi-échelles dont les propriétés sont très sensibles à l'eau. Dans cette thèse, nous cherchons à comprendre l'effet de l'eau sur les propriétés mécaniques à court et long terme des argiles. Notre stratégie est de combiner des simulations numériques à l'échelle du nanomètre et des expériences à l'échelle du micromètre afin de mieux comprendre l'interaction entre ces échelles. Nous avons effectué des simulations moléculaires pour quantifier l'effet de l'eau et du cation interfoliaire sur les propriétés de gonflement, élastiques et de fluage des feuillets d'argile, qui à cette échelle sont inaccessibles à l'expérience. Nous avons également effectué une étude comparative de différents modèles de feuillets d'argile de complexité croissante afin de mieux comprendre les interactions qui régissent la cohésion entre les feuillets d'argile. Nous avons mesuré expérimentalement les propriétés de films d'argile autoporteurs bien ordonnés. Nous avons montré l'effet de l'humidité relative et de la nature du cation interfoliaire sur les déformations de ces films d'argile. En particulier, nous avons quantifié le gonflement de ces films induit par l'humidité en combinant microscopie électronique à balayage environnementale et corrélation d'images numériques. Nous avons également effectué des essais de traction et de fluage sur ces films à humidité contrôlée. Nous avons comparé les données obtenues par nos expériences aux résultats des simulations moléculaires. Cette comparaison permet de discuter les mécanismes élémentaires de déformation et les échelles pertinentes pour la compréhension du comportement hydromécanique des argiles

L’objectif de ce travail est d’étudier les transitions de phases sol-gel et isotrope-nématique dans des suspensions de smectites dioctaédriques en fonction de la morphologie et de la nature minéralogique des argiles. Bien que tous les systèmes étudiés présentent une transition sol-gel à de faibles fraction volumique, la transition cristal-liquide isotrope-nématique n’a pu être identifiée que dans le cas de suspensions de smectites ayant un déficit de charge tétraédrique. L’effet de la localisation de la charge sur le comportement colloïdal a été déterminée à l’aide de la diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS) et par des mesures rhéologiques. La nature des interactions électrostatiques dans ces suspensions est purement répulsive et rejette l’idée d’une structure tridimensionnelle de type « château de carte ». Cependant, les smectites ayant un déficit de charge tétraédrique sont plus répulsives et ont des propriétés viscoélastiques plus faibles que celles ayant un déficit octaédrique. Il a également été montré que la dépendance en taille de particules de la position de la transition sol-gel était liée à une statistique de piégeage hydrodynamique des plaquettes d’argile. Finalement, l’application de champs externes (électrique et magnétique) a permis d’obtenir l’alignement de la phase nématique tandis que dans la phase isotrope, le champ électrique induit un ordre antinématique parfait. Afin de préserver l’ordre induit, ces suspensions ont été polymérisées sous champ permettant l’obtention de nanocomposites orientées et structurés / The aim of this work is to study sol-gel and isotropic-nematic phases transitions in suspensions of dioctahedral smectites depending on the morphology and mineralogical nature of clays. Although all the systems studied exhibit a sol-gel at low volume fraction, the liquid-crystalline isotropic-nematic transition could be identified only in the case of smectites with tetrahedral charge deficit. The effect of charge location on the colloidal behavior was determined using small-angle X-ray scattering (SAXS) and rheological measurements. The nature of electrostatic interactions in these suspensions is purely repulsive and rejects the idea of the so-called “house of card” network. However, smectites with a charge deficit located in the tetrahedron are more repulsive and their viscoelastic properties are lower than octahedrally substituted clays. It was also shown that the particle size dependence of the volume fraction corresponding to the sol-gel transition c was related to a simple statistical hydrodynamic trapping of clay platelets. Finally, the application of external fields (electric and magnetic) has resulted in the alignment of the nematic phase while in the isotropic phase, the electric field induces a perfect antinematic order. To preserve the induced alignment, these suspensions were polymerized under the field to obtain perfectly aligned and patterned nanocomposites

Tout être vivant a besoin d'eau pour survivre. Cette ressource occupe une place importante parmi les éléments nécessaires à la vie sur le globe terrestre. Ainsi, il est essentiel d'avoir accès à une eau parfaitement sécurisée et pure. Ceci représente un des enjeux économique et sociétal majeurs qui ont poussé les acteurs industriels du domaine de l'eau à innover technologiquement pour développer de nouveaux procédés de traitement. Les membranes et les technologies membranaires s'imposent comme une solution innovante de développement durable pour répondre à cette problématique. C'est dans ce cadre que se place ce travail de thèse dont l'objectif est de produire un dispositif de traitement des eaux en valorisant les ressources naturelles libanaises. Les argiles collectées se sont avérées aptes au frittage et la température de calcination permettant d'obtenir un matériau consolidé se situe dans la gamme 950°C - 1200°C. Ces conditions de traitement thermique permettent de conserver une certaine porosité en vue d'une utilisation comme support membranaire. Avant le dépôt de la couche active en carbone bio-sourcé sur ces supports, une filtration préliminaire d'organismes pathogènes a été réalisée. Afin d'éviter la formation de biofilms à la surface des supports en argile, des diffuseurs d'huiles essentielles ont été développés. Ces derniers, connus depuis la haute antiquité pour leurs effets bactéricides et fongicides ont remplacé l'utilisation des antibiotiques pour diverses maladies. Dans ce contexte, des huiles essentielles issues de la lavande, du romarin et de l'origan ont été extraites et diffusées dans l'eau à travers les supports en argile. Parallèlement, des membranes en carbone bio-sourcé ont été réalisées à partir des sous-produits issus des industries agroalimentaires libanaises. Des nanoparticules de carbone ont été synthétisées par carbonisation hydrothermale à partir de déchets de bière puis déposées par spin-coating et slip-casting sur les supports membranaires à base d'argiles et des supports commerciaux de caractéristiques variées. / Providing people worldwide an access to clean and safe water is one of the most motivating scientific and economical challenges of our modern society. Water purification and remediation can be afforded by membrane technology. The preparation of membranes using low-cost and locally-available resources appears as an economically-competitive solution. This drawback may be considered in the framework of a sustainable chemistry approach. In this context, our work is focused on the elaboration of supports and membranes from Lebanese resources. For this purpose, ceramic supports were developed from natural clays. Inorganic bio-sourced carbon membranes were prepared from by-products of the Lebanese agro-alimentary industries.The thermal treatment required to ensure the support adequate properties was fixed around 950°C - 1200°C. Clay supports (flat and tubular) were elaborated by extrusion and roll-pressing of plastic clay green pastes. Before the deposition of the carbon membrane active layer, it was necessary to filtrate bacteria to avoid and/or limit biofouling. Indeed, microorganisms especially bacteria represent a possible cause of human diseases proliferation. Drinkable water should be thus disinfected to ensure the health of the population and notably in the third countries. It is well known that the essential oils extracted from aromatic plants were used as remedies for many diseases, to prevent the possible side effects of antibiotics. In this context, lavender, rosemary and oregano were diffused through clay ceramic supports to prevent all types of bacteria and biomass film growth in the water tanks.At the same time, a sustainable route to carbon membranes was developed using by-products of food industries. Starting from wastes of Lebanon beers, carbon nanoparticles were synthetized by hydrothermal carbonization. The carbon colloids were then deposited on the clay-based supports to form carbon membranes by slip-casting and spin-coating.

L'étude des sols argileux fait l'objet de nombreux travaux motivés par leur rôle dans les processus d'érosion, les catastrophes naturelles et l'agriculture de précision. La caractérisation du contenu en argiles gonflantes du sol est aussi nécessaire pour évaluer la traficabilité d’une région ou le risque de retrait-gonflement des sols, responsable d’engendrer des dégâts sur le bâti. En effet, les argiles gonflantes sont des smectites qu'il faut différencier des autres types d'argiles telles que l'illite ou la kaolinite, en milieu tempéré. Les techniques traditionnelles pour réaliser la cartographie des minéraux argileux des sols sont en général couteuses, financièrement et en temps et sont basées sur des campagnes terrain intensives simultanément à des acquisitions photographiques afin de spatialiser l'information qui reste qualitative. La télédétection hyperspectrale est une technique potentiellement intéressante pour obtenir des cartes d'argile plus précises et à moindre coût. Néanmoins, elle est limitée par le fait que (i) les minéraux sont mélangés de manière intime dans les sols avec d’autres composants; mais aussi que (ii) à l’échelle aéroportée, le signal réfléchi au sein d’un pixel (résolution spatiale de l’ordre du mètre) comprend de la végétation en plus du sol nu. Ces phénomènes de mélange, aux échelles microscopique et macroscopique, rendent difficile l’estimation du contenu en argiles minéralogiques. Le développement des drones ainsi que leur possibilité d'embarquer de nouvelles caméras hyperspectrales couvrant l'ensemble du spectre [0,4 - 2,5 µm] avec une haute résolution spatiale (environ 10 cm) et un signal à bruit élevé ouvrent la voie à un inventaire plus précis des argiles.L'objectif de cette thèse est de montrer l'intérêt de l'utilisation de méthodes de démélange sur des données hyperspectrales à très haute résolution spatiale pour estimer le contenu en minéraux argileux du sol, et plus précisément des argiles responsables du retrait-gonflement, les smectites. Dans un premier temps, les méthodes existantes de détection, de caractérisation des différents types d'argile et d'estimation de leur abondance sont présentées. Les potentialités des méthodes de démélange existantes dans la littérature pour l’estimation du contenu en minéraux argileux des sols sont mises en avant. Dans un second temps, les méthodes de démélange sont utilisées sur une base de données d’images hyperspectrale acquises en laboratoire de mélanges contrôlés minéraux contenant des argiles (montmorillonite, illite, kaolinite) et d’autres minéraux présents dans les sols (quartz, calcite). Comme les minéraux sont mélangés de manière intime, des méthodes de démélange, linéaires et non-linéaires sont décrites et comparées. Néanmoins, les algorithmes non-linéaires ont des performances similaires aux algorithmes linéaires. De plus, l’effet de la variabilité des données sur la précision de l’estimation des abondances a pu être réduit en utilisant des prétraitements spectraux. Dans une dernière étape, la comparaison des méthodes de démélange sont étendues à des mesures en environnement extérieur. Cette analyse repose sur une campagne de mesure en extérieur réalisée pour la mesure d'images hyperspectrales acquises depuis une nacelle (12 m de hauteur environ, 1,5 cm de résolution spatiale), et l’acquisition d’échantillons prélevés et analysés par DRX (données quantitatives des abondances des minéraux) pour validation. Cette dernière phase permet d'analyser l'impact d'un sol naturel (composé d'un mélange minéralogique, des matières carbonées telles que la cellulose, et ayant une rugosité de surface…) sur les méthodes de démélange. Les performances obtenues (moins de 15% RMSE sur l’estimation de la montmorillonite) permettent d’ouvrir des perspectives quant à l’application de ces méthodes sur des capteurs embarqués par drone, pour la cartographie de la traficabilité et de l’aléa de retrait-gonflement des sols. / Clayey soils are studied because of the importance of soils in erosion processes, natural disasters and precision agriculture. Mapping of clay mineralogy is essential for surveying and predicting trafficability and ground instability hazards, such as shrink-swelling, in order to cope with damages caused by expansive soils on infrastructures. Clay minerals in temperate zone soils are mainly divided in smectites, which highly contribute to soil swelling, illite and kaolinite. Geotechnical engineering practice for clayey soils mapping are expensive and time-consuming. Indeed, it is based on field and extensive laboratory studies. In addition, spatial distribution of clay is assessed using aerial photographs and low-scale geological maps. Thereby, small heterogeneities in geological features are rarely detected, and spatial information remains qualitative. Hyperspectral remote sensing could be an alternative to conventional methods for clay mapping. However, this method is limited by two facts: (i) soils are an intimate mixture of minerals, and (ii) vegetation is mixed with bare soil within airborne sensors pixels (meter range of spatial resolution). Those mixtures (at microscopic and macroscopic scales) mask clays specific spectral signatures and limit clay mineral quantification. Recent development in UAV offers new possibilities for carrying hyperspectral cameras in the reflective domain [0.4 – 2.5 µm], and obtaining data with higher SNR and resolution (10 cm). These advances open new perspectives for accurate and less expensive clay maps. This PhD thesis aims to present the potentiality of clay mapping in soils using very-high spatial resolution hyperspectral data, and more specifically, to estimate swelling clay minerals (smectite) abundances. First, existing methods of detection, and abundance estimation of clay minerals are presented. Second, unmixing methods are used on a database of hyperspectral images of controlled mixtures with different abundances of clay minerals, (illite, montmorillonite and kaolinite) and other minerals existing in soils (quartz, calcite). Due to the intimate nature of mixtures, linear and non-linear unmixing methods are described and compared. However, linear and nonlinear algorithms exhibit similar performances. Moreover, the accuracy of estimation of abundances of mineral clay increased using spectral preprocessings. Regarding the third step, field measurements are used to assess clay unmixing methods. This study is based on an outdoor experiment which acquired hyperspectral images from a bucket truck (12 m elevation, 1.5 cm ground sampling distance), and a sampling collection analyzed by XRD (quantitative analysis of mineral abundances) for validation. This step analyzed effects of a natural soil, (with organic matter, a larger diversity of mineralogical components and with surface roughness) on unmixing methods tested with laboratory data. Obtained performances (less than 15% RMSE for montmorillonite estimation) allow perspectives to apply these methods on data obtained with UAV sensors, for trafficability or expansive soils mapping purposes.

La présente étude porte sur les interactions entre deux types de matériaux susceptibles d'être mis en jeu au sein d'un stockage géologique de déchets radioactifs : les matériaux métalliques, constituant notamment le surconteneur de déchets de haute activité, et les matériaux argileux, telle que la roche hôte argileuse. Les interactions entre ces deux matériaux en conditions de stockage pourraient en effet modifier leurs propriétés de confinement initiales. Les travaux présentés ont visé à déterminer l'influence d'hétérogénéités (vides technologiques et fractures) et d'activités bactériennes sur ces interactions, notamment en termes d'évolution de propriétés chimiques et hydrauliques de l'argile. Dans cet objectif, deux expériences intégrées en cellules de percolation ont été mises en œuvre, à 60 °C, pendant 13 mois : la première en présence de deux souches bactériennes (BSR, BFR), la seconde constituant un témoin abiotique. Ces expérimentations ont permis la circulation d'une eau synthétique dont la composition est représentative de celle de l'eau porale de Tournemire au travers d'un compact de fer pulvérulent puis d'une carotte d'argilite du Toarcien de Tournemire, artificiellement fissurée. L'une des deux demi-carottes d'argile contenait également un cylindre de fer massif. Les caractérisations post-mortem (MEB, MEB/EDS, Raman, DRX, tomographie aux rayons X) ont permis d'étudier deux interfaces : l'interface fer pulvérulent/argilite et l'interface fer massif/argilite.Concernant le déroulement des expérimentations, il convient de noter en premier lieu que la fissure a probablement été circulante durant la totalité de l'essai, ce que tendent à confirmer les modélisations couplées chimie/transport avec le code HYTEC. Toutefois, aucune phase néoformée n'a été mise en évidence à son niveau. Par ailleurs, la survie bactérienne dans la cellule biotique a été confirmée au cours de l'expérimentation par le suivi régulier de la population et par une analyse de la diversité génétique à la fin des essais. Une nette diminution de la concentration en sulfates en sortie de cellule confirme l'activité des BSR.Les caractérisations solides en fin d'essais ont mis en évidence dans la zone de fer pulvérulent, avec et sans bactéries, de la magnétite et de la chukanovite, cette dernière étant localisée majoritairement à l'interface avec l'argilite. Une zone enrichie en fer (10 µm) a été identifié à l'interface dans l'argilite. La vitesse moyenne de corrosion du fer pulvérulent a été estimée à 0,2 µm/an (valeur basse). A l'interface fer massif/argilite, deux faciès ont été mis en évidence. Le premier faciès, identifié dans les deux dispositifs, est composé de chukanovite en couche interne et de sidérite en couche externe. L'extension de la perturbation de l'argilite est de l'ordre de 30 µm. Le second faciès, mis en évidence seulement en présence de bactéries, montre la présence de sulfure de fer (mackinawite) et d'avancées locales de corrosion. Enfin, les simulations HYTEC réalisées ont permis de mieux comprendre les mécanismes biogéochimiques observés expérimentalement, notamment l'effet du pH, et de mieux quantifier certains paramètres cinétiques clefs. / This study focuses on the interactions between two materials that may be introduced in a geological disposal of radioactive waste: metallic materials such as the high-level waste overpack, and clay materials such as the clay host rock. Indeed, the interactions between these two materials in such conditions could induce a change of their initial confinement properties. This work aimed at determining the influence of heterogeneities (technological gaps and fractures) and bacterial activities on these interactions, in terms of evolution of chemical and hydraulic properties of clayey materials. To this end, two percolation cells have been conducted during 13 months: the first one with two bacteria (SRB, IRB), the second one without bacteria. These experiments, carried out at 60°C, involved circulating synthetic water representative of the Tournemire pore water through iron powder and through Toarcian artificially cracked argillite from Tournemire. An iron rod was also placed into the argillite. Thus, solid characterizations (SEM, SEM/EDS, Raman, XRD, X-ray tomography) allowed the study of both interfaces: the iron powder/argillite interface and the iron rod/argillite interface.The water probably circulated into the crack during the entire test, which was confirmed by reactive transport modeling with the HYTEC reactive transport code. However, no secondary phase was identified in the crack. In addition, bacteria survival in the biotic cell was confirmed during the experiment by monitoring their population and by analyzing their genetic diversity at the end of the experiment. A strong decrease in sulfate concentration was measured in the output, which confirms the SRB activity.Solid characterization conducted at the end of the experiments have highlighted, with and without bacteria, the occurrence of magnetite and chukanovite in the iron powder, the latter being mainly located close to the argillite interface. In the argillite, a Fe-enriched zone (10 µm) was identified. The mean corrosion rate was estimated at 0.2 µm/y (lower bound). At the iron rod/argillite interface, two corrosion facies were observed. The first, identified in both cells, is mainly constituted of chukanovite in the inner layer and siderite in the outer layer. Extent of the argillite perturbation reaches about 30 µm. The second, only observed with bacteria, highlights the presence of iron sulfide precipitation (mackinawite) and localized corrosion patterns. Finally, HYTEC simulations have enabled us to better understand the observed biogeochemical processes, such as the pH effect, and to better quantify some key kinetic parameters.

Nous avons cherché à comprendre le comportement sous écoulement de suspensions colloïdales d'argiles naturelles. Les particules constitutives de ces argiles ont comme particularité d'être extrêmement anisotropes puisqu'elles se présentent (en moyenne) sous la forme de disques de 200 nm de diamètre pour une épaisseur de 1 nm. Ces matériaux présentent des propriétés mécaniques remarquables parmi lesquelles une forte rhéofluidification ainsi que l'apparition de seuils d'écoulement et ce, pour de très faibles fractions volumiques en particules (environ 1%). Afin de comprendre l'origine de ces propriétés mécaniques, nous avons mis en place un dispositif expérimental permettant d'effectuer simultanément des mesures de viscosité (en cellule de Couette cylindrique) et des mesures de diffusion de rayons-X aux petits angles. Le champ orientationnel de particules 2D très anisotropes en écoulement cisaillé a ainsi été mesuré. En l'absence de cisaillement, et dans la phase de liquide isotrope, les particules s'orientent librement et occupent statistiquement un volume équivalent à celui de la sphère de volume exclu englobant la particule. En appliquant un cisaillement croissant on confine les particules discoïdales, faisant passer progressivement le volume de fluide piégé dans le mouvement moyen des particules de la sphère de volume exclu à un ellipsoïde à double anisotropie. Connaissant le champ orientationnel des particules on peut alors, par le biais d'une relation viscosité - fraction volumique de type Quemada, reconstruire la rhéofluidification de ces suspensions en prenant en compte, non pas la fraction volumique en disques mais celle en ellipsoïdes de confinement / We focussed our interest on the flow behaviour of colloidal suspensions of natural swelling clays. Such systems are strongly anisotropic since the disk-shaped particles in suspensions display an average diameter around 200 nm with a thickness close to 1 nm. Under flow, and for very low volume fractions (around 1%), these materials display remarkable mechanical properties going from quasi-Newtonian liquid to yield stress gel. In order to understand the mechanisms leading to such macroscopic behaviour, we have set up an experimental device that enables us to perform simultaneously viscosity (in a cylindrical Couette cell) and small angles x-ray scattering measurements. Thanks to this Rheo-SAXS device, we measured the orientational field of strongly anisotropic bi-dimensional particles in shear flow. When no shear is applied (and in the isotropic liquid phase), the particles are randomly oriented and occupy statistically a volume equivalent to that of the sphere of excluded volume encompassing the particle. The stronger is the applied shear stress, the more confined are the disk-like particles and consequently the small amount of fluid trapped in the statistical motion of the particles decreases from that of the sphere of excluded volume to that of an oblate ellipsoid with double anisotropy. Thus, knowing the orientational field of the particles (measured by SAXS) and applying an effective approach as the one suggested by Quemada for hard spheres, we tried to rebuild the shear-thinning behaviour of these suspensions by taking the volume fraction in statistical ellipsoid instead of that of disk-shaped particles

L'étude des matériaux argileux a de nombreuses applications en génie civil et environnemental. Ces applications, telles que l'enfouissement des déchets nucléaires, les risques naturels liés au gonflement et au retrait des sols, et l'extraction d'hydrocarbures, posent des défis technologiques qui nécessitent de comprendre et de prédire le comportement mécanique des argiles, en particulier sur le long terme. Les argiles gonflantes sont des matériaux complexes, poreux et multi-échelles dont les propriétés sont très sensibles à l'eau. Dans cette thèse, nous cherchons à comprendre l'effet de l'eau sur les propriétés mécaniques à court et long terme des argiles. Notre stratégie est de combiner des simulations numériques à l'échelle du nanomètre et des expériences à l'échelle du micromètre afin de mieux comprendre l'interaction entre ces échelles. Nous avons effectué des simulations moléculaires pour quantifier l'effet de l'eau et du cation interfoliaire sur les propriétés de gonflement, élastiques et de fluage des feuillets d'argile, qui à cette échelle sont inaccessibles à l'expérience. Nous avons également effectué une étude comparative de différents modèles de feuillets d'argile de complexité croissante afin de mieux comprendre les interactions qui régissent la cohésion entre les feuillets d'argile. Nous avons mesuré expérimentalement les propriétés de films d'argile autoporteurs bien ordonnés. Nous avons montré l'effet de l'humidité relative et de la nature du cation interfoliaire sur les déformations de ces films d'argile. En particulier, nous avons quantifié le gonflement de ces films induit par l'humidité en combinant microscopie électronique à balayage environnementale et corrélation d'images numériques. Nous avons également effectué des essais de traction et de fluage sur ces films à humidité contrôlée. Nous avons comparé les données obtenues par nos expériences aux résultats des simulations moléculaires. Cette comparaison permet de discuter les mécanismes élémentaires de déformation et les échelles pertinentes pour la compréhension du comportement hydromécanique des argiles / The study of clay-based materials has many applications in civil and environmental engineering. These applications include underground nuclear waste disposal, the natural risks associated to the swelling and shrinkage of soils, and the extraction of hydrocarbons. They pose significant technological challenges that require to understand and to predict the mechanical behavior of clays, in particular on the long term. Swelling clays are complex porous multi-scale materials and their properties are very sensitive to water. In this thesis, we aim at understanding the impact of water on the short-term and long-term mechanical properties of clays. Our strategy was to combine numerical simulations at the scale of the nanometer and experiments at the scale of the micrometer to have a better insight of the interplay between these scales. We performed molecular simulations to estimate the effect of water and of the interlayer cation on the swelling, elastic and creep properties of clay layers, which are inaccessible to experiments at this scale. We also carried out a comparative study of various numerical models of increasing complexity in order to better understand the interactions that governs the cohesion between the clay layers. We measured experimentally the properties of well-ordered self-supporting clay films. We investigated the impact of relative humidity and of the nature of the interlayer cation on the mechanical properties of these clay films. In particular, we quantified the humidity-induced swelling of these films by using a combination of environmental scanning electron microscopy and digital image correlation. We also performed tensile tests and creep tests on these films at controlled relative humidity. We compared the data obtained by our experiments to the results of the molecular simulations. This comparison makes it possible to discuss the elementary deformation mechanisms and the scales relevant to the understanding of the hydromechanical behavior of clays

Ce travail est consacré à l‟étude de la stabilité photochimique de nanocomposites polymère / argile en vue de leur insertion dans un système multicouche organique / inorganique pour l‟encapsulation des cellules solaires organiques. L‟objectif est d‟obtenir des films de nanocomposites polymère / argile flexibles, transparents, pouvant être mis en oeuvre par voie liquide, et photochimiquement stables. Dans une première partie, la caractérisation de nanocomposites à base d‟alcool polyvinylique (PVA) a montré leur aptitude à être insérés dans un système multicouche, notamment en ce qui concerne les propriétés barrière aux gaz. L‟étude du comportement photochimique du PVA basée sur l‟identification des produits de dégradation a permis de proposer un mécanisme de photooxydation du PVA et de déterminer les effets du photovieillissement sur les propriétés du film (rugosité, perméabilité, transparence). L‟insertion de nanocharges lamellaires (Montmorillonite, Laponite ou Hydroxydes Doubles Lamellaires) dans le PVA induit des effets différents (prodégradant ou stabilisant) en fonction de la nature de l‟argile (naturelle ou synthétique). Cependant, lors d‟irradiations en absence d‟oxygène, le PVA et les nanocomposites PVA / argile sont très stables. Enfin, l‟encapsulation alternant couche inorganique SiOx et couche organique PVA ou nanocomposite PVA / argile, permet d‟atteindre les niveaux de perméation requis pour les cellules solaires organiques pour des applications nomades. / This work was devoted to the study of the photochemical behavior of polymer / clay nanocomposites with the aim to use these nanocomposites in a multilayer organic / inorganic coating for organic solar cells encapsulation. The goal of this work was to obtain polymer / clay nanocomposite films that are flexible, transparent, which can be processed by solution, and that are photochemically stable. In the first part, the characterization of nanocomposites based on polyvinyl alcohol (PVA) has shown their ability to be inserted into a multilayer system, particularly for gas barrier properties. The study of the photochemical behavior of PVA with the identification of photodegradation products allows us to propose a photooxidation mechanism of PVA and to determine the effects of photoageing on the film properties (roughness, permeability, transparency). The insertion of lamellar nanofillers (Montmorillonite, Laponite or Layered Double Hydroxide) in PVA induces different effects (prodegradant or stabilising) depending on the nature of the clay (natural or synthetic). However, in absence of oxygen, the PVA and PVA / clay nanocomposites are very photostable. Finally, encapsulation alternating inorganic SiOx layer and PVA or PVA / clay nanocomposite layer permits to obtain the permeability levels required for organic solar cells in niche markets (consumer electronics).

Ce mémoire comporte six chapitres. Le premier chapitre passe en revue les problèmes des sols argileux gonflants dans le monde et au Maroc, décrit leurs propriétés physiques et mécaniques, leur nature minéralogique et leur structure, en insistant sur leur comportement lors de l'humidification. Le deuxième chapitre analyse, sur la base des travaux de l'auteur, les différentes pathologies induites dans les bâtiments par le gonflement des sols argileux du Maroc. Les deux chapitres suivants portent sur le calcul des efforts dans les fondations superficielles et de leurs tassements ou gonflements : le chapitre 3 analyse les modifications des contraintes qui sont induites dans les fondations superficielles en béton armé par le gonflement non homogène du sol que provoque l'humidification du massif de sol à partir d'une source d'eau qui peut avoir une position quelconque par rapport à la structure. Le chapitre 4 étudie l'effet de la charge transmise par la fondation sur l'état des contraintes dans le sol et sur les déformations qui se développent en cas d'humidification, qui peuvent être des tassements ou des gonflements suivant les valeurs de la pression de gonflement et de la contrainte verticale dans le sol. Les deux derniers chapitres du mémoire décrivent une étude expérimentale de chargement de fondations superficielles sur des sols gonflants, réalisée dans la ville d'Ouarzazate : le chapitre 5 présente les résultats de l'étude en laboratoire et leur interprétation en termes d'effet de la teneur en eau sur les déformations, la perméabilité et la résistance des sols à deux niveaux sous les fondations. Le chapitre 6 décrit l'expérimentation en vraie grandeur, donne les résultats des essais réalisés sur les quatre fondations superficielles à différents instants du processus d'humidification et de séchage du sol et les interprète à la lumière des résultats des essais de laboratoire et des formules de calcul développées dans les chapitres précédents.