Thesis (Ph. D.)--Missouri University of Science and Technology, 2009. / Vita. The entire thesis text is included in file. Title from title screen of thesis/dissertation PDF file (viewed August 21, 2009) Includes bibliographical references.

Ce travail de thèse s’est inséré dans la problématique du stockage de déchets radioactifs en formation argileuse profonde. Il porte en particulier sur l’étude de la fissuration hydrique induite par la désaturation et resaturation de la roche en paroi des galeries de la station expérimentale de Tournemire (Averyon, France). Cette étude a visé à identifier les déterminismes microstructuraux et minéralogiques de la fissuration hydrique des argilites de Tournemire, en couplant au laboratoire la Corrélation d’Images Numériques (CIN) et la Microscopie Electronique à Balayage (MEB). Deux échantillons d’argilite de Tournemire ont été soumis à des variations d’humidités différentes par chocs et par paliers progressifs. La CIN a permis de mettre en évidence l’influence de l’humidité et de la teneur en eau sur l’amplitude de l’ouverture des fissures et des déformations à différentes échelles. Cette étude a également permis de mettre en lumière l’influence du chargement hydrique sur l’organisation des réseaux de fractures. Une cartographie minéralogique sur un champ plurimillimétrique en haute résolution a été également mise en œuvre au MEB sur ces deux échantillons d’argilites. Cette cartographie a permis d’apporter des données qualitatives et quantitatives sur l’anisotropie microstructurale et minéralogique de la roche argileuse et de proposer une estimation de la surface élémentaire représentative du système grain/matrice pour des zones à tendance argileuse.Le couplage de la CIN avec le MEB a révélé l’importance des hétérogénéités microstructurales relatives à la proportion, taille, élongation et orientation moyennes des inclusions rigides présentes dans la matrice argileuse de la roche, sur la localisation des fissures hydriques. / This study is included in the issues of a nuclear waste storage in deep geological clay formations. It concerns the cracking phenomenon due to desaturation and saturation processes of the argillaceous medium on gallery walls of the Underground Laboratory of Tournemire (Aveyron, France). The work presented here aims to identify in laboratory the different mineralogical factors which control the cracking generated by humidity variations, coupling two methods: the Digital Image Correlation (DIC) and the Scanning Electron Microscopy (SEM).Two clay rock samples were submitted to swelling/shrinkage processes by fast bumps or gradual humidity variations. The DIC method enabled to reveal the influence of humidity and water content on crack widths and deformations intensity to different scales. This study highlighted the part of humidity variations on evolution and width of crack networks while comparing the results obtained by different conditions of humidity variations.A mineralogical map was investigated on a millimeter field with high resolution on two clay rock samples. It allowed to: quantify the microstructural anisotropy of the rock, and estimate the size of a representative elementary surface of a microstructural system composed of coarse grains and clay matrix, for argillaceous areas.The DIC-SEM approach has shown the closed relation between the location of microstructural heterogeneities such as local proportion of coarse grains and clay matrix, medium size, length ratio and orientation of coarse grains, with the position of the hydric cracks.

La gestion des déchets radioactifs est une question environnementale importante, en particulier dans les pays où l'énergie nucléaire est générée. L'Andra (Agence Nationale pour la gestion des Déchets RAdioactifs) étudie la solution d'un stockage géologique profond dans un couche d'argilite Callovo Oxfordienne (COx). L'étanchéité des galeries souterraines est partiellement assurée par une barrière mécanique en béton qui est directement en contact avec l'argilite. Tels projets nécessitent une prédiction de déformations irréversibles dans le temps sur une grande échelle, afin d'évaluer la durabilité de l'accouchement. Même si les propriétés physiques de la plupart des matériaux impliqués (argilite et béton par exemple) sont maintenant raisonnablement connues, ils existent que quelques études sur le comportement des interfaces de contact entre ces matériaux. Ce sujet est d'une grande importance pour prédire une durée de vie provisoire des installations de stockage de déchets nucléaires.Au cours de cette thèse, le comportement mécanique de l'interface argilite / béton a été étudié. Le Callovo Oxfordian est considéré comme une barrière géologique idéale grâce à sa très faible perméabilité. Cependant, son comportement est gouverné par un couplage thermo-hydro-mécanique de haute complexité, qui est en cours d'investigation avec des expériences en laboratoire et textit{in-situ}. Avec la préparation des échantillons d'interface, une étude courte sur l'absorption d'eau liquide dans la non-confinée argilite, a été réalisée. Afin de caractériser le comportement à court terme de l'interface, plusieurs essais de cisaillement direct ont été effectués sous différentes conditions limites, en utilisant le dispositif expérimental BCR-3D situé dans 3SR.Pour l'étude du comportement mécanique à long terme de l'interface, la conception et développement d'un nouvel appareil expérimental. Une des parties les plus importantes de ce travail, comprend la conception et le développement de SInC Box - Shearing Interfaces Creep Box - un dispositif original pour l'étude des déformations différées des interfaces. Plusieurs essais de fluage ont été effectués sur des éprouvettes d'interface, permettant d'étudier le comportement différé de l'interface en cisaillement. Le comportement mécanique post-fluage de l'interface argilite / béton a également été exploité. Les résultats expérimentaux de la réponse différé ont également été analysés selon des modèles analytiques viscoélastiques et simulations numériques. / The management of radioactive waste is an important environmental issue, in particular in the countries where nuclear power is generated. In Eastern France, The French National Radioactive Waste Management Agency (ANDRA) is investigating the behaviour of a deep geological repository in Callovo Oxfordian clay-rock (COx). The sealing of the underground repository tunnel, is partly ensured by a mechanical barrier made of concrete, directly in contact with the rock. Such projects require prediction of irreversible deformations over a large time scale, in order to assess the durability of the confinement. Even though the physical properties of most of the materials involved (rock and concrete for example) are now reasonably known, there have been only a few studies of the behaviour of the contact interfaces between these materials. This subject is of great importance for predicting a tentative life-time of nuclear waste storage facilities.During this PhD work the mechanical behaviour of the clay-rock/concrete interface has been investigated. The Callovo Oxfordian is considered as an ideal geological barrier because of its extremely low permeability. However, it is governed by a thermo-hydro-mechanical behaviour of high complexity, which is continuously under investigation with both laboratory and in-field experiments. The preparation of the interface samples involved a short study on the liquid water uptake in the unconfined clay-rock. In order to characterise the short-term behaviour of the interface, direct shear tests have been performed under different boundary conditions, using the BCR3D experimental device located in 3SR.The investigation of the long-term mechanical behaviour of the interface required the design of a new experimental apparatus. One of the most important parts of this study includes the conception and development of SInC Box -- Shearing Interfaces Creep Box -- an original device for the study of delayed deformations of interfaces. Different sets of creep tests have been performed on the interface samples allowing the investigation of the interface's delayed behaviour in shear. The post-creep mechanical behaviour of the clay-rock/concrete interface has also been exploited exhibiting great interest. The experimental results of the delayed response have been further analysed using analytical visco-elastic models and numerical simulations.

Dans le contexte de stockage des déchets radioactifs en profondeur, des interactions entre le fer métal d’une part et la roche du Callovo-Oxfordien (COx), sa fraction argileuse purifiée (SCOx) ou des phases argileuses pures (kaolinite, illite, smectites) d’autre part, sont réalisées à 90°C sous atmosphère anoxique en solution chlorurée-salée. Le rôle des minéraux non argileux du COx est également étudié. L'oxydation rapide du fer métal entraine une libération d’ions fer en solution, une augmentation du pH et une diminution du Eh (réducteur). Une dissolution partielle des phases argileuses ainsi que la précipitation de serpentines ferrifères (odinite ou berthiérine, principalement) et de magnétite en faible quantité sont alors observées. En cas d’apport d'O2 au système, les serpentines ferrifères sont déstabilisées. L'exsolution du fer permet la formation d'oxydes et d’hydroxydes de fer et des particules argileuses proches des phases initiales précipitent. Lorsque du quartz est ajouté à SCOx, la dissolution partielle de ce minéral est responsable de la modification des chemins réactionnels. La formation de magnétite est alors limitée et les serpentines ferrifères sont enrichies en silice. Dans le cas de la kaolinite, DRX, MET, XPS et analyses texturales mettent en évidence la croissance des serpentines ferrifères (berthierines majoritairement) sur la surface basale des kaolinites, formant des particules kaolinite-serpentines-Fe démixées. Les techniques spectroscopiques (Mössbauer, XAS et STXM) permettent de déterminer les rapports Fe2+/Fe3+ et AlIV/AlVI jusqu'au niveau des particules élémentaires et de proposer des formules structurales pour ces serpentines ferrifères / In the context of underground disposal of high-level radioactive waste, interactions between metallic iron and Callovo-Oxfordian rock (COx), its purified clay fraction (SCOx) or pure clay phases (kaolinite, illite, smectites) were investigated at 90°C under anoxic atmosphere in chlorine solution. Role of COx non clay minerals in these reactions was also studied. Rapid metallic iron oxidation conducts to iron cations release in solution, pH increase (8-10) and Eh decrease (reducive conditions). The partial dissolution of initial clay phases and the crystallization of Fe-serpentines (odinite or berthierine mainly) and of low amount of magnetite were observed. The introduction of O2 into the system leads to Fe-serpentines destabilisation. Iron exsolution conducts to iron oxides and hydroxides formation and clay particles with composition close to the initial ones precipitate. Addition of quartz into the system leads to the partial dissolution of this mineral and to the modification of reaction pathways. Precipitation of magnetite is reduiced and Fe-serpentines are silica enriched. In the case of kaolinite-metallic iron interaction, combinated used of XRD, MET, XPS and textural analyses evidences the growth of berthierine on the basal face of kaolinites, resulting in Fe-serpentine-kaolinite demixed particles. Through the used of spectroscopic analyses (Mössbauer, XAS and STXM), we were able to determine Fe2+/Fe3+ and AlIV/AlVI ratio in elementary particles, which allows proposing structural formulae for the Fe-serpentines

Dans le contexte du stockage profond des déchets radioactifs de haute et moyenne activité à vie longue en France, l’argilite de Bure (Arg) a été choisie comme roche hôte notamment pour ses propriétés de rétention des radionucléides. Or, cette roche argileuse dite du Callovo-Oxfordien (COx) contient naturellement de la matière organique (MO). Le but de cette thèse est d’évaluer l’influence de la MO naturelle mobile sur la rétention sur l’argilite de l’europium, analogue classique des actinides trivalents des déchets vitrifiés. Trois molécules organiques sont étudiées : les acides subérique, sorbique et tiglique, acides organiques de faible poids moléculaire identifiés dans l’eau porale naturelle du COx. Toutes les expériences ont été réalisées dans un milieu simulant l’eau du COx (pH=7,5 ; I=0,1 mol/L ; PCO2 =10^(-2) bar).La caractérisation de notre échantillon d’argilite montre sa conformité avec les études précédentes de la zone d’intérêt et que le pH de 7,5 est incontournable pour ne pas dénaturer la roche. L’étude du système Eu-MO montre que les acides organiques n’ont pas d’influence sur la spéciation de l’europium dans l’eau de COx. L’étude expérimentale de l’interaction Eu-Arg confirme que la rétention se fait par sorption sur l’argilite (CEu<6.10-6mol/L) et précipitation dans l’eau de COx (CEu>6.10^(-6)mol/L). Le coefficient de distribution Rd, qui quantifie la sorption, est de 170 ± 30 L/g, valeur élevée conforme aux valeurs documentées sur des argilites naturelles. Enfin, l’étude du système ternaire Eu-MO-Arg montre une légère augmentation de la rétention de Eu en présence de matière organique. Cet effet synergique est très satisfaisant du point de vue de la sûreté du stockage : la présence de ces petits acides organiques naturels ne remet pas en question les propriétés de rétention de l’argilite vis-à-vis de l’europium et des actinides trivalents. / Bure clay rock (CR) was chosen as host rock for the French high and intermediate level long lived radioactive waste repository. This choice is mostly explained by the retention ability of the Callovo-Oxfordian rock (COx). Bure clay rock contains natural organic matter (OM) that could have an influence on radionuclide retention. The aim of this work is to assess the influence of natural mobile OM on the retention of Eu on clay rock. Eu was chosen as a chemical model for trivalent actinides contained in vitrified waste. Three organic molecules were studied: suberic, sorbic and tiglic acids, small organic acids identified in COx pore water. All the experiments were carried out in an environment recreating COx water (pH=7.5 ; I=0.1 mol/L ; PCO2 =10^(-2) bar).Clay rock sample characterization showed that the sample used in this work was similar to those previously extracted from the area of interest and that it was necessary to maintain pH at 7.5 to avoid altering the clay rock. The Eu-OM system study indicated that organic acids had no influence on Eu speciation in COx water. The Eu-CR system experimental study confirmed that retention implied sorption on CR (CEu<6.10^(-6)mol/L) and precipitation in COx water (CEu>6.10-6mol/L). Distribution coefficient Rd (quantifying sorption) was estimated at 170 ± 30 L/g. This high value is consistent with literature values obtained on clay rocks. The ternary Eu-OM-CR system study showed a slight increase of sorption in the presence of organic matter. This synergistic effect is very satisfactory in terms of storage security: the presence of small organic acids in clay rock does not question retention properties with respect to europium and trivalent actinides.