La déshydratation, l’oxydation et la fracturation sont les trois principaux processus couplés subis par l’argilite callovo-oxfordienne recoupée par les galeries du Laboratoire Souterrain de Meuse/Haute-Marne de l'Andra lors de l'excavation de galeries. Une série de forages à différents temps après l'ouverture de la galerie a permis d'étudier l'évolution des perturbations en fonction du temps, jusqu'à 18 mois. Les profils de teneur en eau et les analyses isotopiques montrent une déshydratation en surface des parois d'environ 50%. Le front de déshydratation est rapidement sub-stationnaire car il résulte d'un équilibre entre la recharge par l'eau de la formation et l'évaporation imposée par la pression partielle de l'eau dans l'air de la galerie. La zone perturbée affecte principalement les premiers 70 cm, et ne se fait plus sentir à partir de 1 m 50. L’oxydation des pyrites provoque la formation de fluides sulfatés acides qui dissolvent les minéraux environnants, libèrent dans la solution des ions Ca2+, K+ et Na+ puis lors de la déshydratation de l’argilite, l'évaporation de l'eau porale induit la précipitation de minéraux sulfatés principalement. La dégradation de la matière organique dans les conditions des galeries montre une dégradation limitée, due soit à une oxydation très discrète, soit à une dégradation lente non détectable aux temps courts. Une série d'expérience de mise en équilibre d'eau avec une roche plus ou moins oxydée a permis d'évaluer l'impact de la présence des phases minérales néoformées sur les caractéristiques chimiques des eaux de réhydratation. Cette approche expérimentale a été confrontée aux résultats de modélisation géochimique. Les résultats obtenus permettent de mieux préciser les caractéristiques géométriques, minéralogiques et physico-chimiques de cette zone perturbée qui est susceptible d'évoluer par la suite en condition de réhydratation et d'élévation de température lors du stockage / Dehydration, oxidation, and fracturing are the three main and coupled processes underwent by Callovian-Oxfordian argillite cut by the galleries of the Laboratoire Souterrain of Meuse / Haute-Marne of Andra during the excavation. Several boreholes drilled at different times after the opening of the gallery were used to study the evolution of disturbances with time up to 18 months. Profiles of water content and isotopic analysis show dehydration at the surface of the walls of about 50%. The area of dehydration is rapidly sub-stationary because it results from a balance between the suction by the pore water and the evaporation imposed by the partial pressure of water in the air of the gallery. The disturbed area mainly affects the first 70 cm, and not exceeds 1 m 50. The oxidation of pyrite causes the formation of acid sulphate fluids which dissolve the surrounding minerals in the solution, release Ca2+, K+ and Na+ in the pore water then during the dehydration of argillite, the evaporation of the pore water leads to the precipitation of sulphate minerals mainly. The degradation of organic matter in the galleries shows a limited deterioration due to a very moderate oxidation or the slow degradation is not detectable at short times. Several experiments of equilibration between more or less oxidized samples and water were used to evaluate the impact of the presence of new-formed mineral phases (sulphates) on the chemical composition of the rehydration water. This experimental approach has been compared to results of geochemical modelling. The results obtained allow us to define geometrical, mineralogical and physico-chemical properties of the disturbed zone which could evolve thereafter during rehydration and temperature rise in storage condition

La problématique de cette thèse est l’identification des phénomènes physico-chimiques se produisant entre les roches encaissantes du gisement de sel gemme de Lorraine et des saumures, puis l’étude de leurs effets sur le comportement mécanique. Une démarche multi-échelle a été entreprise : du minéral à l’échelle d’une exploitation en passant par celle des essais mécaniques. La confrontation de la géologie locale avec la géométrie des cavités de dissolution de sel (logiciel GOCAD) au travers de ces roches encaissantes rend compte d’un délitage relativement rapide lorsque les argilites sont au contact d’une saumure de cavité. A l’inverse, l’anhydrite et la dolomie peuvent constituer le toit de cavité pendant plusieurs années, avant de se rompre. Suite à une caractérisation minéralogique, et microtexturale des roches encaissantes (Marnes irisées inférieures et moyennes), une expérimentation de type batch a été mise en œuvre afin de comprendre ces différences: les faciès lithologiques qualifiés de majeurs ont été immergés dans des saumures pendant plus d’un an. Des analyses chimiques et microscopiques ont permis de suivre les modifications minéralogiques et microtexturales. Au contact de saumures saturées en chlorure de sodium, les faciès argileux se délitent en raison de l’hydratation en gypse du minéral anhydrite. Au niveau de l’anhydrite massive, cette hydratation n’affecte qu’une frange superficielle des échantillons, en raison d’une porosité connectée quasi-nulle. En présence d’une saumure de cavité, l’hydratation est promue par la présence de potassium et de strontium en solution. Ces résultats permettent d’expliquer qualitativement la dilatation voire la rupture des éprouvettes d’argilite lors d’essais de fluage en saumures. Le comportement en flexion de l’anhydrite massive ne semble pas être affecté par la présence de saumure, en raison d’une porosité trop faible pour permettre l’accès de la saumure au site réactionnel que sont les cristaux d’anhydrite / The aim of this study is the understanding of the physico-chemical interactions between saturated brine and the rocks (Marnes Irisées inférieures) enclosing the underground salt workings in Lorraine (eastern France), and also the study of their effect on the mechanical behaviour. A multi-scale study was undertaken, from the mineral scale to the one of a salt working. Whereas anhydrite-rich argillites flake quickly with the presence of saturated brine at the border of solutions cavities, the dolomudstone and massive anhydrite don’t and can constitute the top of cavities for several years. In order to explain this difference, these three lithologies were analysed in terms of mineralogy, micro-texture and porous media. Then, samples of argillites and massive anhydrite were immersed in saturated brines for more than one year. Chemical and microscopic analysis testified the hydration of anhydrite crystals into gypsum. This transformation occurs in a superficial way on massive anhydrite; to the contrary, it is located inside the anhydrite-rich argilites. As this transformation induces a volume increasing of 63%, the anhydrite crystals swell. In saturated brine, the water activity is low enough to prevent the swelling of clays such as smectites. Thus, anhydrite swelling might be the responsible of the argillites splitting in a saturated brine environment. The superficial anhydrite hydration on massive anhydrite can be explained by the low values of connected porosity (less than 1%) for this lithology. This results can explain, in a qualitative way, the dilatant behaviour of argilites samples during creep tests with brine. The bending behaviour of massive anhydrite don’t seem to be affected by the presence of brine for one year or less, probably because of the too low porosity of this lithology

The escalating pollution of the environment has been one of the greatest concerns of science in recent years. Industrial advances in agriculture, expansion of chemical industries and a general change in lifestyle all over the world has lead to release of a variety of pollutants into the environment, thus contaminating the atmosphere, water bodies and many soil environments. In general, other than some natural processes, soils are increasingly being contaminated by anthropogenic sources such as leakages from waste containment facilities, accidental spills and industrial operations. Apart from affecting biotic components of the ecosystem, these pollutants greatly affect the performance, behavior and stability of the soil ecosystem, these pollutants greatly affect the performance, behavior and stability of the soil systems, thus causing severe damage to structures founded on them. The hydraulic and/or chemical alterations which allow these polluting substances to move within soil pores lead to physico-chemical decomposition processes, chemical alterations, leaching and ion exchange reactions. Such reactions could also result from natural processes such as weathering; but the effects caused by pollutants occur at faster rates. Soils are composed of clays, silts and sands. Due to charged nature of the particles and their large specific surface, engineering properties of clays are greatly affected by pollutants. The magnitude of these effects can vary significantly depending on the type of soil, the type and concentration of contaminant, duration of interaction and the environmental conditions. Hence, an understanding of contaminant-clay interactions is important for prevention of geotechnical features, if possible, or at least for planning of remedial measures. Understanding these effects and planning remedial measures requires measurement of the affected properties of polluted soils. This may involve the modification of standard test procedures or the development of new test procedures. The main types of contaminants include inorganic acids, alkalis, sulphates, organic contaminants, toxic or phytotoxic metals and combustible substances. All of these are widely used in industries. While the adverse effects of presence of sulphate in alkaline conditions is well known, little information is available on the effect of sulphate in natural soils under acidic environments. Sulphuric acid is widely employed in the production of fertilizers, pharmaceuticals, pigments, rayon, film, iron, steel, explosives, paper and paper industry. It is also used in cleaning, etching, petroleum refining, electroplating, metallurgy, and in lead-acid batteries. Due to its widespread but often improper usage and the difficulty in safe storage, sulphuric acid is often found as a contaminant in natural soils. Sulphuric acid is also generated in natural soils by oxidation by pyrites in the presence of atmospheric oxygen. Hence, an attempt has been made in this thesis to study the behavior of soils containing different clay minerals during acid-sulphate interaction. The effect of sulphate on soils containing calcite, whose presence is quite common, has also been studied. A review of literature suggests that most common geotechnical failures due to contamination occur due to significant changes on the volume change behavior. Also, it is known that severe changes that occur in soil properties can essentially be attributed to mineralogical changes that occur during interaction with pollutants. Therefore, volume change behavior of soil and detailed mineralogical changes and the consequent morphological changes that occur in soils with acid sulphate are studied.

La résistance mécanique des bétons exigée actuellement impose une diminution du rapport eau/ciment et l’utilisation de superplastifiant pour faciliter la mise en œuvre du matériau frais. Les produits de type polycarboxylate sont très efficaces à court terme, mais peuvent mener à une perte rapide de l’ouvrabilité en cas d’incompatibilité liant/superplastifiant. L’objet de ce travail est l’identification des phases cimentaires impliquées dans ces variations rhéologiques. Dans un premier temps, l’écoulement de pâtes superplastifiées est évalué par un rhéomètre muni d’un système de mesure à boule. Les combinaisons compatibles s’écoulent selon le modèle de Bingham. Une incompatibilité entraîne soit une augmentation du seuil d'écoulement et de la viscosité plastique, soit une évolution des propriétés rhéologiques en un fluide d’Herschel-Bulkley. Dans un deuxième temps, des combinaisons ciment/superplastifiant sont caractérisées par des essais rhéologiques. L’évaluation du raidissement de pâtes et la caractérisation chimique des ciments hydratés montrent que la consistance est liée à la quantité et à la microstructure de l’ettringite formée. Ces paramètres dépendent de la phase aluminate et des sulfates de calcium initialement présents. Enfin, l’étude de systèmes cimentaires de synthèse établit que la solubilité des sulfates de calcium en présence de superplastifiant est augmentée du fait, vraisemblablement, de la complexation des ions Ca2+ par les polycarboxylates. La variété orthorhombique de la phase aluminate plus réactive que la variété cubique, mène, quant à elle, à la formation d’une quantité importante d’ettringite en forme d’aiguilles / Currently required concrete strength imposes a lower water/cement ratio and use of superplasticizer to make easier the fresh material implementation. Polycarboxylate type products are very effective in the short term but can lead to a fast loss of workability in case of binder/superplasticizer incompatibility. The object of this work is the identification of cementitous phases involved in these rheological variations. Initially, flow of various superplasticized pastes is evaluated by a rheometer fitted with a ball measuring system. Compatible combinations flow like a Bingham’s fluid. An incompatibility results in an increase of yield stress and plastic viscosity or rheological properties evolution into Herschel-Bulkley’s fluid. Then, cement/superplasticizer combinations are characterized by rheological tests. Stiffening assessment of pastes and chemical characterisation of hydrated cements show that consistency is associated with amount and microstructure of formed ettringite. These parameters depend on initially present aluminate phase and calcium sulphates. Finally, study of synthetic cementitous systems states that calcium sulphates solubility, in presence of superplasticizer, is increased probably because Ca2+ ions complexation by polycarboxylates. As for the orthorhombic variety of aluminate phase, more reactive than cubic variety, it leads to a large amount of needle-shaped ettringite