De nos jours le développement durable et les mesures de protection pour l'environnement se développent avec des conséquences importantes pour la gestion des ressources naturelles. Les aménagements du territoire, et particulièrement les travaux de terrassements, sont directement concernés par ces nouvelles directives avec un objectif de " zéro apport-zéro déchet " de matériaux. Cependant les sols naturels, et notamment les sols argileux, ne satisfont pas les critères géotechniques. Plusieurs chantiers de terrassements dans le Nord-Ouest de la France rencontrent des difficultés avec des sols fins résultants de l'altération de sédiments du massif Armoricain ne satisfaisant pas les exigences mécaniques et de stabilité, même traités classiquement avec de la chaux et / ou des liants hydrauliques. L'approche multi-échelle mise en œuvre dans ce travail nous a mené à caractériser la forte sensibilité à l'eau de ces matériaux, propriété critique pour la réalisation de déblais notamment. Un effet composite entre les minéraux de kaolinite et de muscovite à l'origine de cette sensibilité à l'eau a été mis en évidence par l'étude des interactions en suspension de ces deux minéraux. Les gains de cohésion des matériaux développés lors de leur traitement à la chaux permettent d'envisager leur valorisation sur chantier en respectant quelques précautions. La discussion de la nature des différentes forces de cohésion dans les matériaux naturels et traités permet de proposer plusieurs hypothèses pour expliquer l'évolution particulière des performances mécaniques de ces matériaux par rapport aux sols développant classiquement de bonnes performances.

Le but de ces travaux était d'étudier les mécanismes de gonflement et de dissolution des fibres de cellulose en faisant varier la qualité du solvant (N-methylmorpholine-N-oxide avec différentes quantités d'eau et solutions aqueuses de NaOH à 8%), les conditions de dissolution, comme la tension, et l'origine des fibres (coton, bois, fibres régénérées ou dérivées). Les mécanismes de gonflement et de dissolution ont été étudiés par des observations microscopiques à haute résolution. Une séparation sélective des fractions solubles et insolubles a été réalisée par centrifugation. La distribution de masse molaire, la cristallinité, la composition en sucre, l'allomorphie et la quantité de chaque fraction ont été analysées. A partir de ces résultats, nous avons pu mieux décrire les mécanismes de gonflement et de dissolution des fibres de cellulose et ainsi identifier les principaux paramètres gouvernant la dissolution. Nos résultats montrent que les caractéristiques structurales et moléculaires des fibres de cellulose ainsi que les paramètres de procédés doivent être mieux contrôlés afin d'améliorer la dissolution. (i) Les paramètres de procédés concernent la convection du solvant et la possibilité de mouvements des fibres dans le solvant, (ii) les paramètres structuraux concernent la suppression des parois externes, la déstructuration des parois internes et la suppression sélectives des hémicelluloses, (iii) les paramètres moléculaires concernent la thermodynamique, comme la longueur des chaînes, la cristallinité mais aussi l'amélioration de la mobilité conformationelle des chaînes.

La présence de plusieurs formations argileuses affleurantes ou sub-affleurantes en région parisienne classe cette région parmi les plus vulnérables au phénomène de retrait-gonflement. Deux formations sont plus particulièrement concernées : les Argiles vertes de Romainville et les Marnes bleues d'Argenteuil. Ce mémoire est consacré à l'étude du comportement du retrait-gonflement de ces sols à partir d'une analyse menée au laboratoire, des caractéristiques minéralogiques, microstructurales, géotechniques et hydromécaniques. Les résultats obtenus mettent en évidence une différence de comportement entre les deux sols étudiés et soulignent l'importance de la présence et de la nature des minéraux argileux et de la texture du sol, sur le phénomène de retrait-gonflement et sur les transformations microstructurales qui en découlent. Ils montrent aussi le rôle joué par les carbonates, la cimentation et les conditions initiales sur les sols intacts ou remaniés lors des échanges hydriques. Enfin, l'influence des cycles de séchage/humidification sur le comportement hydromécanique des sols étudiés a été analysée. Les résultats montrent qu'au cours des cycles successifs de sollicitations hydriques, alors que les échantillons de sol présentent une augmentation du taux de gonflement cumulé, une stabilisation des déformations de chacun des cycles est atteinte au bout du troisième ou quatrième cycle. Ces résultats sont en relation avec une réorganisation de la microstructure mise en évidence par l'analyse microstructurale (MEB, porosimétrie).

Dans le cadre de la problématique de l'Interaction entre la Pastille et la Gaine (IPG) d'un crayon combustible, il est nécessaire d'avoir une bonne description du comportement thermomécanique du combustible. Lorsque le combustible est soumis à de fortes variations de puissance, une des principales sollicitations provient du phénomène de gonflement gazeux induit par l'irradiation. En effet, le combustible est un milieu poreux contenant différents types de cavités et l'accumulation de produits de fission sous forme gazeuse dans toutes ces cavités entraîne un gonflement de la pastille. Or, ce gonflement gazeux va impacter le comportement mécanique de la pastille et particulièrement son comportement viscoplastique. Afin d'améliorer la description de ce comportement, il a été nécessaire de développer un modèle micromécanique capable de coupler deux types de modélisation relativement autonome : la physico-chimie simulant les transferts de gaz entre les différentes cavités et la mécanique estimant les déformations viscoplastiques du combustible. Ce travail de thèse consiste à mettre en relation ces deux disciplines à partir des cavités présentes dans le combustible : la mécanique calcule une évolution de la fraction volumique de cavités en tenant compte de leurs pressions et la physico-chimie tient compte de l'évolution de la fraction volumique des cavités pour calculer une pression interne cohérente. Afin de pouvoir décrire une microstructure beaucoup plus riche, un nouveau modèle micromécanique a été développé en utilisant une approche multi-échelles et qualifié pour la description du comportement viscoplastique du combustible nucléaire.

La réaction sulfatique interne est une pathologie qui affecte certains bétons hydrauliques ayant subi une élévation de température excessive au jeune âge. La formation tardive d'ettringite provoque un gonflement du béton, incompatible avec la rigidité du matériau et sa faible capacité en extension, ce qui engendre des fissurations dans la structure et des déformations différentielles incompatibles avec le fonctionnement en service de l'ouvrage. Le mécanisme de la réaction est assez complexe et il ne fait pas encore l'objet d'un accord complet dans la littérature. La description phénoménologique des gonflements nécessite la prise en compte de nombreux paramètres (composition du béton, conditions environnementales, histoire thermique et hydrique du béton...). Les modélisations proposées sont peu nombreuses, elles cherchent surtout à estimer l'amplitude finale maximale des gonflements et ne permettent pas de calculer l'état actuel d'un ouvrage où la réaction progresse plus ou moins en fonction du couplage avec les différents paramètres influents. S'appuyant sur ces constats et la nécessité de gérer les ouvrages atteints en prévoyant leur évolution, la présente recherche vise à développer une modélisation des effets mécaniques de la formation différée d'ettringite qui permette d'estimer l'état mécanique d'une structure atteinte. On présente donc une modélisation chimico-mécanique, formulée à l'échelle macroscopique. Le modèle est basé sur une approche thermodynamique décrivant la formation d'un cristal à l'intérieur d'un milieu poreux. Le comportement mécanique se trouve couplé à l'évolution d'une variable chimique décrivant l'avancement de la réaction, ce qui se traduit à chaque pas de temps par une déformation chimique imposée. L'amplitude et l'évolution de cette déformation sont décrites par une loi sigmoïdale modifiée dont les paramètres sont liés à la composition du béton et peuvent être identifiés expérimentalement dans des conditions standardisées. La valeur de calcul de la déformation chimique imposée tient également compte de l'histoire thermique au jeune âge du béton (qui a un effet sur le gonflement potentiel) et des conditions environnementales (température et humidité) qui ont un effet sur l'amplification des gonflements à chaque pas de temps. Un programme expérimental spécifique a permis de confirmer quantitativement le couplage proposé entre le potentiel d'expansion et l'histoire thermique au jeune âge. Le modèle est également écrit pour tenir compte de l'effet de la contrainte sur l'anisotropie du gonflement, qui constitue un phénomène important à l'échelle des ouvrages atteints, du retrait de séchage et de l'endommagement du module de Young en fonction de la déformation chimique induite par la réaction. Ce modèle a été implémenté dans le code de calcul CESAR-LCPC sous le nom RGIB, en intégrant et élargissant les fonctionnalités du module ALKA destiné aux structures atteintes d'alcali-réaction et constituant ainsi un nouveau module destiné au recalcul des structures atteintes de réaction de gonflement d'origine interne. On a appliqué ce module au recalcul de deux ouvrages ou parties d'ouvrages réels, afin de prédire leur comportement. On a adopté dans notre présentation des résultats une démarche progressive qui permet d'illustrer les différentes fonctionnalités du module. Les résultats trouvés sont satisfaisants et leur comparaison aux résultats in-situ montre une bonne coïncidence. Si le modèle proposé dans ce module RGIB rend compte des connaissances actuelles sur la RSI et ses effets, il met aussi en évidence les manques de connaissance quantitative sur cette réaction et les couplages qui l'influencent et l'importance de calibrages appropriés pour un recalcul précis des ouvrages atteints.

Les émissions de CO2 dans l'atmosphère sont reconnues comme ayant un effet significatif sur le réchauffement climatique. Le stockage géologique de CO2 est largement considéré comme une approche essentielle pour réduire l'impact de telles émissions sur l'environnement. De plus, injecter du dioxyde de carbone dans les veines de charbon remplies de méthane présent naturellement facilite la récupération de ce méthane, un processus connu sous le nom de récupération assistée du méthane des veines de charbon (ECBM en anglais). Mais le gonflement de la matrice de charbon induite par l'adsorption préférentielle de dioxyde de carbone par rapport au méthane conduit à la fermeture du système de cleats (un ensemble de petites fractures naturelles) du réservoir et donc à une perte d'injectivité. Cette thèse de doctorat est consacrée à l'étude de comment cet injectivité évolue en présence de fluides. Nous dérivons deux modèles poromécaniques à double porosité pour une veine de charbon saturée par un liquide pur. Les équations constitutives obtenues permettent de mieux comprendre et modéliser le lien entre injectivité de la veine de charbon et gonflement du charbon induit par l'adsorption. Pour les deux modèles, on considère l'espace poreux du réservoir comme divisé en les cleats macroporeuses et les pores de la matrice de charbon. Les deux modèles diffèrent dans la manière dont l'adsorption de fluide est prise en compte : le premier modèle est limité à une adsorption surfacique, tandis que le deuxième modèle peut être appliqué à l'adsorption dans un milieu possédant un réseau poreux générique, et donc dans un milieu microporeux comme le charbon, pour lequel l'adsorption se déroule principalement par remplissage de micropores. Le second modèle est calibré sur deux charbons avec des propriétés de sorption et de gonflement différentes. Nous effectuons alors des simulations à différentes échelles (du Volume Élémentaire Représentatif, de l'échantillon de charbon, la veine de charbon). En particulier, nous validons notre modèle sur des données expérimentales de variations de perméabilité de charbon induites par l'adsorption. Nous effectuons aussi des simulations de veines dont le méthane serait produit (un processus connu sous le nom de CBM en anglais) ou de veines sans méthane dans lesquelles du CO2 serait injecté. Nous étudions l'effet de différents paramètres tels que les conditions aux limites, la compressibilité de la matrice de charbon, ou la cinétique de transfert de liquide entre les cleats et la matrice de charbon. Dans une dernière partie, le modèle dérivé est étendu aux cas pour lesquels le charbon est en présence de mélanges fluides binaires tels que les mélanges de méthane et le dioxyde de carbone. Nous calibrons entièrement calibré ce modèle étendu sur des données disponibles obtenues expérimentalement et par simulations moléculaires. Des calculs sont alors effectués à l'échelle d'un Volume Élémentaire Représentatif pour prévoir comment sa porosité et sa perméabilité varient en présence de mélanges fluides de méthane et de dioxyde de carbone

Le processus de retrait-gonflement des sols argileux est à l'origine des dommages au bâti durant les périodes de sécheresse. Dans cette thèse, les processus de retrait-gonflement de deux formations de sol argileux en France qui sont les Argiles Plastiques du Sparnacien et l'argile d'Héricourt du Lias sont étudiés à différentes échelles et différents états (intact, remanié, compacté et traité à la chaux) en considérant spécialement le rôle de la microstructure. Pour ce faire, une partie de la recherche est réalisée sur la caractérisation des sols étudiés pour analyser leurs propriétés minéralogiques, microstructurales, géotechniques et hydriques par rapport à leur propriété de retrait-gonflement. La deuxième partie de la recherche est consacrée à l'analyse des processus de gonflement, de retrait, de fissuration des sols au cours d'un cycle simple ou de cycles répétés d'humidification-séchage à l'échelle de l'éprouvette. Les processus de retrait-gonflement de sol à une échelle plus grande sont étudiés dans la troisième partie en réalisant les essais d'infiltration et d'évaporation dans une chambre environnementale. Les résultats obtenus mettent en évidence les différences de comportement au retrait-gonflement pour différents états des sols étudiés. Les minéraux argileux ainsi que le quartz, les carbonates et des hydrates, mais aussi la microstructure des sols contrôlent ces phénomènes de retrait-gonflement lors des échanges hydriques. Tous les changements de volume de sol argileux au cours de gonflement-retrait sont gouvernés principalement par la famille de pores inter-agrégats naturels. Ces résultats sont apportés par les analyses microstructurales porosimétriques et au MEB.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Les objectifs principaux des travaux de recherche réalisés sont de caractériser, quantifier et corréler les changements induits lors du recyclage sur les fibres, la pâte et le papier. Pour ce faire, des techniques de caractérisation spécifique ont été utilisées telles que la chromatographie inverse d'exclusion stérique (ISEC), l'analyse mécanique dynamique (DMA), la microscopie électronique à balayage environnementale (ESEM), la microscopie à force atomique (AFM) et la tomographie à rayons X. Le racornissement des fibres à elle seule ne peut pas expliquer totalement la perte de résistance des fibres. Lors du recyclage la largeur des fibres, l'épaisseur des parois fibreuses, la courbure, le nombre de coudes et d'irrégularité diminuent. Les points faibles à l'intérieur de la paroi augmentent dans les premiers et les derniers cycles de recyclage. Les fibres deviennent plus dures et cassantes à l'état sec. Les forces capillaires et la friction de surface augmentent à l'état humide. La surface de liaison entre fibres dans le réseau fibreux diminue initialement à cause de la perte de la flexibilité des fibres à l'état humide et des éléments fins alors que l'augmentation qui suit peut être reliée au collapse du lumen. Comme la solidité des fibres de diminue pas, la baisse des caractéristiques mécaniques du papier pourrait être attribuée à la dégradation de la qualité des liaisons et plus particulièrement à une délamination partielle de la couche P/S1.

Le stockage géologique du carbone dans les veines de charbon est une solution transitoire pour lutter contre le réchauffement climatique. La faisabilité de ce stockage à un coût abordable reste incertaine, en particulier parce que l'injection de dioxide de carbone dans les veines de charbon est lente. Les projets pilotes ont montré que la perméabilité du réservoir diminue lors de l'injection, suite au gonflement du charbon induit par l'adsorption préférentielle du dioxyde de carbone par rapport au méthane présent naturellement. Ce mémoire de thèse est consacré à l'étude de ce gonflement. Un premier travail théorique a consisté à étendre les équations constitutives de poromécanique classique dans les cas où l'adsorption sur des surfaces ou dans des micropores devient significative. Nous avons montré que le comportement poromécanique du solide ne peut être compris que si la dépendance de l'adsorption en fonction de la déformation du milieu poreux est connue. Le couplage entre adsorption et déformation est peu étudié dans la littérature et difficile à mesurer expérimentalement. Dans ce travail, nous avons utilisé la simulation moléculaire qui permet facilement de contrôler indépendamment la pression du fluide adsorbé et la déformation du milieu poreux. A l'aide de simulations moléculaires d'adsorption dans des systèmes modèles unidimensionnels, nous avons validé les nouvelles équations consitutives. Nous avons montré également que l'adsorption peut dépendre de la déformation de façon complexe et qu'elle est très sensible à la structure des micropores. Les résultats de simulations moléculaires d'adsorption dans un modèle moléculaire réaliste de la matrice organique du charbon nous ont permis de montrer que le gonflement du charbon en présence de fluide peut être expliqué par l'adsorption dans les micropores, mais pas dans les mésopores. Nous avons étudié numériquement le couplage entre adsorption et déformation dans le charbon. Le gonflement estimé en associant les simulations moléculaires d'adsorption aux nouvelles équations constitutives de poromécaniques est en bon accord avec les mesures expérimentales. De même, nous avons simulé l'adsorption de mélanges de dioxide de carbone et de méthane dans le charbon à des températures et pressions représentatives des conditions souterraines. Le résultat de ces simulations a permis d'estimer le gonflement différentiel durant l'injection de carbone pour des veines de charbon à différentes profondeurs.