Influence de la température sur la pression de gonflement des bentonites : des essais mécaniques au modèle atomique // Influence of temperature on swelling pressure of bentonites: from mechanical tests to atomic scale model

Les bentonites, principalement composées de smectite, un minéral argileux gonflant, sont des matériaux géologiques utilisés comme barrières naturelles pour le stockage et le confinement de systèmes pollués, de déchets radioactifs, etc. Au-delà de leur utilisation anthropique, la smectite est également un minéral qui se trouve naturellement dans les sols.

Quelle que soit leur utilisation, les propriétés mécaniques et hydrauliques des bentonites sont susceptibles d'être significativement modifiées sous l'effet d'un gradient thermique (déchets radioactifs, réchauffement climatique), ce qui pourrait potentiellement réduire leurs performances. L'objectif de ce projet de thèse de doctorat est d'étudier cette problématique en couplant des essais mécaniques en laboratoire (essais œdométriques à températures variables, de 25 à 150°C) avec une modélisation de l'hydratation des argiles basée sur l'acquisition in situ de diffractogrammes de rayons X (WAXS, SAXS). Les essais mécaniques d'hydratation en œdomètres seront réalisés sur des matériaux homo-ionisés (Na+ et Ca2+), permettant de suivre l'évolution de la pression de gonflement au cours du temps, couplés à des acquisitions in situ en temps réel de WAXS permettant de déterminer la proportion de couches d'eau (0, 1, 2 et 3 W, suivant l'approche de Ferrage (2016)), ainsi que l'anisotropie texturale, et de les relier à la pression de gonflement macroscopique. Les essais seront réalisés sur (1) des systèmes modèles constitués uniquement de smectite et (2) un système composé d'un mélange de smectite avec du quartz (phase non gonflante), afin de prendre en compte la contribution du squelette rigide, présent dans les bentonites naturelles, sur l'impact des propriétés mécaniques. Enfin, les propriétés macroscopiques dérivées expérimentalement (pression de gonflement, états d'hydratation, anisotropie texturale) seront modélisées et interprétées à l'aide de différentes approches théoriques (par exemple, modèle DLVO ou modèle granulaire mésoscopique, cf. Asadi et al. (2022), Liu (2013)).

Ce projet s'inscrit dans le cadre de la collaboration de longue date entre le BRGM, impliqué dans la recherche sur les propriétés mécaniques et hydriques des argiles dans le contexte du stockage des déchets nucléaires, et l'ISTO, un laboratoire de pointe pour les expériences à haute pression et température. Ce projet est une extension des thèses de doctorat de Luc Massat (Massat et al., 2016) et de Roy Chaaya (Chaaya et al., 2023).
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Bentonites, composed mainly of smectite, a swelling clay mineral, are geological materials used as natural barriers for the storage and containment of polluted systems, radioactive waste, etc. Beyond its anthropized use, smectite is also a mineral that occurs naturally in soils.

Whatever their use, the mechanical and hydraulic properties of bentonites are likely to be significantly modified under the effect of a thermal gradient (radioactive waste, global warming), which could potentially reduce their performance. The aim of this Ph.D. thesis project is to investigate this issue by coupling laboratory mechanical tests (oedometer tests at variable temperatures, from 25 to 150°C) with clay hydration modelling based on in situ acquisition of X-ray diffractograms (WAXS, SAXS). Hydration mechanical tests in oedometers will be carried out on homo-ionized materials (Na+ and Ca2+), enabling the evolution of swelling pressure to be followed over time, coupled with real-time in situ WAXS acquisitions allowing the proportion of water layers (0, 1, 2 and 3 W, following Ferrage (2016)), as well as texture anisotropy, to be determined and related to macroscopic swelling pressure. Tests will be carried out on (1) model systems consisting solely of smectite and (2) a system made up of a mixture of smectite with quartz (non-swelling phase), to take into account the contribution of the rigid skeleton, contained in natural bentonites, on the impact of mechanical properties. Finally, experimentally-derived macroscopic properties (swelling pressure, hydration states, texture anisotropy) will be modelled and interpreted using different theoretical approaches (for example DLVO or granular mesoscale model, e.g. Asadi et al. (2022), Liu (2013)).

This project builds on the long-established collaboration between BRGM, involved in research concerning the mechanical and water properties of clays in the context of nuclear waste storage, and ISTO, a cutting-edge laboratory for high- pressure and temperature experiments. This project is an extension of the Ph.D. theses of Luc Massat (Massat et al., 2016) and Roy Chaaya (Chaaya et al., 2023).
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Début de la thèse : 01/10/2025

Enseignement supérieur

Université d'Orléans

552 Energie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers - EMSTU

Nous recherchons un étudiant motivé ayant un fort intérêt pour la géochimie et la géomécanique des argiles. Une expérience avec les expériences à haute pression, la diffraction des rayons X, la thermodynamique et la mécanique sera un plus. Le candidat doit être titulaire d'un Master (ou équivalent) en Sciences de la Terre.
We are looking for a highly motivated student with a strong interest in clay geochemistry and geomechanics. Experience with high-pressure experiments, X-ray diffraction, thermodynamics and mechanics will be a plus. The applicant should hold a Master degree (or equivalent) in Earth Sciences.