Physique et mécanique de la cristallisation confinée en milieu poreux – PMCCMP

La transition de phase eau/glace ainsi que la formation et la dissociation d’hydrates de gaz au sein de milieux poreux tels que les géomatériaux sont des phénomènes compris de façon relativement satisfaisante du seul point de vue de la thermodynamique des équilibres. En revanche, il n’en est plus de même lorsque l’on doit aussi prendre simultanément en compte la déformabilité de tous les constituants internes du matériau. Nous chercherons à y remédier par la construction de lois de comportement géomécaniques qui intègrent les phénomènes physiques et mécaniques à l’œuvre aux différentes échelles spatiales. Nous nous appuierons à la fois sur des observations et mesures effectuées de l’échelle des pores nanoscopiques à l’échelle macroscopique, et sur les concepts et outils modernes de la poromécanique. Notre objectif final est de réussir, dans un premier temps, à mieux maîtriser les problèmes de durabilité au gel/dégel des matériaux cimentaires, puis à mieux évaluer les risques géotechniques ou environnementaux posés par la présence d’hydrates de méthane dans les fonds sous-marins ou les pentes continentales. Nous ferons appel à un équipement original d’Imagerie par Résonance Magnétique (IRM), en complément d’un dispositif de spectroscopie diélectrique par sonde capacitive, lui-même déjà développé de façon originale pour l’étude du gel/dégel de milieux poreux cohésifs. À l’échelle macroscopique du matériau, la méthode capacitive permet d’estimer la teneur en glace aussi bien en fonction de la température à l’équilibre qu’en fonction du temps en condition isotherme. Elle donne aussi accès à la distribution des tailles de pores. Sur cette base, nous développerons des techniques et procédures d’analyses par IRM du gel/dégel de géomatériaux pour obtenir ce genre d’informations à des échelles spatiales inférieures tout en ayant, simultanément, des mesures de déformations. Nous chercherons en particulier à savoir comment la nouvelle phase fille se propage spatialement dans un élément de volume d’un matériau donné et quelle y est la cinétique du changement de phases à l’échelle des pores. Basées sur des hypothèses microscopiques, des lois constitutives de comportement seront imaginées et mises en œuvre dans le cadre de la poromécanique multi-échelles étendue aux phénomènes irréversibles. Nous tenterons ainsi d’expliquer les observations et mesures qui seront obtenues aux différentes échelles spatiales, ce qui nous permettra aussi de comprendre comment s’effectue le couplage entre déformations et changement de phases, puis entre pression extérieure de confinement et changement d’états physiques. Nous nous appliquerons aussi à caractériser l’endommagement de la microstructure des géomatériaux par des observations aux microscopes optique ou électronique à balayage, des mesures de porosité (par RMN ou par des mesures classiques), et par la méthode capacitive. Nous chercherons alors à quantifier les modifications des propriétés de transport en raison de leurs impacts néfastes vis-à-vis de la pénétration d’agents chimiques délétères. Enfin, nous nous efforcerons de comprendre le mécanisme de fatigue provoqué par des cycles de gel/dégel afin de compléter les lois constitutives précédemment développées. En conclusion, par un dialogue constant entre expériences et modélisation multi-échelles, nous nous proposons ainsi de fournir non seulement un outil de prédiction de la déformation des géomatériaux, mais aussi des méthodes expérimentales de caractérisation de la microstructure porale de ces matériaux.