GÉOthermie vs GÉOtechnique: des aspects fondamentaux du comportement thermo-hydro-mécanique des argiles à la conception des geostructures énergétiques – GEO2

ACTIVITE EXPERIMENTALE
Une cellule isotrope thermique a été développée. Elle permets une mesure précise de la déformation d'un échantillon d'argile pendant des cycles thermiques, à l'aide de trois capteurs locaux. Un processus de calibrage a été mis en place, suivi par une importante phase d'optimisation du système de chauffage qui a permis de l'améliorer considérablement sa performance et de réduire le temps de test tout en gardant les conditions drainées. Actuellement l'équipement permet de chauffer de façon continue à une vitesse de 0.03°C/h, sans dépasser les 10 kPa de surpression interstitielle. La cellule est opérationnelle depuis Juin 2021.
Une cellule œdométrique a été développée en parallèle pour réaliser les essais avec des fluides différents de l'eau. Les mesures de porosité par intrusion de mercure (MIP) ont été aussi réalisées pour identifier les changements au niveau de la microstructure de l'argile, du aux changements de température.

DEVELOPEMENT THEORIQUE
L'objectif de cette partie est de comprendre les interactions entre les particules d'argile d'un point de vue théorique. L'idée est de (i) développer une loi physique d'interaction incluant la température, (ii) l'implémenter dans un modèle discret basé sur la dynamique des systèmes moléculaires et l'utiliser comme laboratoire virtuel, et (iii) transférer les connaissances acquises aux modèles constitutif continus classiques.

ACTIVITE EXPERIMENTALE
Après la phase de développement, construction, calibrage et tests préliminaires, les premiers essais sur du kaolin saturé en eau et normalement consolidé ont récemment été faits, ainsi que les correspondantes mesures de porosimétrie. Des essais sur du kaolin sec ont été aussi réalisés en œdomètre. Les résultats seront publiés bientôt.

DEVELOPEMENT THEORIQUE
Une fonction d'énergie potentielle d'interaction 2D entre deux particules d'argile infinies (dans la 3ème direction), basée sur les lois électrostatiques, a été dérivé et implémentée dans un modèle discret basé sur la dynamique des systèmes moléculaires. Le code passe actuellement la phase de validation. Les résultats seront publiés bientôt.

ACTIVITE EXPERIMENTALE
Les essais sont en cours. La première série complète de résultats sur le kaolin est prévue pour Mars-Avril 2022. Certains essais seront en suite répétés sur d'autres types d'argile. Les essais avec des fluides différents de l'eau sont aussi en cours dans la cellule œdométrique.

DEVELOPEMENT THEORIQUE
L'implémentation de la fonction d'interaction est terminée, le code est actuellement dans une phase de validation. Il sera en suite utilisé pour interpréter les résultats des essais expérimentaux et explorer d'autres configurations pas considérées en laboratoire.

1. Casarella A., Pedrotti M., Tarantino A. and Di Donna A., A critical review of the effect of temperature on clay inter-particle forces and its effect on macroscopic thermal behaviour of clay. 16th IACMAG Torino, Italy, 1-4 July 2020.
2. Tarantino, A., Casarella, A. Pedrotti, M, Di Donna, A., Pagano, A. de Carvalho Faria Lima Lopes, B, Magnanimo, V. Clay Micromechanics: an analysis of elementary mechanisms of clay particle interactions to gain insight into compression behaviour of clay, 16th IACMAG Torino, Italy, 1-4 July 2020.
3. Casarella A., Tarantino A. and Di Donna A., Micromechanical interpretation of thermo-plastic behaviour of clays, 2nd International conference on energy geotechnics, La Jolla, California, USA, September 20-23, 2020.

La géothermie à basse enthalpie est une source renouvelable et locale d’énergie, mais les systèmes géothermiques classiques ont un cout d’installation considérable. Une alternative est représentée par les geostructures énergétiques, i.e. les geostructures équipées pour échanger de la chaleur avec le sol. Néanmoins, les geostructures énergétiques génèrent une charge thermique cyclique sur le sol, qui peut affecter son comportement hydromécanique ainsi que la stabilité de la structure. L’objectif de ce projet est d’étudier expérimentalement la réponse mécanique des argiles soumises à des variations de température et fournir des recommandations pour la conception des geostructures énergétiques. Le projet propose une approche innovante, fondamentale et multidisciplinaire, qui joint la mécanique des sols et la chimie, afin de comprendre ce comportement. L’objectif de la première partie est de réaliser and interpréter à travers des analyses à la micro échelle le comportement volumique macroscopique des argiles soumises à des cycles de température, sous des conditions ‘standard’ saturées. Les analyses microscopiques prévues incluent la porosimétrie par intrusion de mercure (MIP) et la microscopie électronique à balayage (MEB), réalisés à des moments spécifiques pendant les essais pour monitorer l’évolution de la taille des pores et donc de la microstructure. Différent types d’argile seront testés, à savoir kaolin et illite, pour étudier le possible effet de la microstructure sur la réaction aux changements de température. La deuxième partie du programme expérimental sera consacrée à l’étude des mécanismes microscopiques (forces d’interaction entre les particules d’argile et avec l’eau interstitielle) qui pourraient être affectés par la température et causer par conséquence la réponse thermique macroscopique que l’on observe au laboratoire, via des essais ‘non standard’. Tout d’abord, certains essais de la première partie seront répétés dans des conditions de saturation partielle. Ensuite, pour analyser le rôle des forces électrochimiques entre les faces des particules chargées négativement (forces de répulsion de Coulomb principalement), des échantillons seront préparés avec des différents fluides ayant différentes permittivités diélectriques et les résultats seront comparés avec ceux des essais précédents dans lesquels les interactions au niveau de la double couche étaient modifiés uniquement via la température. Le rôle des forces mécaniques (forces d’attraction de Coulomb) qui se développent entre la pointe d’une particule (chargée positivement) et la face d’une autre (chargée négativement) sera étudié en utilisant des solutions alcalines qui désactivent ce type de lien. Comme précédemment, les essais à la macro échelle seront combines avec des MIP et des MEB. Dans la dernière partie, des modèles constitutifs phénoménologiques existants, capables de reproduire le comportement thermo-hydro-mécaniques (THM) des argiles, seront reconsidérés dans le but de donner aux paramètres un sens physique, sur la base des résultats obtenus expérimentalement. Des méthodes avancées basées sur la modélisation discrète (DEM) seront aussi utilisées comme laboratoire virtuel pour explorer des chemins de chargement complexes pas réalisés au laboratoire. L’objectif final est de fournir un support concret aux ingénieurs dans la conception des geostructures énergétiques en argile et dans le choix des paramètres à utiliser.