Дисертації з теми "Argilite COx"

L’argilite du COx a été choisie comme roche hôte pour le stockage des déchets radioactifs de haute activité et vie longue (HAVL) en France. Ce matériau subira l'intrusion de gaz et d'eau sous, parfois, des conditions thermiques sévères. Par conséquent, afin d'évaluer la sécurité de cette barrière naturelle, il est très important de comprendre les propriétés poromécaniques et de transfert de ce matériau ainsi que l’effet de la température. Ce travail aborde les mesures au gaz du coefficient de Biot et montrent que celui-ci est presque égal à 1 en conditions humides. Il y a cependant sur le matériau sec un effet de l'adsorption du gaz et une déformation supplémentaire de gonflement du matériau. Cet effet a aussi un effet important sur les propriétés de transfert du gaz selon sa nature. Les propriétés de transfert et de saturation ont été examinées par des techniques gaz et comparées aux mesures usuelles. Les essais montrent aussi que la perméabilité à l'eau de site est d'environ 10-20 - 10-21 m² et beaucoup plus faible que celle au gaz. Enfin, on constate que le coefficient de Biot n'est pas affecté significativement par les effets thermiques mais que ces effets jouent sur la perméabilité relative au gaz de l'argilite
COx argillite has been selected as the host rock for the storage of high-activity long-live (HALL) radioactive waste in France. It will suffered the gas and water intrusion, sometimes suffered the severe thermal conditions during the sealing process. Therefore, in order to evaluate the safety of this natural barrier, it is very important to understand the poromechanical properties and transport properties of this material as well as the thermal effects. This work use gas to measure Biot’s coefficient and shows that it is nearly equal to 1 in humid conditions. However, there is a gas adsorption and induced an additional swelling deformation on dry material, this effect also has a significant effect on the transport properties of the gas according to its nature. The transport and saturation properties were examined by gas technique and compared with the usual measurements. The tests also show that the permeability of in situ water is about 10-20-10-21 m² and much lower than gas. Lastly, it is found that Biot’s coefficient is not significantly affected by the thermal effect, but the relative gas permeability of argillite is significantly affected by this effect

Dans le contexte du stockage profond des déchets radioactifs, il est important d'identifier l’hystérésis de saturation de la roche hôte, l'argilite du Callovo-Oxfordien, et sa capacité de scellement (en particulier, la porosité et la distribution de taille des pores). Tout d'abord, six cycles différents d'humidité relative sont destinés à évaluer l’hystérésis de saturation, qui n'est pas observée dans les cycles de faible amplitude. D'autre part, une nouvelle méthode est proposée pour la mesure de la porosité, qui utilise l'injection d'un gaz pour évaluer le volume des pores. Par rapport à la porosité par adsorption d'eau, l’injection de gaz fournit des porosités supérieures d’environ 5%. L'injection de gaz est également utilisée pour quantifier les isothermes de sorption-désorption, qui sont sensiblement différentes de celles obtenues par la méthode gravimétrique, avec un volume poreux accessible au gaz plus élevé pour une humidité relative <43%. Enfin, par Microscopie Electronique à Balayage couplée à un Faisceau Ionique Focalisé (FIB/MEB), on reconstruit le réseau poreux 3D de l'argilite à partir de séries d'images 2D espacées de 10nm : la porosité et la distribution de taille des pores sont quantifiés jusqu’à 20nm, ainsi que l’orientation et l'anisotropie. Avec une résolution plus élevée (jusqu’à moins de 1nm), la Microscopie Electronique à Transmission (MET) montre une grande quantité de pores de l’ordre de quelques nm, situés entre les agrégats d'argile
In the context of deep underground storage of radioactive nuclear waste, it is important to identify the saturation hysteresis of the host rock, i.e. of Callovo-Oxfordian (COx) claystone, and its porosity and pore size distribution. Firstly, six different cycles of relative humidity are applied for saturation hysteresis, which is not observed in the cycles with low magnitude. Secondly, a new method is proposed for measuring porosity, which uses injection of gas to evaluate the pore volume. In contrast to porosity given by water adsorption, the gas injection method provides larger porosity values of around 5%. The gas injection method is also used to quantify the sorption-desorption isotherms of COx claystone, which are significantly different from those obtained by the gravimetric method, with a bigger pore volume accessible to gas in relative humidities < 43%. Finally, by Focused Ion Beam/Scanning Electron Microscopy (FIB/SEM), we obtain 2D image stacks and 3D reconstructed pore volumes, by which porosity and pore size distribution are quantified down to 20nm, as well as pore orientation and anisotropy. At a higher resolution (below 1nm), Transmission Electron Microscopy (TEM) imaging reveals significant amounts of smaller pores (of a few nm) between clay aggregates

L’argilite du Callovo-Oxfordian (COx), est sélectionnée comme une potentielle barrière géologique pour le stockage profond des déchets radioactifs en France. La présente thèse de doctorat est consacrée à l’étude expérimentale du comportement poromécanique de cette roche. En complément aux études antérieures, l’accent est mis sur l’étude des influences de l’anisotropie initiale et du chemin de chargement. Pour cet objectif, une série de tests en laboratoire sont réalisés, incluant des essais de fluage en extension axiale avec différentes orientations de chargement, des essais de fluage au cisaillement sur échantillons fracturés avec mesure de perméabilité au gaz, des tests de détermination des coefficients de Biot et de Skempton, des essais de décompression latérale et d’extension axiale avec des cycles poroplastiques, et des essais oedométriques avec différentes conditions de drainage. D’après les résultats obtenus, il est observé que le comportement poromécanique de l’argilite du COx est fortement influencé par l’anisotropie structurale et le chemin de chargement. La déformation différée est une propriété importante de cette roche argileuse et elle est également influencée par l’anisotropie structurale et le chemin de chargement. L’évolution de la perméabilité au gaz des échantillons fracturés au cisaillement est affectée par de multiples facteurs comme la pression de confinement et la capacité d’auto-colmatage de la roche
The Callovo-Oxfordian (COx) claystone has been selected as a potential host rock for underground radioactive waste repository in France. The present thesis is devoted to experimental investigation of the poro-mechanical behavior of COx claystone. The emphasis is put on the study of influences of structural anisotropy and loading path. Both instantaneous and time dependent behaviors are considered. For this purpose, a series of laboratory investigations including axial extension creep tests with different loading orientations, shear creep tests on fractured samples with gas permeability evolution measurement, tests for determination of Biot’s and Skempton’s coefficients, lateral decompression and axial extension tests with poroplastic cycles and oedometric tests under different drainage conditions. From the results obtained, it is found that the poromechanical behavior of COx claystone is strongly affected by structural anisotropy, loading path and water saturation degree. The time-dependent deformation is also an important property of the COx claystone. The gas permeability evolution of fractured samples is influenced by various factors including confining pressure and self-sealing ability of clayey rock

Les formations argileuses profondes telles que celles du Callovo-Oxfordien (COx) sont une des options actuellement envisagées pour le stockage des déchets radioactifs en France par l’Agence nationale pour la gestion des déchets radioactifs. Les observations (déformation, pression interstitielle, …) menées à l’échelle des ouvrages in situ du laboratoire de recherche souterrain de Meuse/Haute-Marne ont, cependant, révélé un comportement hydromécanique complexe avec une fracturation induite fortement anisotrope que les modèles constitutifs classiques ont du mal à appréhender. Le travail de cette thèse s’est focalisé sur la formation des zones de fractures connectées et discrètes induites par l’excavation et leurs conséquences sur les propriétés de transports. Sur la base des résultats expérimentaux et des modèles rhéologiques récents pour cette roche, il a été proposé un modèle macroscopique anisotrope, élastoplastique et endommageable qui décrit les mécanismes clés du comportement à court terme (pré et post-pic) de l’argilite du COx. Ce modèle a été implémenté dans Comsol Multiphysics®. L’application du modèle proposé a été menée sur la galerie GCS du LS M/HM par de simulations hydromécaniques en conditions saturées. Les résultats numériques ont été confrontés avec succès aux observations et mesures in situ en termes, notamment, de distribution de pression de pore et d’extension de ZFC/ZFD (approchée par les zones plastiques en post-pic et pré-pic, respectivement) et de convergences horizontale et verticale. Enfin, le caractère opérationnel du modèle pour des applications de modélisation thermo-hydro-mécanique d’alvéoles HA (projet Cigéo) a été étudié sur une géométrie réduite à un micro-tunnel d’alvéoles
Deep clay formations such as Callovo-Oxfordian (COx) are one of the options currently being considered for the storage of radioactive waste disposal in France by the National Radioactive Waste Management Agency. Observations (deformation, pore pressure, ...) carried out on the scale of in situ structures at the Meuse/Haute-Marne underground research laboratory have, however, revealed complex hydromechanical behaviour with highly anisotropic induced fracturing that is difficult to capture and to reproduce using classical constitutive models. The work of this thesis focused on the formation of the connected fractured zone and discrete fractured zone induced by excavation and their consequences on transport properties. Based on experimental results and the recently developed rheological models of this rock, a macroscopic anisotropic, elastoplastic and damage constitutive model was proposed that describes the key mechanisms of the short-term (pre- and post-peak) behaviour of COx claystone. This model was implemented in Comsol Multiphysics®. The application of the proposed model was carried out on the GCS gallery of the LS M/HM by hydromechanical simulations under saturated conditions. The numerical results were successfully compared with in situ observations and measurements in terms of, in particular, pore pressure distribution, ZFC/ZFD extension (approached by the plastic zones in post-peak and pre-peak, respectively) and horizontal and vertical convergences. Finally, the operational character of the model for thermo-hydro-mechanical modelling applications of HA cells (Cigéo project) was investigated on a geometry reduced to a micro-tunnel of cells

Les travaux de recherche présentés dans ce manuscrit ont été menés dans le cadre du projet ClGEO de I 'Andra concernant la construction et le développement de nouveau soutènement pour les galeries d'un stockage des déchets radioactifs à une profondeur de 500m sur le site Meuse/Haute Marne à Bure. La première partie de ce travail porte sur l'établissement d'un modèle rhéologique de l'argilite du Callovo-Oxfordien nommé SC2D (Swelling Creep Diagenisis Damage). Traditionnellement, la calibration des modèles rhéologiques pour les matériaux argileux repose sur des essais de laboratoire à partir des échantillons carottés. Ces échantillons sont endommagés par la décharge hydromécanique lors du prélèvement. Cet endommagement ne peut pas être réparé par une reconsolidation sous la contrainte in situ de prélèvement. Cet endommagement va altérer durablement les caractéristiques hydromécaniques de l'argilite et engendrer des nouveaux mécanismes élasto-plastiques qui n'existent pas sur l'argilite in situ. L'originalité du travail dans ce premier temps porte sur la validation du modèle SC2D de l'argilite sain du Callovo-Oxfordien à partir de la simulation des essais de laboratoire sur échantillons carottés en prenant en compte toute l'histoire de la sollicitation depuis le prélèvement jusqu'à la rupture. Ensuite, le modèle SC2D « intégré» dans le code CLEO est appliqué aux simulations numériques des excavations des galeries du laboratoire souterrain de Bure. La deuxième partie de la thèse concerne la participation dans le programme de qualification et de mise en œuvre de l'Andra (brevet Andra et CMC) d'un nouveau soutènement compressible permettant d'absorber les convergences anisotropes des galeries creusées dans l'argilite du Callovo· Oxfordien. Ce nouveau soutènement sous forme d'anneaux est constitué d'un assemblage de voussoirs. Chaque voussoir est un sandwich comprenant • Le soutènement proprement dit par une coque de structure en béton armé.• Le matériau compressible surmontant la coque de structure. • La coque de protection pour permettre son transport et sa manipulation.La fabrication des voussoirs compressibles nécessite l'ajout de barbotine (ciment dopé avec du sable) pour la tenue de cette couche compressible. Ce voussoir compressible devait répondre à des exigences mécaniques définies par I 'Andra. Les essais présentés dans celte thèse concernent l'analyse des essais œdométrique réalisés chez EGC concernant la caractérisation mécanique à l'échelle de la couche compressible. Différentes variables ont été étudiées, ainsi que des essais de chargement uniforme sur modèle réduit d'anneau de coques. Ces essais seront présentés et commentés. Ensuite, un modèle rhéologique, qui est nommé Coqcéram, a été construit pour le matériau compressible sur la base du modèle Ganta Gravel. Les paramètres mécaniques du modèle Coqcéram sont obtenus à partir des essais œdométriques. La validation du modèle Coqcéram est réalisée par comparaison des simulations numériques avec les essais sur modèle réduit d'un anneau de voussoir compressible. Cette modélisation numérique a nécessité «l'intégration» du modèle rhéologique Coqcéram dans le code aux éléments finis CLEO. Après celte validation la modélisation a été appliqué à deux type anneaux de voussoirs en vrai grandeur mis en place dans le laboratoire souterrain Meuse/Haute Marne. La première modélisation a porté sur un anneau en voussoirs classique sans matériau compressible mis en place immédiatement après l'excavation. Cette modélisation montre une distribution des contraintes sur l'anneau très anisotrope associée à une augmentation continuelle des contraintes. En revanche, la modélisation réalisée avec des voussoirs compressibles montre une distribution des contraintes beaucoup plus faible que pour les voussoirs classiques mais surtout plus uniforme
The studies presented in this manuscript are part of Andra's CIGEO project concerning the construction and development of a new tunnel support for the gallery of the radioactive waste repository. The structure is located at a depth of approximately 500m at the site Meuse/Haute-Marne at Bure. The first part of this work concerns the establishment of a rheological model of Callovo-Oxfordian claystone named SC2D (Swelling Creep Diagenesis Damage). Traditionally, the calibration of rheological models for clay materials is based on laboratory tests from core samples. These samples are dàmaged by the hydromechanical discharge during sampling. This damage cannot be repaired by reconsolidation under in situ stress. This damage durably allers the hydromechanical characteristics of the claystone and generate new elasto-plastic mechanisms that do not exist on in situ claystone. The originality of the work in this first phase concerns the validation of the SC2D model of Callovo-Oxfordian healthy claystone from the simulation of the laboratory tests on core samples taking into account the whole loading history since the sampling until rupture. Then, the SC2D model "integrated" in the CLEO code is applied to the numerical simulations of the tunnel excavations of the Bure underground laboratory. The second part of the thesis concerns the participation in the qualification and the implementation of Andra (patent Andra and CMC) of a new compressible support allowing to absorb the anisotropie convergences of the tunnels excavated in the Callovo-Oxfordian claystone. This is a new support by segmental ring. Each segment is a sandwich comprising: • The reinforced concrete stiff lining. • The compressible material surmounting the stiff lining.• The protective shell to allow its transport and handling.The manufacture of compressible segments requires the addition of slurry (cernent doped with sand) for the holding of this compressible layer. This compressible support had to meet mechanical requirements defined by Andra. The tests presented in this thesis concern the analysis of consolidation tests carried out at EGC concerning the mechanical characterization at the level of the compressible layer. Different variables were studied, as well as tests of uniform loading on mode! reduced of the segmental ring. These tests will be presented and commented. A rheological model is established for the compressible material based on the Ganta Gravel model named Coqceram. The mechanical parameters of the Coqceram model are obtained from consolidation tests. The validation of the Coqceram model is carried out by comparing numerical simulations with model tests of a segmental ring. This numerical modeling required the "integration" of the Coqceram rheological model into the CLEO finite element code. After this validation, the modeling has been applied to two types of real size segmental rings set up in the Meuse/Haute-Marne underground laboratory. The first modeling focused on a classic segmental ring without compressible material set up immediately alter excavation. This modeling shows a very anisotropic ring stress distribution associated with a continual increase of the stresses. On the other hand, the modeling carried out with compressible segments shows a stress distribution much lower than the classic segment, especially more uniform

La Spectrométrie de Masse à Plasma à Couplage Inductif Haute Résolution (ICP-MS-HR) couplée à un système d’ablation laser (AL) s’est imposée de par ses multiples avantages comme une technique d’analyse performante pour la détermination des éléments majeurs, mineurs et traces dans les matériaux solides. Dans le cadre de cette thèse, des développements spécifiques ont été réalisés avec la technique, comme la mise en place d’une méthode de cartographie chimique quantitative 2D et l’installation d’une méthode de quantification basée sur la somme à 100% (m/m) des éléments sous forme d’oxydes. Ce travail inclut la préparation des échantillons, l’acquisition et le traitement des données. Les développements analytiques réalisés au cours de cette thèse ont été appliqués à deux projets scientifiques, la quantification de l’uranium dans des cernes de chênes (Quercus petraea) datés pour le suivi chronologique de contamination en lien avec l’exploitation minière et l’analyse des éléments dans les argilites du Callovo-Oxfordien(COx) nécessaire à la compréhension de ses propriétés de rétention dans le cadre de l’évaluation de la sûreté du stockage géologique profond des déchets radioactifs. La mise au point de la cartographie multi-élémentaire 2D a mis en évidence une distribution hétérogène de l’uranium à la surface des cernes ne permettant pas une quantification précise ; l’ICP-MS-HR en mode solution s’est avéré mieux adapté. L’analyse de la distribution des éléments naturellement présents dans le COx et leur «labilité » a permis de remonter à des valeurs de Kd "in situ" qui ont pu être comparées à des données déterminées par l’approche « batch » ou« bottom-up ». L’utilisation de la technique AL-ICP-MS-HR a servi également à caractériser les capacités de rétention du COx sur des échantillons intacts dopés avec de l’europium
The High Resolution Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (HR-ICP-MS) coupled to a laser ablation system (LA) is known as a powerful analytical technique for the determination of major, minor and trace elements in solid materials due to its multiple advantages. Within the framework of this thesis, specific developments have been made, such as the set up of a 2D quantitative elemental mapping method and the quantification method using the sum normalization strategy by summation of the element oxides to 100% (w/w). This work includes sample preparation, data acquisition and processing. The analytical developments carried out during this thesis were applied to two scientific projects,the quantification of uranium in oak tree rings (Quercus petraea) dated for the chronological monitoring of contamination related to mining and the analysis of elements in Callovo-Oxfordian (COx) claystone necessary to understand its retention properties as part of the assessment of the safety of deep geological radioactive waste storage. The development of 2D elemental mapping has shown a heterogeneous distribution of uranium at the surface of tree rings that does not allow precise quantification; HR-ICP-MS in solution mode has proved to be more appropriate. The analysis of the distribution of elements naturally present in COx and their "lability" made it possible to evaluate "in situ" Kd values that could be compared to data determined by the "batch" or "bottom-up" approaches. The LA-HR-ICP-MS was also used to characterize COx retention capacities on intact samples doped with europium

Dans le concept actuel de stockage de déchets radioactifs en couche géologique profonde tel qu’envisagé par l’Andra (projet CIGEO), les colis de déchets sont placés dans des alvéoles creusées dans l’argilite du Callovo-Oxfordien (COx) dont le chemisage est en acier faiblement allié. Le COx, et en particulier les pyrites qui le composent, peuvent s’oxyder lors du creusement. Grâce à un montage expérimental original, impliquant plusieurs mélanges pyrite/minéral et un réacteur couplé à un micro chromatographe en phase gazeuse, il est démontré, sur la base de la consommation d'O2 mesurée, qu'à 100°C en présence de calcite, moins de 50% de la pyrite est oxydée. Cette oxydation implique une acidité susceptible de corroder le chemisage des alvéoles. L’Andra a donc développé et breveté un coulis cimento-bentonitique bas pH (9
In the current concept of radioactive waste deep geological disposal planned by Andra (CIGEO project), waste containers are stored into disposal cells drilled into the Callovo-Oxfordian claystone (COx) and encircled by a carbon steel liner. COx and in particular its pyrites, can be oxidized during the drilling of cells. Thanks to an original experimental set-up, involving several pyrite/mineral mixtures and a reactor coupled to a micro gas chromatograph, it is demonstrated, based on the measured O2 consumption that at 100°C in presence of calcite, less than 50% of the pyrite is oxidized. This oxidation induces a transient acidic plume and consequently the corrosion of the steel liner. Andra has developed and patented a low-pH (9

Les argilites du Callovo-Oxfordien (COx) sont étudiées depuis plusieurs décennies en France dans le contexte du stockage géologique des déchets radioactifs. Un grand nombre d'essais en laboratoire et d'expériences in-situ ont été réalisés pour la caractérisation du comportement thermo-hydromécanique à court et long terme ainsi que des propriétés de diffusion de gaz de cette roche argileuse. Cependant, certains aspects nécessitent encore des études complémentaires, entre autres, les effets du chemin de chargement et de la température sur les réponses mécaniques à court et long terme. Cette thèse apporte une nouvelle contribution aux travaux précédents sur ces aspects encore ouverts. Elle est composée de trois parties.Dans la première partie, l'influence du chemin de chargement sur le comportement mécanique à court terme des argilites du COx est considérée. Sur la base de l'analyse théorique du chemin de la contrainte autour d’une cavité souterraine, deux chemins de chargement particuliers avec deux valeurs différentes de l'angle de Lode sont sélectionnés, à savoir la décompression latérale et l'extension axiale avec une contrainte moyenne constante. Une série d’essais avec différentes valeurs de la contrainte moyenne est réalisée. Des cycles de déchargement-rechargement sont inclus dans les essais. Les résultats obtenus sont analysés et l'accent est mis sur les influences du chemin de chargement (angle de Lode) sur la résistance à la rupture et le processus d'endommagement induit.La deuxième partie est consacrée à l'étude de l'effet thermique sur le comportement mécanique à court terme des argilites du COx. Dans ce but, une série d'essais en laboratoire, avec les deux chemins de chargement (extension axiale et décompression latérale) et différentes valeurs de la température, sont réalisés. Sur la base des résultats obtenus, les effets de la température sur les propriétés élastiques et la résistance à la rupture sont discutés et mis en évidence pour les deux chemins de chargement.Dans la troisième partie, nous nous intéressons à l'effet du chemin de chargement et de la température sur le comportement mécanique à long terme des argilites COx. Une série d’essais de fluage est alors réalisée avec les deux chemins de chargement et différentes valeurs de la température. Les résultats obtenus sont analysés et discutés en mettant l'accent sur les influences du chemin de chargement et de la température sur la cinétique de déformation de fluage
Callovo-Oxfordian (COx) claystone has been investigated for several decades in France in the context of geological disposal of radioactive waste. A large number of laboratory tests and in-situ experiments have been conducted for the characterization of short and long thermo-hydromechanical behavior as well as gas flow diffusion property of this clayey rock. However, some aspects still need further investigation, among others, effects of loading paths and temperature on short and long-term mechanical responses. This thesis brings a new contribution to previous works on these open aspects. It is composed of three parts.In the first part, the influence of the loading path on the short-term mechanical behavior of COx claystone is considered. Based on theoretical analysis of stress path around the underground cavity, two particular loading paths with two different values of Lode angle are selected, namely lateral decompression and axial extension under constant mean stress. A series of tests with different values of mean stress are performed. Unloading-reloading cycles are involved in the tests. The obtained results are then analyzed and the emphasis is put on the influences of loading path (Lode angle) on the failure strength and induced damage process.The second part is devoted to studying the thermal effect on the short-term mechanical behavior of COx claystone. For this purpose, a series of laboratory tests, with both loading paths (axial extension and lateral decompression) and different values of temperature are performed. Based on the obtained results, the effects of temperature on the elastic property and failure strength are discussed for the two loading paths.In the third part, we are interested in investigating the effect of loading paths and temperature on the long-term mechanical behavior of COx claystone. A series of creep tests are then performed under two loading paths and with different values of temperature. The obtained test results are analyzed and discussed by putting the emphasis on the influences of loading path and temperature on creep deformation kinetics

Lors de la fermeture du stockage géologique des déchets radioactifs, l’ensemble des galeries souterraines sont remblayées et localement des scellements sont installés pour limiter la circulation de l’eau dans les ouvrages. Pour le remblaiement des galeries de Cigéo, l'argilite du Callovo-Oxfordien (COx) remaniée, mélangée avec de la bentonite (MX80) est envisagée par l’Andra. Différentes solutions d'installation sont à l'étude et en particulier la forme de granules (pellets), une solution qui pourra offrir des avantages opérationnels. L’assemblage de pellets est mis en place dans des galeries à l'état sec. Cette structure granulaire est progressivement homogénéisée par le gonflement lors de l'hydratation par l’eau issue de la roche encaissante. Cette thèse se concentre sur la détermination et la fabrication de mélanges de pellets, ainsi que l'évaluation de son comportement hydromécanique. La granulométrie des pellets est choisie pour aboutir à la densité de mise en place la plus élevée possible, qui est caractérisée comme étant la granulométrie optimale. Le mélange COx/MX80 doit produire un comportement hydromécanique adéquat de manière à reprendre les vides technologiques inhérent à la mise en place, et à long terme, réduire le déplacement des blocs de revêtements lors de la rupture de celui-ci. L’objectif est de limiter un endommagement de la roche environnante. Des dépôts gravitationnels sont réalisés numériquement et expérimentalement, pour étudier la compacité d'un matériau granulaire, sans compactage mécanique. Des simulations utilisant la méthode des éléments discrets étudient l'effet granulométrique sur la densité de la mise en place, définissant un fuseau optimal. Des expériences supplémentaires sont menées pour évaluer et finaliser la sélection granulométrique qui maximise la densité du mélange. Les études examinent l'effet de paramètres supplémentaires (protocole de mise en place, frottement inter-particules, hauteur de dépôt,…) sur la compacité. La pelletization sur la base de la granulométrie choisie est réalisée pour la première fois sur des mélanges COx/MX80. La méthode de compression est appliquée en utilisant une machine à comprimés reconditionnée. La fabrication des pellets et l’optimisation de la production est analysée. Le comportement hydromécanique des mélanges COx/MX80 est étudié expérimentalement par des essais d'infiltration à volume libre et constant. Une étude paramétrique sur mélanges COx/MX80 en poudre est menée pour caractériser les propriétés physico-chimiques et évaluer leur capacité de gonflement aux densités attendues à la mise en place. En revanche, l'ensemble des pellets finalisé avec diverses compositions est directement testé en termes de pression de gonflement et de conductivité hydraulique
The safe operation of the geological disposal facilities for radioactive waste indicates the galleries progressive closure, by installing sealing and backfill materials. The French disposal concept examines the crushed excavated Callovo-Oxfordian (COx) claystone with bentonite additive (MX80) as backfill material. One of the ongoing studied backfill solutions considers the pelletized implementation of the mixture, due to potential set-up advantages. The pelletized mixture is emplaced inside the galleries at dry state, presenting initially a granular structure, gradually homogenised, due to swelling upon hydration from the groundwater of the surrounding rock. Objective of the PhD thesis is the determination and manufacturing of the pelletized mixture, as well as the analysis of its hydro-mechanical behaviour. The pelletized granulometry is selected to result in the highest possible packing density, defining the optimum grain size distribution (GSD). The implemented COx/MX80 backfill needs to present hydro-mechanical properties capable of limiting the voids after the saturation on the drift as well as blocking the concrete movement when liners cracking will occur in the long-term. Numerical and experimental gravitational deposits are conducted, to study the compactness of a granular material, without mechanical compaction. Simulations using the Discrete Element Method (DEM) investigate the granulometric effect on the granular material’s packing state, determining an optimum GSD. Supplementary experiments are used to evaluate and finalise the granulometric selection maximising the resulting density. Both studies investigate the effect of additional parameters (implementation protocol, inter-particle friction, deposit height,…) on the packing state. The pelletization of the selected GSD is performed for the first time on COx/MX80 powdered mixtures, by applying the compression method on a reconditioned tablet machine. The process is analysed to successfully fabricate pellets and optimise the challenging pellet production. COx/MX80 mixtures hydro-mechanical behaviour is experimentally investigated by performing infiltration tests under free and confined volume conditions. A parametric study on various powdered mixtures is conducted to characterise the materials physicochemical properties and evaluate their swelling capacity at densities expected on the backfill implementation. On the other hand, the finalised pellets assembly on various compositions is directly tested in terms of swelling pressure and hydraulic conductivity

Ces travaux de recherche s'inscrivent dans le cadre des études de faisabilité du stockage du dioxyde de carbone en couches géologiques profondes, et portent plus particulièrement sur l'évolution des propriétés de confinement de roches-couvertures de type argilite, soumises à des fluides enrichis en CO2. Pour ce faire, les argilites de Tournemire (Aveyron, France) ont été utilisées comme roches analogues, après avoir identifié leurs possible points de faiblesse vis-à-vis du stockage, à savoir leur minéralogie, la présence de fissures naturelles remplies de calcite et la présence d'interfaces ciment/argilite attendues au niveau des puits d'injection rebouchés. Le montage expérimental de type " diffusion à travers " a été adapté pour permettre d'estimer (i) la possible modification des paramètres de transport diffusif enregistrés, avant et après attaque acide, pour les différents traceurs radioactifs (tritium et chlore-36) et non-radioactifs (deutérium et bromure) utilisés pour caractériser les échantillons d'argilite de Tournemire et de pâte de ciment et (ii) l'évolution des compositions chimiques des solutions contenues dans les réservoirs amont et aval des cellules de diffusion au cours des attaques acides. Enfin, l'analyse des solides a été réalisée pour partie par MEB-EDS, µTomographie-X et DRX. Tout d'abord, pour l'ensemble des échantillons étudiés, les valeurs des paramètres de transport déterminées avant attaque acide (coefficient de diffusion effectif et porosité) sont cohérentes avec celles de la littérature. En outre, il apparaît que tous les matériaux ont fortement réagi aux attaques acides. Ainsi, les argilites ont vu leurs paramètres de diffusion augmenter jusqu'à un facteur deux, notamment pour les traceurs anioniques, et ce, quelque soit la proportion de minéraux carbonatées présents initialement dans les échantillons d'argilite. Les observations post-mortem ont permis l'identification d'une zone de dissolution des minéraux carbonatés en leur au sein, mais dont l'extension (400 µm au maximum) ne peut à elle seule expliquer cette importante dégradation des propriétés de confinement. Seuls des phénomènes non observables à l'échelle d'investigation, tels des effets de digitation au sein du réseau poreux pourraient en être à l'origine. Par ailleurs, les échantillons d'argilites recoupés par des fissures naturelles ont systématiquement développé des courts-circuits hydrauliques, qui s'expliquent par la mise en place d'un processus de chenalisation préférentielle au sein même de la fissure, observé au MEB-EDS et par µTomographie X. De plus, les matériaux cimentaires ont vu leurs propriétés de confinement améliorées, et ce, plus le fluide d'attaque était proche de la neutralité. Ceci est lié à l'apparition d'une croûte de calcite d'environ 30 µm d'épaisseur, situé à l'avant d'une zone de dissolution, dont l'épaisseur est proportionnelle à la quantité d'acide en solution. Cette croûte imperméable, obstruant la porosité, serait responsable de la diminution des paramètres de diffusion, observée à l'échelle de l'échantillon, ainsi que le reproduisent les simulations numériques. Enfin, les interfaces ciment/argilites n'ont pas révélé de changement de leurs propriétés de confinement à l'échelle globale, la dégradation des argilites étant compensé par l'aggradation du ciment via la formation de cette croûte de calcite.

Le développement et l’utilisation des technologies de captage et de stockage du dioxyde de carbone (CO2) dans des formations géologiques profondes permettent d’amplifier la lutte contre les émissions de gaz à effet de serre. Dans ce contexte, l’étude approfondie du mouvement du CO2 à travers les formations hôtes poreuses ainsi que la roche couverture, qui contient beaucoup d’argile, présente un grand intérêt. Dans ce travail, la modélisation moléculaire a été utilisée pour décrire en détail les phénomènes microscopiques liés à la présence de CO2 au contact de la roche hydratée. Les propriétés thermodynamiques et de transport du système CO2/H2O/argile dans les micro- et mésopores ont été étudiées. Premièrement, des simulations de type Monte Carlo dans l’ensemble Grand-Canonique ont été utilisées pour déterminer la taille, la composition, etc des états thermodynamiquement stables des micropores. Les propriétés de structure et de transport dans ces pores ont ensuite été obtenues grâce à des simulations de dynamique moléculaire à l’équilibre et comparées avec celles obtenues sur le même système en l’absence de CO2. Concernant les mésopores la dynamique moléculaire hors équilibre a permis de modéliser les écoulements de type Poiseuille dans des mésopores et de discuter des conditions aux limites hydrodynamiques en fonction de leur taille. Enfin, l’influence du type d’argile et de la taille des pores sur les propriétés thermodynamiques du système CO2/ H2O/argile ont été étudiées

In this Thesis, new geopolymer composites loaded with mixed oxides obtained by calcination at 500 °C of commercial hydrotalcites (HTs) were studied for the adsorption of CO2 in the temperature range 200 – 400 ° C. The HTs have been already investigated for the CO2 capture at intermediate temperatures, but being in a powdery form, they require the addition of binders to increase the mechanical properties, but worsening the chemical properties and the adsorption capacity. The geopolymeric mixture was chosen as a "green" bonding matrix since the synthesis is water-based and occurs at low temperature. The commercial HTs, the mixed oxides used as filler and the corresponding composites were fully characterized, determining also the CO2 absorption capacity. It has been shown that both HTs and mixed oxides (Mg-Al-O) obtained by calcination differ in term of structure and composition; furthermore, it was highlighted as the HT absorption capacity did not remain unchanged in the composite materials, depending on the mixed oxide - geopolymer matrix interaction, that may cause a deactivation of the sites involved in the adsorption. The most promising composites resulted to be those loaded with 28 wt.% of calcined Pural 50 and Pural 70 (Sasol, D). Depending on the larger sizes, the mixed oxide particles remained unchanged within the geopolymeric matrix giving adsorption capacity values comparable with the calcined HT, furthermore allowing an easy casting of the materials and high compressive strength values (23-25 MPa).

Ce travail vise à comprendre et quantifier le comportement de U(VI) dans les argilites du Callovo-Oxfordien(COₓ), prévues pour accueillir les déchets nucléaires de haute activité en France. L’effet de la température sur ce comportement est particulièrement étudié. La première partie du travail s'est concentrée sur les propriétés thermodynamiques des complexes ternaires Ca-U(VI)-CO₃ qui contrôlent la spéciation de U(VI) en solution. Ces dernières ont été mesurées par une méthode de compétition en présence d’une résine sous pCO₂ et pH contrôlés. Les résultats indiquent que la température ne favorise pas la formation de CaUO₂(CO₃)₃²⁻ (log₁₀ βº₁₁₃ = 27,3 ± 0,3 ; ΔrHº = -27,4 ± 8 kJ/mol) et n'affecte pas la formation de Ca₂UO₂(CO₃)₃(aq)(log₁₀ βº₂₁₃ = 29,7 ± 0,3 ; ΔrHº = 0 ± 2 kJ/mol). Une approche « bottom-up » avec le modèle « 2SPNE SC /CE » publié dans la littérature a été suivie pour décrire les phénomènes de sorption, en considérant que la fraction argileuse du COₓ (Illite et I/S) gouverne la sorption de U(VI). Ce modèle a été appliqué avec succès pour reproduire une multitude de données expérimentales obtenues avec l'illite, la fraction argileuse du COₓ et les argilites du COₓ en fonction de paramètres clés (pH, pCO₂, [U(VI)], [Ca]) à 20 °C. Le phénomène de rétention dans les conditions in-situ est principalement régi par la sorption des complexes U(VI)-carbonate et une nouvelle constante d´équilibre de réaction de complexation de surface est proposée pour l'illite. Une augmentation de la température à 80 °C conduit à une augmentation de la rétention de U(VI) sur le COₓ. Cette augmentation est accompagnée d'un changement de pCO₂et de pH. Le modèle de rétention testé à 20 °C combiné avec les paramètres thermodynamiques décrivant le comportement de U(VI) en solution expliquent cette augmentation sans pour autant obtenir un accord satisfaisant avec l’expérience. Le modèle est amélioré en intégrant des valeurs de ΔrHº obtenues pour les réactions de complexation de surface à partir du système U(VI)/illite
The aim of this study was to understand and quantify the behaviour of U(VI) on the Callovo-Oxfordian(COx) clay which is envisioned to host high-level radioactive waste in France. The temperature effect up to 80°C on this behaviour was particularly studied. The first part of the work focussed on the thermodynamic properties of the calcium uranyl carbonate aqueous complexes which govern U(VI) speciation in solution. They were measured indirectly by sorption-based methodologies under controlled pCO₂ and pH. The results indicate that the temperature does not favour the formation of CaUO₂(CO₃)₃²⁻ (log₁₀ βº₁₁₃ = 27,3 ± 0,3 ; ΔrHº = -27,4 ± 8 kJ/mol) and does not affect the formation of Ca₂UO₂(CO₃)₃(aq)(log₁₀ βº₂₁₃ = 29,7 ± 0,3 ; ΔrHº = 0 ± 2 kJ/mol). A bottom-up approach with the published “2SPNE SC/CE”model was used for describing the sorption processes, with the assumption that the clay fraction of the COx (Illite, andI/S) governs U(VI) sorption.The model was successfully applied to reproduce a wealth of experimental data obtained with illite, the COₓ clay fractionand the COₓ clay rock as a function of key parameters (pH, pCO2, [U(VI)], [Ca]) at 20 °C. The sorption on COₓ conditions is mainly governed by the sorption of U(VI)-CO3 complexes and a new sorption constant is proposed for illite. An increase in temperature to 80 °C leads to an in-crease of U(VI) retention on COx. This increase is ac-companiedby a change of both pCO₂ and pH. The sorption model developed at 20 °C, together with the thermodynamic parameters describing U(VI) speciation in solution, can explain this increase but without obtaining a good agreement with the experiment. The model is improved by considering ΔrHº values for sur-face complexation reactions obtained for the U(VI))/illite system

Durante i lavori di scavo dell’imbocco sud della galleria Baldaia I, della strada statale Jonica 106, si sono registrati elevati valori di spostamento delle opere di sostegno che hanno indotto alla sospensione precauzionale dei lavori e ad una revisione delle modalità di completamento della galleria dopo uno studio dei dati di monitoraggio. L’area in esame ricade nella fossa di Catanzaro caratterizzata principalmente da unità plioceniche argillose limose grigio azzurre intercalate con areniti da debolmente a mediamente cementate e fortemente tettonizzate, secondo una dinamica estensionale avente direzione SE. L’osservazione del materiale estratto lungo le verticali di indagine ha permesso di ricostruire la stratigrafia del versante, che risulta pertanto caratterizzato da una formazione argillosa grigio azzurra, fortemente sovraconsolidata, intercalata da lenti sabbiose, talvolta debolmente cementate, di spessore da decimetrico a metrico. Gli strati hanno generale immersione verso SE (120 - 140°) con inclinazione media pari a 18-20°. Nei tratti coesivi della carota, diverse sono e le superfici lisce e traslucide rilevate, interpretabili come discontinuità; la loro presenza è confermata anche dai risultati delle verticali penetrometriche (CPTu) che presentano, alle medesime quote, repentini crolli della resistenza alla punta attribuibili all’attraversamento di questi piani di debolezza. Le verticali inclinometriche mostrano un cinematismo di tipo a blocchi in quanto gli scorrimenti si concentrano a precise profondità su bande di taglio di modesto spessore e il terreno contenuto tra le due discontinuità trasla rigidamente nella direzione del movimento. L’inclinometro A3, prossimo alla paratia, individua tre principali superfici di scorrimento, di cui la più profonda (-23 m da p.c.) coinvolge l’intera opera di sostegno. Il confronto delle letture inclinometriche a tale quota con il trend delle mire ottiche, fornisce risultati congruenti in termini di direzione e valore assoluto dello spostamento. Con lo scopo di ricostruire, in modo più esauriente, la cinematica, i volumi di terreno in gioco, la sequenza stratigrafica ed infine caratterizzare il comportamento meccanico del terreno con le sue discontinuità mediante attività di laboratorio e di sito è stato portato avanti un ampio programma sperimentale. Inoltre tre rilievi strutturali, effettuati su fronti di scavo aperti, hanno permesso di determinare la giacitura delle strutture stratigrafiche e tettoniche presenti. Essendo la stabilità del pendio governata dalle discontinuità è stato fondamentale caratterizzarle. Si è proceduto sia tramite la classica prova di taglio diretto residuo, sia valutando la resistenza su discontinuità naturali e su discontinuità prodotte artificialmente in laboratoro. Dalle prove condotte è stato possibile osservare che non si stimano differenze sostanziali di resistenza tra discontinuità naturali e discontinuità artificiali; i risultati sono sostanzialmente in accordo con quelli desunti dalla procedura standard di taglio residuo. L’angolo di resistenza residua presenta un valor medio di 20°, in pieno accordo con il limite superiore delle correlazioni di letteratura in funzione dell’indice plastico e della clay fraction. Le analisi di stabilità condotte con il metodo dell’equilibrio limite indicano fattori di sicurezza di poco superiori all’unità. La modellazione agli elementi finiti mostra un campo di deformazioni perfettamente congruente con le osservazioni inclinometriche, sia in termini di estensione a monte che in profondità (movimento a blocchi). Dalle analisi numeriche si evince, inoltre, che la presenza di acqua nelle fessure di trazione determina l’estensione a monte del cinematismo innescatosi alla fine degli scavi per la realizzazione del piazzale d’imbocco. La modellazione 3D conferma sostanzialmente i risultati della modellazione 2D. L’analisi tridimensionale consente anche di leggere l’evoluzione, in termini di direzione prevalente, degli spostamenti dell’opera d’imbocco. Sino alla penultima fase di scavo, in ogni tratto, la direzione è perpendicolare alla paratia, orientandosi invece, in corrispondenza dell’ultimo ribasso, nella direzione di massima pendenza del versante (135° rispetto al Nord geografico). Si assiste ad una traslazione rigida del blocco principale sui giunti di strato rilevati ed indicati come K1. Il lavoro fornisce un’interpretazione del fenomeno osservato e alcuni dettagli della soluzione tecnica perseguita dall’impresa per contrastare il movimento innescatosi. La scelta di appesantire il piede del versante si è rivelata efficace, in quanto i ‘’blocchi’’ in movimento sembrano aver raggiunto una posizione di equilibrio. Nell’area in esame, le strumentazioni ed i sistemi di monitoraggio installati verranno mantenuti in funzione in fase di esercizio dell’infrastruttura stradale. Utilizzando i dati del monitoraggio, si intende estendere ed aggiornare nel tempo il modello numerico proposto, ritenendolo un valido aiuto per l’intepretazione di questo fenomeno gravitativo sviluppatosi in formazioni strutturalmente complesse.
During the construction of the south portal of the tunnel Baldaia I along the SS106 motorway in Calabria, unexpectedly large and continuous displacements of the earth retaining structures occurred leading to a precautionary suspension of the excavation works. The geological area involved is the so called “Catanzaro Basin” which is apparently constituted by the uniform marine formations belonging to the pliocenic cycle; however, these formations are characterized by the marked presence of tectonic structures. The lithotype found is constituted of the alternation of stiff overconsolidated silty clays and clayey silts with silty sandy strata, rich in microfossils, from 0.1 m to 1 m thick. The dip direction of the strata in the landslide area is 120-140° and their inclination is about 20°. The main geological structures are associated to extensional type tectonics. To study the kinematics of the observed instability phenomenon, inclinometer probes were used together with the topographic monitoring of the portal structures; it was found that the unstable mechanism was deep-seated, block-type and extending over the entire slope. In this work, the site investigation activities carried out to understand the origin of the instability process are presented. Being the mass stability strictly related to shear strength along the discontinuities, discontinuity characterization was carried out on different outcrops located close to the site and laboratory shear tests were carried out on samples containing either pre-existing discontinuities or artificially created sliding planes. The residual strength was determined using three different procedures. Regardless of the shearing procedure, the residual friction angle always resulted close to 20°. This value is coherent with the values of residual angle that can be inferred from classical correlations, for plasticity index. A closer look at the displacement vs. time shows the tendency of displacements to accelerate during periods of heavy rain. This fact, together with the established presence of open tension cracks, suggests the hypothesis that the cleft pressure exerted by water penetration into the open fissures may act as the triggering external force. To interpret the monitored behaviour of the slope, three numerical schemes have been implemented using FEM commercial codes: the first in plane strain conditions by means of PLAXIS V8, the second in plane strain conditions by means of MIDAS GTS and the third using the three-dimensional MIDAS GTS. The interpretation of the observed behaviour is then given together with the description of the remedial measures. The link between the time evolution of the instability and the sequence of the excavation works is discussed in some detail.

L'augmentation constante du dioxyde de carbone dans l'atmosphère est considérée comme étant la cause principale du réchauffement climatique actuel. La séquestration géologique du CO2 semble être une des meilleures solutions envisageable pour réduire les rejets des gaz à effet de serre (dont le CO2) dans l'atmosphère, seulement si l'intégrité de la couverture du réservoir est préservée sur des centaines ou des milliers d'années. Des simulations expérimentales en batch ont été réalisées afin d'observer la réactivité d'une roche de couverture argileuse et d'une roche réservoir carbonatée en présence de CO2 à 80°C et 150°C pour une pression de 150 bar avec une eau équilibrée. Le protocole analytique mis en place a permis de comparer les roches avant et après expérimentation concluant à une réactivité très faible, centrée sur l'aluminium au niveau des phyllosilicates. Les analyses texturales montrent que le CO2 n'a pas d'incidence sur les propriétés d'adsorption et sur la surface spécifique. L'étude des carbonates du réservoir par la microscopie confocale a permis de mettre en évidence des phénomènes de dissolution-précipitation qui n'ont cependant pas d'impact important sur la chimie et la structure du réservoir. Les simulations numériques réalisées sur des minéraux de référence comme la montmorillonite calcique ou le clinochlore montrent une réactivité importante en présence de CO2 non atteinte expérimentalement, certainement due à des lacunes dans les bases de données thermodynamiques ou à la cinétique des réactions. Les simulations sur Bure ne montrent pas de réactivité sur les minéraux majeurs de la marne argileuse confirmant les résultats obtenus en expérimentation batch.

Dans le contexte du stockage géologique profond des déchets radioactifs, le comportement hydromécanique différé de l’argilite du Callovo-Oxfordien (COx) est étudié afin d’assurer les conditions de sûreté requises pour un stockage à long terme de déchets radioactifs. La première partie de l'étude s'appuie sur une approche phénoménologique menée directement à l'échelle macroscopique du matériaux rocheux et des ouvrages souterrains. Dans un premier temps, un modèle quasi-analytique du comportement hydromécanique d'une cavité sphérique profonde creusée dans un massif rocheux dilatant poro-viscoplastique est présenté. Cette modélisation considère trois étapes d'un cycle de vie simplifié de l’ouvrage souterrain : excavation, convergence libre et comportement post-fermeture. Ensuite, le développement, l’extension et l’évolution de la zone rocheuse endommagée par l'excavation (EDZ, Excavation Damaged Zone) sont étudiés à l'aide d’un code aux éléments finis. Cette zone endommagée fait référence à une région caractérisée par des changements importants et pour la plupart irréversibles des propriétés géochimiques et hydromécaniques de la roche. Des analyses de sensibilité et de probabilité sont aussi effectuées pour étudier l’évolution de l'étendue au cours du temps de l’EDZ. Dans la deuxième partie de l'étude, une approche numérique multi-échelles est utilisée pour étudier les effets de fluage et d'endommagement sur le comportement mécanique. Tout d'abord, un modèle basé sur la micromécanique, dans le cadre de modélisation de type éléments finis au carré (EF²), est développé pour modéliser le comportement à long terme de l'argilite du Callovo-Oxfordien. Pour simuler les effets visqueux de la matrice argileuse, deux mécanismes à l’échelle microscopique ont été introduits : la viscoplasticité des agrégats d'argile et la viscoélasticité de leurs contacts. Ensuite, le modèle de comportement de l’argilite du Callovo-Oxfordien développé à petite échelle est appliqué pour modéliser le comportement de fluage à grande échelle, c’est-à-dire à l'échelle du laboratoire et des galeries souterraines. À partir des résultats de simulations à l'échelle du laboratoire, un processus de fluage en trois étapes est reproduit. Il comprend les étapes de fluage primaire, secondaire et tertiaire. A l’échelle des galeries souterraines, l'effet à long terme de la viscosité est étudié sur l'évolution des convergences des galeries et de l'EDZ. Le drainage à long terme et l’évolution de la pression d’eau interstitielle autour d'une galerie sont aussi étudiés. Enfin, le modèle de fluage à double échelle qui a été développé et utilisé pour simuler le comportement de fluage d'une roche fissurée saturée en eau est étendu au cas partiellement saturé. L’objectif est d’étudier l'interaction hydrique entre la roche autour des galeries souterraines et l'air à l’intérieur de celles-ci qui se produit lorsqu’il y a une circulation d’air humide dans les galeries. Les prédictions du modèle reproduisent la cinétique de drainage et de désaturation des roches saines et endommagées
In the context of radioactive waste repository, the time-dependent hydromechanical behaviour of the Callovo-Oxfordian (COx) claystone is investigated to ensure the safety conditions required for long-term repository of radioactive wastes.The first two parts of the study are based on the phenomenological approach carried out directly at the macroscale. Firstly, a quasi-analytical model for the hydromechanical behaviour of a deep spherical cavity excavated in a dilatant poro-viscoplastic rock mass is presented, considering three stages of a simplified life cycle: excavation, free convergence and post-closure. Subsequently, the sensitive and probability analyses are carried out using the finite element code Cast3M toinvestigate the time-dependent extent of the Excavation Damaged Zone (EDZ) which refers to a region characterized by significant and mainly irreversible changes in geochemical and hydromechanical properties. In the following, a multiscale numerical approach is employed to investigate its creep and damage behaviour under mechanical condition. Firstly, a micromechanics-based model within the finite element square (FE2) framework is developed to model the short-term and long-term behaviours of saturated COx claystone. For the viscous behaviour, two microscale mechanisms have been introduced: the viscoplasticity of the clay aggregates and the viscoelasticity of their contacts. Then, the creep model of COx claystones developed at small scale is applied to model the large-scale creep behaviour at laboratory and gallery scales. From simulation results of laboratory scale, a clear three-stage creep process is reproduced, including the primary creep stage, second creep stage and tertiary creep stage. At the gallery scale, the long-term effect of viscosity on the gallery convergences, the evolution of EDZ, and the long-term drainage and pore pressure around a gallery are investigated. Finally, the above developed double-scale creep model used to simulate saturated cracked medium is extend to partial saturated case to study the interaction between rock and the atmosphere occurs through air circulation within underground galleries. The emphasis is to study the effect of the gallery air ventilation on hydromechanical behaviour of host rock. The model predictions reproduce the drainage and desaturation kinetics of undisturbed and damaged rock

Notre stratégie de développement «croissance à tout prix» a causé de nombreux problèmes environnementaux. Ainsi, la dépendance vis-à-vis des combustibles fossiles tels que le pétrole est encore plus élevée. On se doit de réduire cette dépendance. Parmi les stratégies permettant de réduire cette dépense on peut citer la production d'hydrogène, de gaz de synthèse ou d'autres produits utilisant du CO2 et/ou du CH4. L’utilisant de ces derniers est l'un des moyens prometteurs de convertir les gaz à effet de serre en produits chimiques est le procédé de reformage à sec du méthane. Ainsi, cette thèse vise à proposer de nouveaux supports utilisant de différents promoteurs pour améliorer la sélectivité et la stabilité des catalyseurs à base de nickel pour le reformage à sec du méthane ; et à analyser les performances catalytiques des catalyseurs préparés en associant les effets de température avec des caractérisations physico-chimiques telles que la mesure de surface, la diffraction des rayons X, et la désorption programmée à la température du CO2. Tout d'abord, différents promoteurs avec du nickel ont été imprégnés sur une argile naturelle ou de l’argile modifiée Fe/Cu de Tunisie. Deuxièmement, les catalyseurs dérivés de l'argile synthétique ont été préparés par une méthode de co-précipitation pour rechercher les influences de la structure sur le DRM. Enfin, les catalyseurs ayant la même composition que d'excellents catalyseurs dérivés de Ni-hydrotalcite ont été synthétisés mécaniquement par broyage planétaire pour comparer l'effet de la vitesse de rotation et de la préparation à des synthèses classiques
The development strategy of “growth-at-any-cost” has not been applied to the current development with the increased attention of various countries to environmental issues. But the dependence on fossil fuels such as petroleum will be still high in a short period of time based on the consideration of economic and social development. Thus, the focus on the production of hydrogen, syngas or other products using CO2 and/or CH4 that has attracted more attention in chemical products is the process of dry reforming of methane. Thus, this research focuses on proposing new supports loaded with different promoters to enhance the catalytic selectivity and stability of nickel-based catalysts for dry reforming of methane, and analyze the catalytic performance of prepared catalysts by associating temperature effects with multiple characterizations such as Brunauer-Emmett-Teller, X-ray diffraction, and CO2-temperature programmed desorption. First, different promoters with nickel are impregnated on natural clay or Fe/Cu-modified clay from Tunisia. Second, the synthetic clay derived catalysts are prepared by co-precipitation method to research the influences of structure on the DRM. In the end, the catalysts having the same composition as excellent Ni-hydrotalcite derived catalysts are further synthesized by ball milling to compare the effect of rotational speed and preparation

Surface manifestations of hydrothermal fluids such as fumaroles and hot springs provide valuable information about the level of activity of a volcano during quiescent period. Geochemical study of gas and spring waters is useful to elaborate geochemical model for magmatic-hydrothermal system. Furthermore, temporal geochemical monitoring of these fluids with time provides a better understanding in processes occurring inside the volcano and can be useful to detect any changes in the activity of the magmatic-hydrothermal system. This thesis investigates two hydrothermal systems at Kelud and Papandayan volcanoes that are located at Java Island in Indonesia. Kelud is considered as one of the most dangerous volcanoes of Java because of its frequent eruptions. After the last eruption that occurred in 1990, a new lake rapidly filled the crater of Kelud volcano. Water samples collected since 1993 are near neutral Na-K chloride fluids and are typical of aged hydrothermal system where the acidity has been completely neutralized by fluid-rock interaction and where the emission of acid magmatic gases has stopped. Two sudden increases in lake temperature in 1996 and 2001 were accompanied by rapid changes in lake water compositions and suggest the existence of two hydrothermal systems feeding the lake: a shallow hydrothermal system dominated by Ca-Mg sulfate waters and a deepest aquifer with neutral alkali chloride waters. From 2001 to 2005, measurements of CO2 emitted by the surface of the lake were performed by using the accumulation chamber method modified in order to work at the surface of a crater lake. Two statistical methods were used to process data: the graphical statistical and stochastic simulation methods. The results of graphical statistical approach showed that two different degassing processes are acting at the lake surface: one corresponding to CO2 fluxes resulting from rising bubbles and the other corresponding to equilibrium diffusion of dissolved CO2 at the water-air surface. Total CO2 emission rate estimated by stochastic simulation ranges from 105 t/day for 2001 to 32 t/day for 2005. Thermal energy released by the lake was also estimated by using an energy balance model with a new constraint using the CO2 flux. The thermal flux decreased from 200 MW (2001) to 100 MW (2002) and then remained stable. Correlation between the chemical data of waters, the fluxes of CO2 and energy show that a constant decrease in the level of activity of the volcano since 1993 occurred although the lake temperature has been stable since 2003. Since the last magmatic eruption that occurred in 1772, phreatic eruptions occur on Papandayan volcano with the last one in 2002. The volcanic material ejected during this eruption is essentially made of altered rocks from within the hydrothermal system. The interaction of acid waters with the host rocks corresponds to an advanced argilic alteration. The chemical compositions of waters from Papandayan volcano and Kelud lake waters are contrasting. Indeed, the spring waters sampled since 1994 are acid sulfate-chloride waters and acid sulfate waters. The chemical and isotopic analyses of gases and waters suggest a significant magmatic contribution in SO2, HCl and HF to the hydrothermal system. The chemical composition of waters sampled after the 2002 eruption have provided information about origin of this eruption. Decrease in chloride concentration and in delta 34S of dissolved sulfates showed that the magmatic contribution in these fluids are less important and that the waters are likely to be formed by the condensation of steam (H2O, H2S) rising from a boiling aquifer.

Doctorat en sciences, Spécialisation géologie
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