Soutenance de thèse de Roy CHAAYA

Les matériaux argileux naturels ou ouvragés sont utilisés dans de nombreux environnements sensibles autour de l’usage et de l’exploitation du sol et du sous-sol (stockage d’énergie, de déchets radioactifs, séquestration du CO2). Les propriétés géochimiques et mécaniques des argiles, notamment les bentonites, font l'objet d'études depuis des décennies pour le stockage à long terme des déchets nucléaires dans des formations géologiques. En effet, la faible perméabilité et le potentiel de gonflement des matériaux argileux assure au moins une partie des fonctions de sûreté pour le confinement des radionucléides. Si l’activité de l’eau ou la chimie de l’eau sont connues pour affecter les propriétés de gonflement des bentonites, très peu d’études ont été menées sur l’effet de la température sur l’hydratation. L'effet de la température sur le comportement gonflant des bentonites reste ainsi un sujet de recherche peu étudié, alors que ces matériaux pourraient être exposés à des températures proches de 100°C au niveau des alvéoles de stockage. Ainsi, cette thèse s’intéresse au gonflement des argiles lorsqu’elles sont hydratées à des températures pouvant atteindre 150°C. Le gonflement des argiles résulte des interactions eau-smectite à différentes échelles, de l’espace interfoliaire à l’espace interparticulaire, et est fonction des conditions physico-chimiques à la surface des feuillets. On cherche ainsi à évaluer expérimentalement l’effet de la température sur l’hydratation à différentes échelles d’interaction eau/argile, à savoir la composante cristalline et osmotique responsables du gonflement des bentonites. Dans ce contexte, des cellules œdométriques miniaturisées ont été développées pour pouvoir réaliser simultanément des mesures de pression de gonflement et des analyses de diffraction de rayons X aux grands angles (WAXS) au cours de l’hydratation à volume constant. On peut ainsi suivre l’évolution de la microstructure à l’échelle sub-nanométrique avec la distribution des couches moléculaires d’eau adsorbées entre les feuillets. Des essais de gonflement drainés à volume constant ont été réalisés sur des échantillons de montmorillonites (Kunipia-G (Na) et Kunipia-G (Ca)) compactés à des densités apparentes sèches de 1,4 ; 1,5 ; 1,6 et 1,8 g/cm3 et hydratées à des températures de 25°C à 150°C. Les résultats montrent qu’une augmentation de la température de 25°C à 100°C provoque une diminution de la pression de gonflement de la Kunipia-Na. Par contre, la pression de gonflement de la Kunipia-Ca demeure quasi constante. Il faut atteindre une température de 150°C pour observer une diminution de la pression de gonflement de la forme calcique alors que la pression s’effondre à 150°C pour la forme sodique. Nos essais montrent également que la pression de gonflement diminue d’autant plus avec la température que la densité est élevée. Ces résultats sont corroborés par des isothermes d’adsorption d’eau acquises, pour des montmorillonites saturées sodiques ou calciques, à l’état compacté, à 25°C et 42°C qui montrent une diminution de la capacité de rétention d’eau pour la Kunipia-Na avec l’augmentation de la température. Ces données sont confrontées à des modèles thermodynamiques sur l’hydratation des argiles pour expliquer le comportement macroscopique des argiles sous l’effet de la température. L’interprétation de ces résultats suggère que la température impacte principalement le gonflement cristallin des smectites sodiques et calciques pour des milieux compactés (> 1,2 g/cm3). Les différences mesurées entre ces matériaux sont potentiellement liées à une affinité à l’eau différente des cations Na+ et Ca2+ avec la température. L’hypothèse que la diminution de la pression cristalline avec la température explique la baisse observée de la pression de gonflement est renforcée par le fait que la température induit une légère augmentation de la pression osmotique.