Approche mésoscopique pour la modélisation du comportement des géomatériaux hétérogènes: application à la fragmentation des roches sous sollicitations rapides de type mécanique, thermique et électrique. // mesoscopic approach for modeling the behavior of

Topic description

L'objectif de cette thèse est de développer une approche mésoscopique dans laquelle chaque
grain est modélisé avec ses caractéristiques propres, afin de reproduire le comportement
global observé sur des éprouvettes de laboratoire. Le travail vise à établir la cohérence entre la
réponse mesurée à l'échelle macroscopique et les réactions locales de chaque constituant,
en tenant compte de leur distribution en nombre, en taille et en position. Le granite, composé
de trois minéraux présentant chacun un fuseau granulométrique spécifique, constituera le
matériau de référence pour cette modélisation.
Les résultats de ce travail pourront être utilisés par d'autres scientifiques du Centre travaillant
à l'échelle des grains des géomatériaux.
Ce travail de modélisation va pouvoir bénéficier de nombreux résultats expérimentaux obtenus dans
le cadre de projets de recherches appliqués au broyage des minerais, au broyage des bétons de
démolition, au forage électrique dans des granites. La validation de la partie mécanique du modèle
sera également possible à partir des résultats mécaniques sur matériaux hétérogènes obtenus dans
notre halle d'essais depuis des années.
Un modèle numérique sera donc développé pour prédire le claquage électrique des matériaux, sa
rupture mécanique. Les résultats, confrontés aux données expérimentales, permettront de définir
des critères d'optimisation énergétique pour l'électro-fragmentation.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

.Current challenges in geomechanics require studying geomaterials at scales close to those of their natural heterogeneities. Classical approaches based on equivalent homogeneous materials, relying on properties measured in centimeter-scale volumes, no longer adequately describe the phenomena encountered in several applications developed within our team. Recent work on granites demonstrates the importance of explicitly incorporating the granular structure to understand their mechanical behavior (Dumoulin, ).
The installation of new microscopy and image analysis equipment at the Geosciences Centre now allows for a detailed characterization of the mesostructure of geomaterials: segmentation of mineral phases, grain size distributions, and quantification of heterogeneities.
Within this general framework, several innovative techniques exploit the weakness of rocks at grain boundaries or under tension. Among them, high-voltage pulsed electro-fragmentation represents a promising application, combining electrodynamic and electrohydraulic effects. Although its advantages in terms of selectivity and phase release have been demonstrated (Bru, ), many questions remain open regarding the physical mechanisms involved and the energy optimization of the process (Dakik, ).
This proposed thesis falls within the mesoscale research area of our team and builds upon a continuity of doctoral work. It extends the research of M. Azabou on the thermomechanical behavior of saline rocks, as well as that of H. A. Aldannawy on the behavior of rocks under dynamic loading. It also follows logically from the thesis of M. Dakik dedicated to electro-fragmentation. Together, this work structures a coherent framework for developing mesoscopic models that explicitly integrate grains, their interactions, and their individual properties.
The aim of this thesis is to develop a mesoscopic approach in which each grain is modeled with its own characteristics, to reproduce the overall behavior observed in laboratory specimens. The work seeks to establish consistency between the response measured at the macroscopic scale and the local reactions of each constituent, considering their distribution in number, size, and position. Granite, composed of three minerals each with a specific grain size range, will serve as the reference material for this modeling.
A numerical model will therefore be developed to predict the electrical breakdown of materials and their mechanical failure. The results, compared with experimental data, will allow us to define energy optimization criteria for electro-fragmentation.
K. Bru, S. Touzé, P. Auger, S. Dobrusky, J. Tierrie, D. B. Parvaz, Investigation of lab and pilot scale electric-pulse fragmentation systems for the recycling of ultra-high-performance fibre-reinforced concrete, Minerals Engineering, Volume ,
Dumoulin S., Thenevin I., Kane A., Rouabhi A., Jahangir E., Sellami H. A complete experimental study on hard granites: microstructural characterization, mechanical response, and failure criterion, Déc. Geomechanics for Energy and the Environment
Dakik M., Sellami H., Rouabhi A, Thenevin I., Bru K., Ménard Y. Rock Fragmentation by High-Voltage Pulses 12th conference of the French Society of Electrostatics, Jul, Cherbourg en Cotentin, France
H. Aldine Aldannawy. Le forage percussif en conditions extrêmes : expérimentations et modélisations numériques. Ingénierie de l'environnement. Université PSL,
M. Azabou. Modélisation et prédiction du comportement macroscopique du sel gemme dans le contexte du stockage souterrain. Sciences de la Terre. Université PSL,
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Début de la thèse : 01/10/

Funding category

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

Funding further details

Concours pour un contrat doctoral