Thèse Comportement Hydromécanique de Solutions de Réparation et Durabilité des Milieux Géologiques pour le Stockage d'Énergie H/F - Université de Lille

Établissement : Université de Lille
École doctorale : ENGSYS Sciences de l'ingénierie et des systèmes
Laboratoire de recherche : LaMCube - Laboratoire de mécanique multiphysique et multiéchelle
Direction de la thèse : Jian-Fu SHAO ORCID 0000000266328207
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-15T23:59:59

Le stockage souterrain d'énergie tels que l'hydrogène et le dioxyde de carbone constitue une solution stratégique pour accompagner la transition énergétique et la réduction des émissions de gaz à effet de serre. Toutefois, la mise en oeuvre de ces stockages à grande échelle soulève des enjeux majeurs liés à l'intégrité et à la durabilité des infrastructures et des milieux géologiques hôtes. Les cycles répétés d'injection et de soutirage, combinés aux variations de pression, aux cycles hydriques et aux interactions physico-chimiques entre fluides et roches, induisent une évolution progressive des propriétés hydromécaniques des matériaux. Ces phénomènes peuvent se traduire par une dégradation de la résistance mécanique, une augmentation de la perméabilité, l'initiation de l'endommagement et l'apparition de venues de sable, compromettant la sûreté et la pérennité des ouvrages de stockage.

Par ailleurs, les solutions de réparation et de consolidation actuellement mises en oeuvre pour remédier à ces dégradations reposent majoritairement sur des matériaux à fort impact environnemental et présentent des performances limitées à long terme. Dans ce contexte, le développement de solutions de réparation durables, bas carbone et adaptées aux conditions sévères du stockage souterrain constitue un enjeu scientifique et industriel majeur. Les matériaux géopolymères ou les alcalis activés, apparaissent comme une alternative prometteuse, offrant de bonnes propriétés mécaniques et hydrauliques, une durabilité accrue et une empreinte environnementale réduite.

Cette thèse a pour objectif principal d'évaluer et de caractériser le comportement hydromécanique de matériaux géologiques consolidés (ici de type grès), ainsi que de systèmes réparés ou renforcés par des solutions géopolymères, soumis à des cycles hydriques représentatifs des conditions de stockage de l'hydrogène et du CO. Une attention particulière sera portée à l'évolution des paramètres de résistance au cisaillement, décrits par le critère de Mohr-Coulomb (cohésion et angle de frottement interne), ainsi qu'à l'évolution de la perméabilité, considérée comme un paramètre clé pour la maîtrise des écoulements et la prévention des venues de sable.

L'approche expérimentale reposera sur des essais hydromécaniques réalisés en laboratoire, incluant des chargements cycliques et des conditions hydriques contrôlées. Des essais complémentaires pourront intégrer des environnements chimiques spécifiques, représentatifs des stockages d'hydrogène et de CO (eaux enrichies, milieux réactifs), afin d'évaluer les mécanismes de dégradation chimio-mécanique et leur impact sur les performances à long terme des matériaux et des solutions géopolymères. Ces travaux permettront d'identifier les paramètres clés qui influent sur les propriétés mécaniques et hydrauliques sous sollicitations complexes.

En complément de l'approche expérimentale, la thèse intégrera un volet de modélisation numérique avancée. Les méthodes en milieux discrets, telles que la péridynamique et la MPM (material point method), seront enrichies and étendues au couplage hydromécanique en milieux poreux, afin de décrire efficacement les processus de fissuration et de dégradation conduisant aux venues de sable. Les modèles développés seront calibrés et validés à partir des résultats expérimentaux, avec pour objectif de proposer des outils de prédiction capables d'anticiper le comportement à long terme des matériaux consolidés et réparés.

Les résultats attendus contribueront à une meilleure compréhension des mécanismes hydromécaniques et chimio-mécaniques à l'origine de la dégradation des stockages souterrains. Ils permettront également de proposer des solutions de réparation durables et innovantes, basées sur l'utilisation de géopolymères, contribuant à la sécurisation, à la durabilité et à l'acceptabilité environnementale des infrastructures de stockage souterrain d'énergie.

Le comportement hydromécanique et la durabilité des milieux poreux (roches, matériaux cimentaires, matériaux poreux en général) sous sollicitations couplées constituent un enjeu central pour la sûreté des ouvrages soumis à des conditions hydriques variables. Les travaux du laboratoire ont contribué de manière significative à l'étude des liens entre microstructure, endommagement, résistance mécanique et transport (en particulier la perméabilité), en mobilisant des approches expérimentales et de modélisation adaptées aux matériaux hétérogènes. Par exemple, les effets de la présence de pores et d'inclusions sur la déformation plastique/viscoplastique de matériaux de type roche ont été analysés (Cao et al., 2018), en lien avec la compréhension des mécanismes internes gouvernant la réponse mécanique. Dans une logique similaire, des études numériques dédiées à des matériaux cimentaires ont permis de relier chargements mécaniques, évolution microstructurale et conséquences mécaniques (Jia et al., 2017), soulignant l'importance de coupler les phénomènes de dégradation et la réponse mécanique.

Une part importante de l'état de l'art du laboratoire concerne la dégradation chimio-mécanique et ses conséquences sur les propriétés mécaniques et hydrauliques. Les travaux menés sur des pâtes de ciment, en particulier dans des conditions représentatives de dégradations par lixiviation/altération chimique, montrent que la dégradation chimique influence la réponse mécanique globale et modifie durablement les propriétés du matériau (Yurtdas et al., 2011). Dans cette continuité, l'évolution conjointe de la déformation et de la perméabilité sous dégradation chimique (incluant l'effet de la température) a été étudiée de façon détaillée (Yurtdas et al., 2011), apportant des éléments structurants pour analyser la perte progressive de performances et les risques associés (augmentation de la perméabilité, fragilisation, accélération des transferts).

Le laboratoire a également développé des contributions fortes sur les effets des cycles hydriques et de la dessiccation sur les matériaux cimentaires et assimilés, en établissant des liens entre désaturation, retrait, poromécanique et dégradation mécanique. Les mécanismes de désorption d'eau et de retrait ont été étudiés expérimentalement et modélisés dans une perspective poromécanique (Rougelot et al., 2009), mettant en évidence l'impact des états hydriques sur l'endommagement et la réponse mécanique. Les effets du séchage sur le comportement poromécanique des mortiers ont également été documentés (Skoczylas et al., 2007), tandis que l'impact de la dessiccation sur le comportement mécanique de composites cimentaires a été mis en évidence (Burlion et al., 2005). Enfin, des travaux combinant description par microtomographie et approche numérique ont montré comment la lixiviation pouvait générer de la microfissuration, susceptible d'altérer la durabilité et les transferts (Rougelot et al., 2010). Ces résultats constituent un socle direct pour aborder les problématiques d'endommagement, de fissuration et d'évolution de perméabilité dans des matériaux soumis à des cycles hydriques.

Plus récemment, le laboratoire a étendu ces compétences aux géopolymères, matériaux à potentiel de réparation/consolidation plus durable, en caractérisant leurs propriétés physiques et mécaniques, ainsi que leur sensibilité à l'âge et à la pression de confinement (Xu et al., 2025). Une contribution particulièrement en phase avec les besoins des stockages souterrains concerne la perméabilité au gaz et le lien microstructure / comportement mécanique sur des matériaux rock-like renforcés (Xu et al., 2025). Ces travaux fournissent une base scientifique robuste pour envisager des solutions de consolidation à base de géopolymères, en évaluant leur capacité à maintenir des performances mécaniques et hydrauliques dans le temps, et en ciblant explicitement des propriétés clés pour l'intégrité (résistance, endommagement, perméabilité).

Dans ce contexte, la thèse proposée s'inscrit de manière naturelle dans la continuité des travaux du laboratoire : (i) approfondir l'analyse du comportement hydromécanique de matériaux poreux sous cycles hydriques, (ii) quantifier l'évolution des paramètres de résistance et de perméabilité, (iii) intégrer l'effet de milieux agressifs sur la dégradation (logique chimio-mécanique déjà présente dans les travaux sur pâtes de ciment), et (iv) évaluer des solutions de réparation/consolidation plus durables via les géopolymères, en s'appuyant sur des résultats récents déjà acquis sur leurs propriétés mécaniques et de transport.
L'originalité réside dans le positionnement stockage d'énergie, la prise en compte explicite des mécanismes menant à la perte d'intégrité (dont les venues de sable) et l'adossement à une modélisation avancée orientée endommagement.

L'objectif général de la thèse est d'améliorer la compréhension et la prédiction du comportement hydromécanique et de la durabilité des matériaux géologiques et des infrastructures associées au stockage souterrain d'énergie, en intégrant des solutions de réparation durables.

Les objectifs spécifiques sont les suivants :

1.Caractériser expérimentalement le comportement hydromécanique de matériaux géologiques consolidés soumis à des cycles hydriques représentatifs des conditions de stockage souterrain de l'hydrogène et du CO.

2.Évaluer l'évolution des paramètres de résistance mécanique, en particulier la cohésion et l'angle de frottement interne selon le critère de Mohr-Coulomb, sous sollicitations hydriques et mécaniques cycliques.

3.Analyser l'évolution de la perméabilité et des mécanismes de transport dans les matériaux, en lien avec l'endommagement et l'apparition de venues de sable.

4.Étudier les effets des interactions chimio-mécaniques, notamment en présence de fluides spécifiques (eaux enrichies en CO, environnements réducteurs liés à l'hydrogène), sur la dégradation à long terme des matériaux.

5.Développer et évaluer des solutions de réparation durables basées sur des matériaux géopolymères, visant à renforcer la durabilité des infrastructures et à limiter les mécanismes de dégradation.

6.Mettre en oeuvre des outils de modélisation robuste avec des méthodes numériques avancées permettant de décrire des discontinuités (péridynamique et MPM), afin de prédire la fissuration, l'décohésion d'interfaces entre grains et les venues de sable dans les matériaux consolidés et réparés.

La méthodologie proposée repose sur une approche intégrée combinant expérimentation, analyse physico-chimique et modélisation numérique.

Approche expérimentale

Les travaux expérimentaux consisteront à :
-Caractériser les propriétés initiales des matériaux étudiés (porosité, perméabilité, propriétés mécaniques).
-Réaliser des essais hydromécaniques sous chargements cycliques (essais triaxiaux, mesures de perméabilité).
-Déterminer l'évolution des paramètres de résistance selon le critère de Mohr-Coulomb.
-Étudier les effets des cycles hydriques sur l'endommagement et la perméabilité.
-Mettre en oeuvre des essais chimio-mécaniques en présence de fluides spécifiques représentatifs des stockages d'hydrogène et de CO.
-Évaluer les performances hydromécaniques et la durabilité de solutions de réparation à base de géopolymères.

Approche numérique

En complément, un outil de modélisation numérique, basé sur deux méthodes avancées (péridynamique et MPM) sera développé. Cette approche en milieux discrets permettra de :
-Décrire l'initiation et la propagation de fissures.
-Décohésion d'interfaces entre grains.
-Simuler les processus conduisant aux venues de sable.
-Coupler les effets hydromécaniques et, le cas échéant, chimiques.
-Les modèles seront calibrés et validés à partir des résultats expérimentaux.

-Étudiant(e) M2 ou élève d'ingénieur en Mécanique, Génie Civil, Physique
-Connaissances en science des matériaux
-Connaissances en mécanique des solides et des fluides