Etude et modélisation des processus d’endommagement du tuffeau par cycles de déformation hydromécanique

Le/la doctorant.e aura pour mission de conduire une recherche doctorale ambitieuse dans le domaine du génie civil à l’interface entre expérimentation et modélisation, à travers l’étude de la durabilité de pierres du patrimoine. Le projet s'inscrit dans une perspective de compréhension et de prédiction des phénomènes de dégradation des pierres des châteaux de la Loire, et donc de préservation du patrimoine bâti. Cette thèse financée par l’Université d’Orléans sera encadrée au laboratoire Gabriel Lamé (LaMé) par une équipe scientifique composée de spécialistes de la durabilité et du comportement hydromécanique du tuffeau (Xavier Brunetaud et Kévin Beck de l’équipe « Dégradation, fatigue et vulnérabilité ») et de la modélisation prédictive (Yudan Jin, équipe « Caractérisation et Modélisation Multi-échelles, Multi-physiques »).

Contexte

Au laboratoire de mécanique Gabriel Lamé (LaMé), une thématique de recherche historique concerne l’étude des processus de vieillissement des pierres utilisées pour la construction et la restauration des châteaux de la Loire. Ces études sont motivées à la fois par la montée en compétences au sein du LaMé dans ce domaine, mais aussi par le contexte socio-économique de la région Centre-Val de Loire, qui donne une utilité et une voix de valorisation à ces recherches.

L’ambition de ces recherches est de comprendre jusqu’à être capable de prédire par modélisation le processus d’endommagement du tuffeau dans sa forme d’altération la plus dommageable : la desquamation en plaques. L’étude hydromécanique de cette dégradation par délamination d’une couche superficielle a été approfondie durant les thèses de Assad Al-Omari (2011-2014), Mohamed Ahmed Hassine (2014-2018), et plus récemment Mohamad Daher (2021-2024). Cette dernière s’est penchée sur l’utilisation de la corrélation d’images numériques pour observer les champs de déformation induits par des transferts d’eau dans le réseau poreux de la pierre. L’utilisation de la corrélation d’images vise à s’affranchir des limites d’observations induites par les jauges de déformation, trop locales, trop macroscopiques et soumises à incertitude liée à l’hétérogénéité du matériau. Le principal défi a été d’accéder à des précisions en déformation de l’ordre de 10^-6 et de compenser les changements de couleurs induits par la saturation du réseau poreux par de l’eau et qui mettent en périls l’un des fondements de la méthode basée sur la conservation de la couleur. Ces défis métrologiques ont été relevés avec succès, ce qui a permis d’observer pour la première fois des champs de déformation hydrique de manière fiable et détaillée, mettant en avant le rôle de l’hétérogénéité du milieu et des conditions aux limites mécaniques appliquées au système.

Objectif de la thèse

Les avancées majeures obtenues aujourd’hui grâce à la corrélation d’images permettent d’envisager d’étudier une plus large gamme de phénomènes : retrait de séchage, cycles hydriques générant du gonflement-retrait, implications de conditions aux limites mécaniques complexes, jusqu’à la reproduction en laboratoire du processus de fissuration responsable de la desquamation en plaques.

Pour une compréhension plus fine de l’origine du gonflement hydrique du tuffeau, une autre piste réside dans l’utilisation de la corrélation d’images 3D obtenus grâce à la micro-tomographie X. Les quelques tests réalisés à ce jour au laboratoire, insuffisamment détaillés et précis, n’ont pas permis de sonder le potentiel de cette méthode d’observation. Être capable de détecter les zones de gonflements liées à la localisation des sites argileux, et de quantifier l’amplitude de leur gonflement par corrélation 3D, permettrait d’éclairer le rôle des argiles et de leur distribution hétérogène dans le matériau.

Les avancées expérimentales obtenues ouvrent désormais la possibilité de structurer un travail de modélisation hydromécanique articulé en plusieurs étapes. Il s’agira dans un premier temps de développer un modèle décrivant les transferts d’eau et les déformations associées au sein du tuffeau, afin d’identifier les états de contraintes susceptibles d’initier l’endommagement. Dans un second temps, ce modèle sera enrichi par l’intégration d’un cadre d’endommagement permettant de représenter l’initiation et la propagation des fissures, puis d’analyser les effets cumulatifs liés à la répétition des cycles hydriques. L’objectif est de relier de manière cohérente observations expérimentales et modélisation, afin de proposer à terme un outil d’analyse capable d’évaluer l’évolution d’une pierre en fonction de ses propriétés et de ses conditions en ouvrage. Une prise en compte progressive des hétérogénéités microstructurales pourra être envisagée selon l’avancement des travaux expérimentaux.

Le LaMé regroupe des enseignants-chercheurs en mécanique d’écoles d’ingénieurs et d’IUT des universités d’Orléans (UO) et de Tours (UT) ainsi que de l’INSA Centre Val de Loire (INSA CVL) et est ainsi localisé sur 5 campus : Blois, Bourges, Chartres, Orléans et Tours. Les thèmes principaux du LaMé portent sur la caractérisation mécanique des matériaux et des structures en vue de leur modélisation. Les verrous scientifiques abordés sont souvent couplés à d’autres physiques (thermique, chimie, hygrométrie…) et peuvent mettre en avant des approches et compréhensions microscopiques, macroscopiques ou couplées.

Le laboratoire est structuré en 4 équipes : Comportement Mécanique des Matériaux et Procédés ; Dynamique et Vibrations des Structures ; Caractérisation et Modélisation Multi-échelles, Multi-physiques ; Dégradation, Fatigue et Vulnérabibilité

Profil ouvert, avec connaissances souhaitées en Matlab, caractérisation mécanique des matériaux, et modélisation mécanique.

Une familiarité avec les techniques spécifiques du projet est appréciée, mais non requise : un accompagnement adapté permettra au doctorant ou à la/au doctorant.e de monter en compétences tout au long de la thèse.