Etude et modélisation des processus d'endommagement du tuffeau par cycles de déformation hydromécanique // Study and modeling of tuffeau damage processes by hydromechanical deformation cycles

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.
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At the Gabriel Lamé Mechanics Laboratory (LaMé), a long-standing research theme concerns the study of the aging processes of the stones used in the construction and restoration of Loire Valley châteaux. This research is driven both by the growing expertise within LaMé in this field and by the socio-economic context of the Centre-Val de Loire region, which provides a practical application and a platform for its application.
The ambition of this research is to understand, and even predict through modeling, the damage process of tuffeau limestone in its most damaging form of deterioration: spalling. The hydromechanical study of this degradation through delamination of a surface layer was further developed during the doctoral theses of Assad Al-Omari (2011-2014), Mohamed Ahmed Hassine (2014-2018), and more recently, Mohamad Daher (2021-2024). This study focused on using digital image correlation to observe deformation fields induced by water transfer within the porous network of stone. Digital image correlation aims to overcome the observational limitations imposed by strain gauges, which are too localized, too macroscopic, and subject to uncertainty due to material heterogeneity. The main challenge was achieving deformation accuracies on the order of 10⁻⁶ and compensating for color changes caused by water saturation of the porous network, which compromise one of the fundamental principles of the color-preserving method. These metrological challenges were successfully met, enabling the first reliable and detailed observation of water-induced deformation fields, highlighting the role of the heterogeneity of the medium and the mechanical boundary conditions applied to the system.

Thesis Objective
The major advances achieved today through image correlation make it possible to study a wider range of phenomena: drying shrinkage, water cycles generating swelling and shrinkage, the implications of complex mechanical boundary conditions, and even the laboratory reproduction of the cracking process responsible for flaking in slabs.
For a more detailed understanding of the origin of water swelling in tuffeau limestone, another avenue lies in the use of 3D image correlation obtained through X-ray micro-tomography. The few tests carried out to date in the laboratory, insufficiently detailed and precise, have not allowed us to explore the potential of this observation method. Being able to detect swelling zones linked to the location of clay sites, and to quantify the amplitude of their swelling through 3D correlation, would shed light on the role of clays and their heterogeneous distribution within the material.
The experimental advances achieved now make it possible to structure a multi-stage hydromechanical modeling process. The first step will be to develop a model describing water transfers and associated deformations within the tuffeau limestone, in order to identify the stress states likely to initiate damage. The second step will be enhanced by integrating a damage framework to represent the initiation and propagation of cracks, and then to analyze the cumulative effects linked to repeated water cycles. The objective is to coherently link experimental observations and modeling, ultimately providing an analytical tool capable of assessing the evolution of a stone based on its properties and conditions within a structure. A progressive consideration of microstructural heterogeneities can be considered as the experimental work progresses.
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Début de la thèse : 01/10/2026
WEB : https://www.mechlabgabriellame.fr/

Financement d'un établissement public Français

Université d'Orléans

552 Energie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers - EMSTU

Profil ouvert, avec connaissances souhaitées en Matlab, caractérisation mécanique des matériaux, et modélisation mécanique. Une connaissance 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. Fournir un CV et une lettre de motivation par e-mail aux encadrants : xavier.brunetaud@univ-orleans.fr, kevin.beck@univ-orleans.fr , yudan.jin@univ-orleans.fr
Open profile, with desirable knowledge of Matlab, mechanical characterization of materials, and mechanical modeling. Knowledge with the specific techniques of the project is appreciated, but not required: tailored support will allow the doctoral candidate to develop their skills throughout the PhD. Please send a CV and cover letter by email to the supervisors: xavier.brunetaud@univ-orleans.fr, kevin.beck@univ-orleans.fr , yudan.jin@univ-orleans.fr