ER 1 – Modélisation et caractérisation multi-échelle des problèmes couplés

Responsable de l’équipe : Ali ZAOUI

Les recherches de cette équipe concernent le développement et l’utilisation de la modélisation à plusieurs échelles dans l’objectif d’améliorer la compréhension du comportement des géomatériaux et des ouvrages en prenant en compte le caractère multi-échelle des problèmes rencontrés. Il s’agit de modéliser le comportement et de caractériser des matériaux en allant de l’échelle nanométrique à l’échelle macroscopique.

Trois thèmes principaux sont considérés dans cette équipe: le thème 1 se focalise exclusivement sur les études à l’échelle nanométrique (modélisation aux petites échelles), le thème 2 s’appuie sur les différentes échelles allant de la nano à la macro et enfin le thème 3 se concentre sur la modélisation à l’échelle macroscopique.

Les sujets traités concernent principalement les géomatériaux à toutes les échelles jusqu’à celle de l’ouvrage, les différents couplages (hydro-thermo-mécanique, physico-chimique…) et l’interaction de l’ouvrage avec son environnement.

D’autre part, la caractérisation des divers matériaux (y compris les géomatériaux) constitue le principal objet du thème 2 où on peut noter notamment des travaux expérimentaux basés sur l’indentation instrumentée ainsi que son développement.

Les travaux sont classés dans trois thèmes :

Thème 1 : Modélisation à l’échelle nanométrique des géomatériaux

Ce thème vise à étudier les propriétés des géomatériaux à l’échelle nanométrique dans des environnements variables de température, de pression, de fluide et de contaminants aussi bien en volume qu’en surface. Nous employons en particulier des méthodes de modélisation et de simulation atomistique incluant les méthodes de premier principe (ab initio), la dynamique moléculaire et Monte Carlo. Les travaux en question couvrent un large éventail de systèmes incluant les roches, les argiles et le béton. L’originalité de ces travaux réside dans le rôle pionnier du LGCgE dans ce domaine. Il permet de le positionner aux meilleurs niveaux à l’échelle internationale avec à la fois un aspect fondamental et appliqué. Ce thème bénéficie d’étroites collaborations internationales avec des collègues de Suède, Etats-Unis, Autriche, Chine et Angleterre. Une formation de master 2 international concernant la nanoscience et la nanotechnologie en génie civil a été créée. Elle ouvre la voie à de nouveaux doctorants spécialisés dans ce domaine.

Thème 2 : Caractérisation mécanique multi-échelle des matériaux

Ce thème s’intéresse à tout type de matériaux : des matériaux massifs homogènes ou hétérogènes, métalliques, céramiques ou polymères, revêtus ou non. Il a comme objectif principal la détermination de leurs propriétés mécaniques à des échelles locales et globales et l’identification de leurs lois de comportement en petites et grandes déformations selon leurs propriétés. Ce thème est abordé en mettant un accent sur la relation entre la modélisation et l’expérimentation. C’est pourquoi, un premier axe concerne l’utilisation de l’indentation instrumentée pour la caractérisation mécanique des matériaux. Cette approche permet d’aborder une large variété de propriétés et donc de s’intéresser à des matériaux purement élasto-plastiques, comme les métaux et les céramiques, ou à des matériaux polymères pour lesquels l’aspect visqueux peut être pris en considération. Concernant les systèmes polymères, un accent est porté sur le développement et la vérification expérimentale de modèles de comportement et de critères de fatigue et de rupture.

Caractérisation mécanique par indentation multi-échelles.

De manière générale, on s’intéresse à la caractérisation mécanique des matériaux, principalement par indentation, avec une approche matériaux en prenant en compte divers paramètres (multiphasique, hétérogène, poreux, revêtu...) et une approche plutôt orientée vers le développement de la technique d’indentation. Toutes les échelles de mesure sont abordées, de la nano à la macro, différents modes sont utilisés (classiques, CSM et multi-cycliques) et différentes propriétés sont étudiées. Outre la caractérisation mécanique des matériaux, on s’intéresse au développement de l’indentation instrumentée aux différentes échelles de mesure pour la détermination des propriétés mécaniques de surface. Il s’agit principalement de la dureté mais aussi du module d’élasticité, de la ténacité et des propriétés mécaniques de traction par méthodes inverses, des lois de comportement en fluage et en relaxation. Notre objectif est d’approfondir nos connaissances sur la méthodologie, ses contours et ses limites pour l’obtention de propriétés fiables et pertinentes. C’est pourquoi nous étudions une grande variété de matériaux sous formes massives aux comportements mécaniques différents (des métaux aux céramiques), de matériaux fortement hétérogènes comme les géomatériaux (bétons), de matériaux revêtus de films minces (< 10 μm) ou plus épais (quelque 100 μm), de structures homogène ou hétérogène ou encore des matériaux à gradient de propriétés en surface obtenus par traitements mécaniques ou thermochimiques. Cette diversité d’étude de cas nous a permis de bien progresser sur la connaissance des matériaux nouveaux, mais il reste encore des verrous scientifiques à lever comme la prise en compte de paramètres expérimentaux (rigidité de la machine, défaut de pointe...), l’effet de taille en indentation, la modélisation des propriétés mécaniques des matériaux revêtus ou à gradient et enfin la recherche de paramètres pertinents pour caractériser les matériaux fortement hétérogènes comme le sont ceux du génie-civil.

Thème 3 : Modélisation à grande échelle des interactions sol-structure

La problématique traitée dans ce thème concerne la modélisation et la prévision du comportement des ouvrages complexes en prenant en compte différents couplages (mécanique, thermique, hydraulique, sol- atmosphère, sol-structure), des chargements complexes, tels que le chargement sismique ou du mouvement des sols liés aux excavations ou des déformations d’origines thermiques ou hydriques et des géométries complexes (3D, évolutives ou milieux fracturés...).

Originalité et positionnement.

L’originalité de ces travaux réside dans l’utilisation d’une approche numérique globale intégrant les différents éléments de complexité (géométrie 3D, comportement non linéaire, différents couplages de phénomènes...) pour analyser le comportement des ouvrages aux différents types de sollicitations, y compris les sollicitations imposées par l’environnement de l’ouvrage. La modélisation intégrée débouche souvent sur des modèles plus simples et/ou des recommandations pratiques pour la conception, la réhabilitation et ou l’exploitation de l’ouvrage.

Démarche et actions entreprises.

La démarche s’appuie sur des développements numériques nouveaux, l’intégration d’une partie de ces développements dans des logiciels ou plates-formes existantes, la validation des modèles sur des essais ou des observations et leurs applications à l’analyse du comportement des ouvrages sous différents types de sollicitations.

Membres Publications Thèses Collaborations

2025Article de journal ER1

Auteurs : Zhang, Li-Lan; Zaoui, Ali; Sekkal, Wassila

Exfoliated montmorillonite nanofillers role on the high performance and the permeability of polyamide nanofiltration membrane

Dans: Journal of Membrane Science, vol. 713, p. 123303, 2025, (ACL).