Ce projet serait sous la direction de : M. Stephen HEDANet M. Dimitri PRET
Unité de recherche : IC2MP – Equipe Hydrasa
Ecole doctorale : Rosalind Franklin – énergie, environnement, bio santé
Intitulé du sujet :
Retrait/gonflement de milieux argileux et sols aux petites échelles par imagerie 4D
Shrinkage/swelling of clayey media and soils at small scales by 4D imaging
Début de thèse : à partir du 01/10/2025
Mots clés : milieux argileux, imagerie 4D, retrait, gonflement, petites échelles, comportement hydromécanique
Résumé :
Le travail de thèse permettra de lever un verrou essentiel dans le contexte de ces trois programme NEEDS MIPOR et est soutenu par l’ensemble des laboratoires partenaires (ISM/LMV/GeoRessources/3SR/LETIS ASNR). Il se concentrera particulièrement sur des études expérimentales avancées par imagerie 4D afin de caractériser, très finement, les processus dynamiques de gonflement/retrait des matériaux argileux sur des systèmes modèles beaucoup plus homogènes et simples que les argilites du Callovo-Oxfordien (COx) prévues pour le stockage ou les sols.
Le(a) candidat(e) travaillera sur des poudres compactées d’illite et de smectite (MX80) saturées par des solutions à différentes forces ioniques permettant de dissocier l’impact des mécanismes de gonflement interfoliare (i.e., cristallin et osmotique) de ceux mis en jeu dans les pores interparticulaires (i.e., pression capillaire et osmotique). L’observation in-operando en μtomographie de rayons X 4D sera réalisée grâce à un dispositif oedométrique disponible à l’IC2MP (Thèse Mhamdi Alaoui, 2023). L’ensemble des volumes obtenus pendant les essais de
gonflement/retrait seront traités par corrélation volumique DVC enrichie (GPU) développée en interne (Hedan et al. , 2018). Cette approche fournira une spatialisation 3D des déformations au cœur de et au voisinage des fissures potentiellement créées lors de la phase de retrait.
The thesis work will address a key obstacle in the context of these three NEEDS MIPOR programs and is supported by all the partner laboratories (ISM/LMV/GeoRessources/3SR/LETIS ASNR). The researcher will focus on advanced experimental studies using 4D imaging to characterize, in great detail, the dynamic swelling/shrinkage processes of clayey materials in model systems that are much more homogeneous and easy than the Callovo-Oxfordian (COx) clays intended for storage or soils. The candidate will work on compacted illite and smectite powders (MX80) saturated with solutions at different ionic strengths, allowing the dissociation of the impact of interlayer swelling mechanisms (i.e., crystalline and osmotic) from those involved in interparticle pores (i.e., capillary and osmotic pressure). In-operando observation in 4D X-ray μtomography will be carried out using an oedometric cell available at IC2MP (Mhamdi Alaoui thesis, 2023). All volumes obtained during the swelling/shrinkage tests will be processed using an in-house enhanced DVC volume correlation approach. This approach will provide a 3D spatialization of the strains in the core of and near cracks potentially created during the shrinkage phase.
Contexte et problématique :
Le, la recruté(e) au CNRS travaillera à l’Institut de Chimie des Milieux et des Matériaux de Poitiers (UMR CNRS 7285) au sein de l’équipe HydrASA.L’IC2MP (Université de Poitiers) possède une expertise nationalement reconnue en caractérisation et en comportement thermo-hydro-mécanique des milieux naturels argileux.
Dans le cadre d’un programme CNRS NEEDS-MIPOR, ce projet pluridisciplinaire vise à explorer de nouvelles perspectives de compréhension de la réactivité des roches argileuses mises en œuvre dans le cadre du stockage de déchets en couches géologiques profondes. Ce milieu est fortement endommagé par le creusement des galeries (EDZ) et les surpressions d’hydrogène liée à la corrosion des containers de déchets. La fracturation et/ou microfissuration diffuse induites impactent grandement les propriétés de transfert. Il existe donc un enjeu majeur à
mieux comprendre l’autocolmatage des fissures dans le cadre de la prédiction du comportement à long-terme des ouvrages souterrains. L’hydratation de la zone initialement fracturée permet une refermeture des fractures et une cicatrisation hydraulique par des mécanismes de gonflement. Cependant, ce processus reste encore mal compris (origine de la cicatrisation, réouverture en fin d’essai) et mal contraint en présence de couplages multiphysiques.
Une approche couplée expérimental/modélisation multi-échelles a été proposé dans le cadre du projet NEEDS MIPOR PACEM (2025 ; Prêt D. IC2MP) dans le but de mieux identifier et quantifier les phénomènes en jeu, ainsi que de tendre vers des modélisations robustes et prédictives. Il s’inscrit dans la continuité des projets structurants MECHE et ARPENTONS.
The CNRS recruit will work at the Institute of Chemistry of Environments and Materials in Poitiers (UMR CNRS 7285) within the HydrASA team. The IC2MP (University of Poitiers) has nationally recognized expertise in the characterization and thermo-hydro-mechanical behavior of natural clayey environments. As part of a CNRS NEEDS-MIPOR program, this multidisciplinary project aims to explore new perspectives for understanding the reactivity of clayey rocks used in deep geological waste disposal. This environment is severely damaged by the excavation of tunnels (EDZ) and hydrogen overpressures linked to the corrosion of waste containers. The induced fracturing and/or diffuse microcracking significantly impact the transfer properties. There is therefore a major challenge in better understanding the self-sealing of cracks in the context of predicting the long-term behavior of underground structures. Hydration of the initially fractured zone allows for fracture closure and hydraulic healing through swelling mechanisms. However, this process remains poorly understood (origin of healing, reopening at the end of the test) and poorly constrained in the presence of multiphysics couplings. A coupled experimental/multiscale modeling approach was proposed as part of the NEEDS MIPOR PACEM project (2025; IC2MP D. Loan) with the aim of better identifying and quantifying the phenomena involved, as well as moving toward robust and predictive modeling. It is a continuation of the MECHE and ARPENTONS structuring projects.
Description du sujet :
Le travail de thèse permettra de lever un verrou essentiel dans le contexte de ces trois programme NEEDS MIPOR et est soutenu par l’ensemble des laboratoires partenaires (ISM/LMV/GeoRessources/3SR/LETIS ASNR). Il se concentrera particulièrement sur des études expérimentales avancées par imagerie 4D afin de caractériser, très finement, les processus dynamiques de gonflement/retrait des matériaux argileux sur des systèmes modèles beaucoup plus homogènes et simples que les argilites du Callovo-Oxfordien (COx) prévues pour le stockage ou les
sols.
Le(a) candidat(e) travaillera sur des poudres compactées d’illite et de smectite (MX80) saturées par des solutions à différentes forces ioniques permettant de dissocier l’impact des mécanismes de gonflement interfoliare (i.e., cristallin et osmotique) de ceux mis en jeu dans les pores interparticulaires (i.e., pression capillaire et osmotique).
L’observation in-operando en μtomographie de rayons X 4D sera réalisée grâce à un dispositif oedométrique disponible à l’IC2MP (Thèse Mhamdi Alaoui, 2023). L’ensemble des volumes obtenus pendant les essais de gonflement/retrait seront traités par corrélation volumique DVC enrichie (GPU) développée en interne (Hedan et al. , 2018). Cette approche fournira une spatialisation 3D des déformations au cœur de et au voisinage des fissures potentiellement créées lors de la phase de retrait.
The thesis work will address a key obstacle in the context of these three NEEDS MIPOR programs and is supported by all the partner laboratories (ISM/LMV/GeoRessources/3SR/LETIS ASNR). The researcher will focus on advanced experimental studies using 4D imaging to characterize, in great detail, the dynamic swelling/shrinkage processes of clayey materials in model systems that are much more homogeneous and easy than the Callovo-Oxfordian (COx) clays intended for storage or soils. The candidate will work on compacted illite and smectite powders (MX80) saturated with solutions at different ionic strengths, allowing the dissociation of the impact of interlayer swelling mechanisms (i.e., crystalline and osmotic) from those involved in interparticle pores (i.e., capillary and osmotic pressure). In-operando observation in 4D X-ray μtomography will be carried out using an oedometric cell available at IC2MP (Mhamdi Alaoui thesis, 2023). All volumes obtained during the swelling/shrinkage tests will be processed using an in-house enhanced DVC volume correlation approach. This approach will provide a 3D spatialization of the strains in the core of and near cracks potentially created during the shrinkage phase.
Méthodologie et mise en œuvre :
Dans ce contexte, le/la candidat/e recruté(e) sera en charge du développement du banc expérimental ‘type oedométrique’, de l’acquisition d’images 4D (μtomo RX), la caractérisation et la compréhension fines des phénomènes mis en jeu lors des phases de retrait/gonflement
Le/la candidat/e sera responsable des activités suivantes :
– Conception et mise en place d’essais expérimentaux sur des milieux argileux modèles compactés.
– Préparation fine et minutieuse d’échantillons argileux de petites tailles
– Analyse et compréhension des phénomènes mis en jeu lors des phases de retrait/gonflement par analyses d’images et corrélation d’images volumiques (DVC)
– Encadrement de stagiaires (Master I et II).
– Présentation des résultats lors des réunions d’avancement du projet NEEDS MIPOR, de congrès.
– Préparation de rapports (bibliographiques et d’avancement).
In this context, the recruited candidate will be responsible for developing the oedometric-type experimental bench, acquiring 4D images (μtomo RX), and characterizing and gaining a detailed understanding of the phenomena involved during the shrinkage/swelling phases. The candidate will be responsible for the following activities:
– Design and implementation of experimental tests on compacted model clay media.
– Careful and detailed preparation of clay samples
– Analysis and understanding of the phenomena involved during the shrinkage/swelling phases through image analysis and digital volume correlation (DVC)
– Supervision of interns (Master’s I and II)
– Presentation of results at NEEDS MIPOR project progress meetings and conferences.
– Preparation of reports (bibliographic and progress).
Profil recherché :
Les candidats devront être titulaire d’un master en géosciences, ou physique des matériaux ou mécanique. Les candidats doivent :
– maitriser la physique des matériaux argileux (hydratation, mécanique, gonflement, réseaux poreux, …)
– mettre en place et développer des essais expérimentaux
– maitriser la préparation fine de matériaux argileux ou autre en laboratoire
– maitriser les techniques d’imagerie (RX, MEB, MET, …)
– maitriser les logiciels d’images (reconstruction d’images 3D, analyses d’images, programmation, …)
– maitriser l’anglais
– être en mesure de rédiger des rapports scientifiques en français, voire en anglais
– avoir des capacités de gestion de projets
– avoir un gout prononcé pour le travail en équipe
Le candidat retenu devra avoir la motivation et l’enthousiasme nécessaires pour mener le projet de la recherche expérimentale aux petites échelles. Il/elle devra être capable de travailler de manière autonome et en tant que membre d’une équipe multidisciplinaire. Le candidat sera curieux, il appréciera la résolution de problèmes et le développement de nouvelles technologies nécessitant de la créativité, de l’innovation et des initiatives personnelles tout en respectant les contraintes imposées.
Les candidats intéressés et très motivés doivent envoyer une lettre de motivation indiquant pourquoi le candidat est intéressé par ce poste, un CV complet (avec la liste de publications le cas échéant) et 2 références académiques (avec adresse, numéro de téléphone et e-mail).
Candidates must hold a master’s degree in geosciences, materials physics, or mechanics. Applicants must:
– be proficient in the physics of clay materials (hydration, mechanics, swelling, porous networks, etc.)
– be able to set up and develop experimental tests
– be proficient in the fine preparation of clay or other materials in the laboratory
– be proficient in imaging techniques (X-ray, SEM, TEM, etc.)
– be proficient in imaging software (3D image reconstruction, image analysis, programming, etc.)
– be fluent in English – be able to write scientific reports in French or even English
– have project management skills
– have a strong interest in teamwork
The successful candidate must have the motivation and enthusiasm to lead the project from small-scale experimental research to the next level. They must be able to work independently and as a member of a multidisciplinary team. The candidate will be curious and enjoy problem-solving and developing new technologies that require creativity, innovation, and personal initiative while respecting imposed constraints. Interested and highly motivated candidates should send a cover letter stating their interest in this position, a comprehensive CV (including a list of publications, if applicable), and two academic references (including address, telephone number, and email address).
Contact pour plus d’informations et pour candidater jusqu’au 23/07/25 :
Stephen HEDAN : stephen.hedan@univ-poitiers.fr