Le stockage géologique profond constitue l’une des options technologiques pour la gestion à long terme des déchets radioactifs, en isolant les radionucléides dangereux de la biosphère grâce à un système de barrières à la fois géologiques et artificielles. En Belgique, l’argile de Boom est considérée comme formation hôte de référence en raison de sa faible perméabilité, de sa capacité élevée de rétention, son propriété d’auto-colmatage et de ses propriétés mécaniques favorables. Parmi les formes de déchets destinées au stockage, les déchets Eurobitum, issus de la bitumisation des effluents de retraitement, contiennent de fortes concentrations de (Na,Ca)NO.. En conditions de stockage, la matrice bitumineuse absorbe progressivement l’eau et gonfle, entraînant la libération progressive des sels piégés, qui diffusent dans la formation argileuse environnante. Ce panache hypersalé provoque des perturbations chimiques susceptibles d’affecter le comportement hydro-mécanique de l’argile de Boom en modifiant sa microstructure, sa capacité de gonflement et sa résistance.

Cette thèse présente une étude de l’influence de la salinité (forces ioniques : 0.015 M, 1.0 M et 2.0 M) et de l’occupation sodique (60 % et 90 %) sur le comportement hydro-mécanique de l’argile de Boom, en combinant une campagne expérimentale dédiée avec le développement d’une approche de modélisation constitutive chimio-mécanique. Le programme expérimental comprend des mesures de pression de gonflement en conditions de volume constant, des tests de salinisation et de désalinisation en oedomètre, des essais oedométriques sous haute pression, des essais de résistance au cisaillement non drainés, ainsi que des analyses microstructurales par intrusion de mercure. Les résultats montrent qu’une augmentation de la salinité entraîne une réduction de la pression de gonflement, une augmentation de la résistance au cisaillement, ainsi que des modifications de la structure des agrégats, en particulier à fortes forces ioniques, ce qui se traduit également par une augmentation de la conductivité hydraulique. Bien que les effets de la salinité observés soient qualitativement cohérents avec ceux rapportés pour d’autres matériaux argileux, l’étude apporte de nouvelles connaissances sur le rôle de l’occupation sodique, notamment son influence potentielle sur l’espacement interfoliaire, dans le comportement chimio-hydro-mécanique de l’argile de Boom.

Pour interpréter et prédire ces effets couplés, un modèle constitutif chimio-mécanique nommé ACC2-Chem a été développé. Le point de départ a été le modèle élasto-plastique ACC-2, initialement formulé sous les conditions de l’eau interstitielle in situ (force ionique = 0,015 M), par l’introduction d’un paramètre de cohésion dans la surface de rupture et la règle d’écoulement plastique afin de mieux représenter la réponse mécanique de l’argile de Boom. Parallèlement, un nouveau modèle chimio-élastique de déformation volumique a été développé pour décrire les déformations élastiques induites par les variations de salinité et d’occupation sodique. Ce modèle a ensuite été
couplé avec ACC-2 pour former le modèle ACC2-Chem, capable de représenter les interactions chimio-hydro-mécaniques de l’argile de Boom. Ce modèle a été implémenté dans le code éléments finis LAGAMINE et calibré à partir d’un ensemble de données expérimentales. Sa validité a été vérifiée par la reproduction des principales tendances observées lors des essais de salinisation/désalinisation et des essais triaxiaux à l’échelle du laboratoire.

Enfin, des simulations 2D à l’échelle du stockage ont été réalisées afin d’évaluer le comportement chimio-hydro-mécanique de l’argile de Boom à long terme sous des perturbations salines importantes, en utilisant une approche découplée. Les simulations décrivent l’évolution phénoménologique du stockage à travers quatre phases successives : (1) une phase initiale d’excavation d’un jour, (2) une phase opérationnelle de 100 ans en conditions drainées, (3) une phase post-opérationnelle de 300 ans en équilibre, et (4) une phase de gonflement et/ou de diffusion de 500 ans, simulant les interactions à long terme entre les déchets Eurobitum et l’argile de Boom.

Les résultats obtenus ont permis d’améliorer la compréhension du comportement de l’argile de Boom soumis à des perturbations chimiques à court terme, tout en apportant un cadre théorique utile aux évaluations de sûreté et de performance du stockage géologique des déchets radioactifs bituminés en Belgique.