Une modélisation précise de la déformation induite par la sorption dans les matériaux poreux est essentielle pour de nombreuses applications liées à l’énergie ou au génie civil. De nombreux matériaux concernés par ces applications présentent une large distribution de tailles de pores, allant des nanopores aux macropores. Cette thèse est consacrée à la modélisation de la déformation de tels matériaux poreux, dans des conditions de saturation partielle, lorsqu’ils sont soumis à des variations du potentiel chimique du fluide que leurs pores contiennent.

Un premier travail théorique étend un modèle poromécanique dérivé sur la base de considérations thermodynamiques par El Tabbal et al. (2020), développé pour des matériaux méso- et macroporeux. Le modèle considère que les déformations induites par les fluides proviennent des effets capillaires, des effets d’énergie de surface, et des effets d’adsorption à la surface des pores désaturés. Une amélioration majeure du modèle réside dans la prise en compte de la déformation survenant lors de la cavitation de l’adsorbat. Nous validons le modèle en l’appliquant à des données issues de la littérature, à savoir des mesures de déformation d’une variété d’adsorbants lors de l’adsorption/désorption de différents fluides. Pour cette validation, nous considérons que l’adsorption est un processus non spécifique à un site et que le comportement mécanique du matériaux poreux est élastique et linéaire. Le modèle permet de prédire la forme des isothermes de déformation à partir des isothermes d’adsorption sans paramètre de calibration.

Nous étudions ensuite l’impact de plusieurs incertitudes sur la forme de l’isotherme de déformation, notamment le choix de la méthode de calcul de la distribution de tailles de pores à partir des isothermes de sorption, la pression de cavitation, la définition expérimentale de « l’état sec » et la surface spécifique calculée.
D’autres améliorations du modèle incluent la capacité à prendre en compte 1) la non- linéarité du comportement élastique du matériaux poreux et 2) la spécificité de site de l’adsorption du fluide sur la surface des pores. En supposant une relation logarithmique entre la pression équivalente dans les pores et la déformation, le modèle permet de prédire les déformations réversibles induites par l’humidité dans les sols. Lorsque nous prenons en compte la spécificité de site de l’adsorption, le modèle poromécanique permet de modéliser une contraction initiale du matériau à très basse pression partielle – un phénomène observé expérimentalement. Cette contraction provient du fait que la tension superficielle et la contrainte de surface sont deux grandeurs thermodynamiques distinctes, dont l’évolution au cours de l’adsorption diffère généralement, sauf dans le cas d’une adsorption non spécifique à un site.

Ce dernier résultat souligne le besoin d’une compréhension plus fine de la différence entre tension superficielle et contrainte de surface. Compte tenu de la difficulté à mesurer cette dernière expérimentalement, nous l’étudions à l’aide de simulations moléculaires. Nous réalisons tout d’abord des simulations de type Monte Carlo dans l’ensemble grand canonique (GCMC) d’eau dans deux mésopores plans de C-S-H différant par leur rapport Ca/Si (i.e., 1.1 et 1.7) et obtenons les isothermes d’adsorption d’eau à six températures différentes, de 300 K à 525 K. Ensuite, à quantité d’eau constante dans les micropores, nous simulons des mésopores ouverts et fermés : la différence de pression entre ces deux configurations permet d’estimer la contrainte de surface à différentes teneurs en eau. Les résultats montrent que la contrainte de surface de la surface du C-S-H est de l’ordre de plusieurs centaines de mN/m à l’état sec. La comparaison entre cette contrainte de surface et la tension de surface montre que l’amplitude des variations de ces deux grandeurs avec l’adsorption diffère effectivement de manière significative.