Soutenance de thèse de DE LIMA SODERO Luiza
Titre de thèse
Vieillissement à long terme d'une géomembrane bitumineuse : approche expérimentale et prédiction de la durée de vie
Long-term ageing of a bituminous geomembrane: experimental approach and service-life prediction
Résumé de la thèse
Les géomembranes bitumineuses modifiées par des élastomères (EMBGMs) sont des barrières aux liquides employées dans les infrastructures hydrauliques telles que les barrages et les canaux. Les EMBGMs sont des matériaux composites constitués de sable, d'un liant de bitume modifié, d'une voile de verre, d'un géotextile non tissé en polyester et d'un film polyester fusible. Le retour d'expérience montre par exemple que des échantillons d'EMBGMs exhumés d'un barrage après 30 ans de service ont conservé leur étanchéité. Cependant, il y a peu d'études dans la littérature focalisées sur la determination de la durée de vie en service des EMBGMs.
Cette recherche vise à caractériser l'évolution des propriétés des EMBGMs et à déterminer à quel moment les EMBGMs perdent leur étanchéité, en utilisant des tests de vieillissement accéléré en laboratoire. Dans les ouvrages hydrauliques, l'air, l'eau et la température sont des facteurs influençant le vieillissement et la durée de vie en service des EMBGMs. Ainsi, les essais de vieillissement accéléré en laboratoire ont intégré des températures élevées (50°C, 70°C et 80°C), combinées à l'exposition à l'air, à l'eau et au rayonnement ultraviolet. Les échantillons ont été surveillés pendant des périodes allant jusqu'à 18 mois. L'évolution du vieillissement des EMBGMs a été caractérisé par le suivi de plusieurs réponses : chimiques (imagerie microscopique, distribution des masses moléculaires et spectrométrie infrarouge), physiques (masse surfacique, épaisseur), mécaniques (résistance au poinçonnement, résistance à la traction et allongement à la rupture) et hydrauliques (résistance à l'éclatement et perméabilité aux liquides). Bien que seule la perméabilité atteste directement de l'étanchéité, une analyse avec d'autres réponses est discutée pour établir un critère pertinent de fin de vie.
L'analyse du liant bitumineux, au moyen de l'imagerie microscopique a identifié la formation d'une couche superficielle de liant rigide à 80°C. L'étude de l'épaisseur de l'EMBGM à travers la distribution des masses moléculaires (SEC) et la spectrométrie infrarouge (FTIR) a permis d'observer une forte difference entre la surface et le cœur de l'EMBGM vieilli dans l'eau. Les analyses SEC montrent une perte significative du polymère SBS (P1) et une augmentation de l'oxydation du bitume (P6), quel que soit le mode de vieillissement. La spectrométrie infrarouge indique une augmentation du taux de carbonyl (P3), traduisant une oxydation de la géomembrane, phénomène accentué à l'air et à haute température (70°C et 80°C).
Le suivi de l'épaisseur et de la masse surfacique ne révèle pas d'évolution significative selon les différents modes de vieillissement. Concernant les propriétés mécaniques, les essais de poinçonnement statique et de traction unidirectionnelle montrent une augmentation de la résistance pour un vieillissement à l'air (à 70°C et 80°C), mais une diminution pour un vieillissement à l'eau (à 70°C). Les essais de traction unidirectionnelle indiquent également une réduction de la déformation à la rupture pour les différents modes de vieillissement. Les indicateurs les plus sensibles aux différents modes de vieillissement ont été ajustés à une loi d'Arrhenius afin de prédire leur évolution dans le temps.
Enfin, les performances hydrauliques de la géomembrane vis-à-vis des différents modes de vieillissement ont été évaluées. Les essais de perméabilité effectués sur les échantillons testés jusqu'à maintenant montrent que la géomembrane demeure étanche. Les essais d'éclatométrie ont montré une bonne étanchéité de la géomembrane sous sollicitation de traction multiaxiale jusqu'à une déformation de 15%, sans percement observé. Ces résultats permettent ainsi d'évaluer les performances mécaniques et hydrauliques des géomembranes vis-à-vis de différents modes de vieillissement, en vue d'estimer leur durée de vie en service.
Thesis resume
Elastomeric-modified bituminous geomembranes (EMBGMs) are barriers to liquids used in hydraulic structures, such as dams and canals. They are composite materials consisting of sand, a modified bitumen blend, a glass mat, a non-woven polyester geotextile, and a fusible polyester film. Feedback from in-situ sampling demonstrated, for example, that EMBGM samples exhumed from a dam after 30 years of service have retained their watertightness. However, there are few studies in literature focusing on determining the service-life of EMBGMs.
This research aims to characterize the evolution of EMBGM properties and determine when they lose their watertightness using accelerated ageing tests in the laboratory. In hydraulic structures, air, water, and temperature are factors influencing ageing and service-life of EMBGMs. Thus, laboratory accelerated ageing tests incorporated high temperatures (50°C, 70°C, and 80°C), combined with exposure to air, water, and ultraviolet radiation to induce material degradation. Specimens were monitored for periods of up to 18 months. The EMBGM's evolution after ageing tests was characterized by tracking several responses: chemical (microscopic imaging, molecular weight distribution and infrared spectrometry), physical (mass per unit area, thickness), mechanical (puncture resistance, tensile strength, and elongation at failure), and hydraulic (burst strength and permeability to liquids). Although only permeability directly attests to watertightness, an analysis with other parameters is discussed to establish a relevant end-of-life criterion.
The analysis of the bituminous blend through microscopic imaging identified the formation of a rigid top layer at 80°C. The study of the thickness of the EMBGM through molecular weight distribution (SEC) and infrared spectrometry (FTIR) showed a large difference between the surface and the core of the EMBGM immersed in water. SEC analyses show a significant loss of the polymer SBS (P1) and an increase in the oxidation of bitumen (P6), regardless of the ageing test. Fourrier transform infrared spectrometry indicates an increase in the level of carbonyl (P3), reflecting an oxidation of the geomembrane, a phenomenon accentuated in air and at high temperatures (70°C and 80°C).
The monitoring of thickness and mass per unit area does not reveal significant changes according to the different ageing tests. Regarding mechanical properties, static puncture and unidirectional tensile tests show an increase in strength after exposure to air (at 70°C and 80°C) but a decrease after immersion in water (at 70°C). Unidirectional tensile tests also indicate a reduction in elongation at failure for the different ageing tests. The most sensitive indicators to the various ageing tests were adjusted to an Arrhenius law to predict their evolution over time.
Finally, the hydraulic performance of the EMBGM concerning the different ageing tests was evaluated. Permeability tests conducted on the specimens tested so far show that the EMBGM remains impermeable. Burst tests demonstrated good watertightness of the EMBGM under multiaxial tensile stress up to 15% deformation, with no puncture observed. These results thus enable the evaluation of the mechanical and hydraulic performance of EMBGM concerning different ageing tests to estimate their service-life.