Wikibardig:Performance des géomembranes d’étanchéité dans les ouvrages hydrauliques : Approche multi-échelle

Thèse présentée par Nesrin AKEL Diplôme de doctorat d'Aix-Marseille Université, École Doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique ED 353, le 5 Février 2025

Géomembrane : des enjeux d’ingénierie aux défis scientifiques

Les géomembranes sont largement utilisées comme barrières hydrauliques dans les ouvrages hydrauliques, notamment les barrages, les réservoirs et les retenues d’altitude. Elles peuvent être exposées à des sollicitations mécaniques inattendues et environnementales variées, lors de la mise en place (mauvaise installation (Figure 1), ou à long-terme en supportant des charges permanentes, bien réparties ou très localisées, qui résultent de tassements différentiels, de la mise en contact avec des blocs anguleux, de variations de niveau d’eau, de vagues, du gel ou encore du rayonnement UV. Ces sollicitations peuvent provoquer des indentations, perforations ou déchirures.

La conception des systèmes d’étanchéité nécessite donc une attention particulière aux propriétés mécaniques des géomembranes, en complément de leurs propriétés d’étanchéité. La répartition des contraintes de traction, la capacité à s’allonger sans rupture et la résistance aux interactions avec des surfaces rigides sont essentielles pour prévenir la rupture et assurer la durabilité de l’ouvrage.

Des essais normalisés permettent d’évaluer les performances mécaniques des géomembranes, mais ils ne reflètent pas toujours les sollicitations mécaniques en conditions réelles, où les vitesses de chargement et les interactions avec le support peuvent différer. Par ailleurs, les géomembranes étant des matériaux polymériques, leur comportement mécanique est fortement influencé par leurs caractéristiques internes, telles que la composition chimique, la microstructure et l’organisation des phases amorphes et cristallines (Balani et al., 2014; Gilbert, 1994; Lamri et al., 2020; Patterson et al., 1982). Ces formulations changent d’un produit à l’autre, mais elles évoluent aussi dans le temps une fois la géomembrane installée. Il apparait ainsi pertinent de comprendre le lien entre microstructure et comportement mécanique réel, afin de mieux prédire la résistance des géomembranes.

Figure 1: Exemples de situations générant des forces de traction dans la géomembrane

Méthodologie

Cette thèse s’est focalisée sur un type particulier de géomembrane : les géomembranes en PVC plastifié, en raison de son utilisation courante dans les ouvrages hydrauliques. Cette étude a visé à répondre à deux questions principales :

• Comment le taux de déformation influence-t-il les propriétés mécaniques des géomembranes en PVC ?
• Quels mécanismes élémentaires au sein des géomembranes en PVC gouvernent leur comportement mécanique global ?

Une approche multi-échelle a été développée, combinant une analyse macroscopique basée sur des essais de traction uniaxiale en laboratoire à différents taux de déformation, et une analyse mésoscopique (modélisation aux éléments discrets de la microstructure) visant à mieux comprendre les mécanismes microscopiques de la géomembrane en PVC conduisant à sa rupture.

Dans cette approche, la microstructure de la géomembrane est modélisée comme un réseau tridimensionnel composé de microdomaines cristallins, de chaînes polymériques amorphes et de plastifiant, conformément à la description morphologique proposée par (Summers, 1981) (Voir Figure 2). La méthode des éléments discrets (DEM) est utilisée pour représenter l’organisation interne du matériau et simuler son comportement mécanique sous chargement. Des essais numériques de traction uniaxiale sont réalisés en appliquant des conditions aux limites cinématiques uniformes, tout en tenant compte de l’incompressibilité du matériau et d’effets visqueux approchés par des termes micro-inertiels. Cette approche permet d’analyser l’influence de la microstructure et de la vitesse de sollicitation sur la distribution des contraintes et la réponse mécanique globale en créant un volume d’échantillon d’allant de 40 à 55 nm. Elle permet de décrire l’évolution de la structure polymérique sous chargement, d’analyser la distribution des contraintes et d’identifier les mécanismes élémentaires de déformation et d’endommagement gouvernant le comportement mécanique global des géomembranes.

Figure 2: Modélisation multi-échelle des géomembranes en PVC : des mécanismes moléculaires à la réponse mécanique à l’échelle macroscopique

Résultats, discussion et implications

Les essais de traction uniaxiale à l’échelle macroscopique révèlent que la courbe contrainte-déformation (Contrainte de Cauchy) des géomembranes en PVC présente initialement un comportement linéaire, suivi d’une transition vers un comportement non linéaire (Figure 3). La vitesse de traction influence fortement la réponse mécanique : à des taux de déformation élevés, le matériau devient plus rigide, tandis qu’à des taux faibles, il présente un comportement plus malléable.

Le modèle permet de visualiser la distribution des forces, les points de rupture et la configuration microstructurale. L’analyse mésoscopique montre que la phase linéaire est principalement attribuée à la réorganisation et réorientation des chaînes polymériques et des cristallites, certaines cristallites se fragmentant progressivement sans perturber le comportement global. La transition vers le régime non linéaire correspond à la fragmentation complète des cristallites, transférant la charge aux chaînes polymériques individuelles (Figure 4). D’un point de vue ingénierie, cela montre que même à des niveaux de déformation relativement faibles, des endommagements microstructuraux apparaissent. Il est donc essentiel de protéger la géomembrane contre toute sollicitation mécanique susceptible d’initier ces mécanismes de dégradation, afin de préserver son intégrité et sa performance à long terme.

L’effet de la vitesse de traction sur le comportement global des géomembranes en PVC se manifeste à l’échelle microscopique par les interactions entre le plastifiant et les chaînes polymériques. À des vitesses élevées, ces interactions deviennent plus importantes qu’à des vitesses faibles (Figure 5). Ce plastifiant limite alors la réorganisation des chaînes polymériques, ce qui entraîne une augmentation de la résistance globale du matériau. Cette influence de la vitesse explique pourquoi le matériau devient plus rigide à des taux de déformation élevés, tout en restant plus malléable à faible vitesse.

Cette étude montre aussi comment certaines caractéristiques microstructurales, comme la teneur en plastifiant et le degré de polymérisation (longueur des chaines), affectent le comportement en traction de la géomembrane en PVC. D’un point de vue pratique en ingénierie, ces résultats fournissent des indications directes pour la production de géomembranes en PVC. Des géomembranes très flexibles peuvent être obtenues en choisissant des résines PVC de masse moléculaire élevée (c’est-à-dire un degré de polymérisation élevé) et en incorporant une quantité optimale de plastifiant lors du mélange. Pour plus d’info, voir (Akel, 2025; Akel et al., 2026b, 2026, 2025a).

Figure 3: Courbes contrainte–déformation issues des essais de traction uniaxiale à différente vitesses de traction. Le nombre indiqué entre parenthèses dans la légende correspond au numéro de l’essai de répétabilité pour chaque vitesse de traction

Figure 4: Visualisation rapprochée des cristallites au sein de la microstructure à 60 % de déformation

Figure 5: Interactions chaîne-plastifiant à 10 % de déformation pour un échantillon soumis à une vitesse de traction unidirectionnelle de 0,4 /s (figure de gauche) et de 4 /s (figure de droite)

Références et liens

Akel, N., 2025. Experimental and numerical investigation of a PVC geomembrane under different tensile modes. Engineering Sciences [physics]. Diplôme de doctorat de l’université d’Aix Marseille, 2025. Aix Marseille.

Akel, N., Stoltz, G., Wautier, A., Nicot, F., Touze, N., 2025a. Rate-dependent tensile response of Polyvinyl Chloride geomembranes. Geotextiles and Geomembranes 53, 445–456. https://doi.org/10.1016/j.geotexmem.2024.11.004

Akel, N., Wautier, A., Nicot, F., Stoltz, G., Touze, N., 2026b. DEM-based micromechanical modeling of amorphous polymeric material (under review). Computers and Geotechnics.

Akel, N., wautier, A., Stoltz, G., Nicot, F., Touze, N., 2026. Multiscale analysis of a PVC geomembrane mechanical response with discrete element method (under review). Geosynthetics International.

Balani, K., Verma, V., Agarwal, A., Narayan, R., 2014. Biosurfaces: A Materials Science and Engineering Perspective, 1st ed. Wiley. https://doi.org/10.1002/9781118950623

Gilbert, M., 1994. Crystallinity in Poly(vinyl Chloride). Journal of Macromolecular Science, Part C: Polymer Reviews 34, 77–135. https://doi.org/10.1080/15321799408009633

Lamri, A., Shirinbayan, M., Pereira, M., Truffault, L., Fitoussi, J., Lamouri, S., Bakir, F., Tcharkhtchi, A., 2020. Effects of strain rate and temperature on the mechanical behavior of high‐density polyethylene. J of Applied Polymer Sci 137, 48778. https://doi.org/10.1002/app.48778

Patterson, K.G., Padgett, S.J., Peppas, N.A., 1982. Microcrystalline and three-dimensional network structure of plasticized poly(vinyl chloride). Colloid & Polymer Sci 260, 851–858. https://doi.org/10.1007/BF01419095

Summers, J.W., 1981. The nature of poly (vinyl chloride) crystallinity—the microdomain structure. J. Vinyl Addit. Technol. 3, 107–110. https://doi.org/10.1002/vnl.730030204

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