• Langue : Anglais
• Discipline : Génie civil
• Identifiant : 2023ULILN034
• Type de thèse : Doctorat
• Date de soutenance : 07/11/2023

Résumé en langue originale

Cette thèse est consacrée à l'étude des propriétés interfaciales et de frottement des minéraux des terres expansées et des mécanismes de déformation des systèmes de glace massive par des méthodes de simulation de dynamique moléculaire (MD). Les principales conclusions sont les suivantes:(1) a établi un modèle de frottement pour la Montmorillonite hydratée et l'interface quartz - quartz / Kaolinite - (eau), a révélé leur mécanisme de frottement à l'échelle nanométrique, a exploré la nanotribologie des matériaux géotechniques: (A) 0 à 30% de Montmorillonite hydratée a un faible coefficient de frottement de 0058 à 0,17, en accord avec les simulations précédentes et les résultats expérimentaux, Les propriétés de frottement faible de la Montmorillonite ont été vérifiées. (b) L'effet de viscosité est présent dans le processus de frottement entre les particules de sol / roche à l'échelle nanométrique et est également influencé par des facteurs tels que la charge normale, la vitesse de glissement, l'hydratation, etc. (c) L'augmentation de la teneur en argile peut réduire la résistance au frottement du mélange d'argile de quartz. De même, l'eau interstratifiée affaiblit considérablement les interactions entre les couches d'argile. D) La relation entre la charge de cisaillement et la charge normale de la Montmorillonite hydratée à l'interface quartz - quartz / Kaolinite - (eau) dans des conditions de nanofrottement est approximativement linéaire.(2) un système Montmorillonite - eau non gelée - glace a été construit pour élucider, à l'échelle microscopique, les processus de changement de phase et les changements structurels de l'eau non gelée et de la glace à l'interface Montmorillonite: a) pour la microstructure de l'eau non gelée et de la glace sur des particules d'argile, On a déterminé la Division "glace cubique d'eau liée à la Montmorillonite - glace cubique de glace hexagonale - eau quasi liquide - air". B) les effets de surface de l'argile sont la principale cause de la présence d'eau non gelée dans le sol gelé et comprennent principalement les interactions électrostatiques coulombiennes et vanderwaals, où les interactions électrostatiques coulombiennes prédominent. C) À mesure que la température augmente, les liaisons hydrogène dans le système de glace se cassent en raison des fluctuations de température, ce qui entraîne la transformation progressive de la glace en eau liquide.(3) en tenant compte de l'effet de couplage de la température et de la pression, le mécanisme de déformation et le processus de changement de phase du système de glace de masse ont été étudiés: (A) pour le système de glace de masse, le changement de phase solide - solide a eu lieu à 73 ~ 140k et le changement de phase solide - liquide à 150 ~ 270k. (b) plus la température est élevée, plus la structure atomique de la glace IH est lâche, Et plus tôt et plus facilement le système Ice IH fond. C) plus la pression de confinement est élevée, plus la structure de glace IH est précoce et vulnérable à la destruction.

Résumé traduit

This PhD dissertation is devoted to investigating the interfacial and frictional properties of expansive soil minerals and the deformation mechanism of bulk ice system through molecular dynamics (MD) simulation method. The main conclusions are obtained as following:(1) The friction models of hydrated montmorillonite and quartz-quartz/kaolinite-(water) interface were established, to reveal their friction mechanism in nanoscale and explore the nanotribology of geotechnical materials: (a) The weak friction coefficient of 0 ~ 30% hydrated montmorillonite was 0.058 ~ 0.17, which was consistent with the previous simulation and experimental results, verifying the weak friction properties of montmorillonite. (b) The stick-slip effect existed during the friction process between soil/rock particles at nanoscale, it also was affected by normal load, sliding velocity, hydration, etc. (c) The increase of clay content could reduce the frictional strength of the mixture of quartz-clay. Similarly, the interlayer water could greatly weaken the interaction between clay layers. (d) The relationship between shear load and normal load for hydrated montmorillonite and quartz-quartz/kaolinite-(water) interface was approximatively linear in nanoscale friction.(2) The Montmorillonite-unfrozen water-ice system was constructed to clarify the phase transformation process and structure changing of unfrozen water and ice on montmorillonite interface in microscale: (a) For the microstructure of unfrozen water and ice on clay particles, the division of “montmorillonite-bound water-cubic ice-hexagonal ice-cubic ice-‘quasi-liquid' water-air” was determined. (b) The surface effect of clay is the main reason for the presence of unfrozen water in frozen soil, mainly including coulomb electrostatic and van der Waals interactions, where coulomb electrostatic interactions dominated. (c) With the increase in temperature, hydrogen bonds in ice system were broken due to thermal fluctuations, leading to the gradual transformation of ice into liquid water.(3) The deformation and failure mechanism and phase transformation process of bulk ice system was studied, considering the coupling effect of temperature and pressure: (a) For bulk ice system, the solid-solid phase transformation was found at 73 ~ 140 K, and solid-liquid at 150 ~ 270 K. (b) The higher temperature, the looser the atomic structure of ice-Ih, and the earlier and easier the ice-Ih system was melted. (c) The higher confining pressure, the earlier and more likely to be damaged for the ice-Ih structure.