Modélisation chimio-mécanique de la fissuration de matériaux cimentaires : vieillissement et tenue des enceintes de confinement des centrales nucléaires

Chemical-mechanical modeling of cracking of cementitious materials : Ageing and resistance of the containment building of nuclear power plant

• Auteur / Autrice : Adrien Socié
• Direction : Yann Monerie, Frédéric Péralès, Frédéric Dubois
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et génie civil
• Date : Soutenance le 20/11/2019
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Mécanique et Génie Civil (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Stainier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yann Monerie, Frédéric Péralès, Frédéric Dubois, Laurent Stainier, Stéphane Multon, Anna Marina Pandolfi, Ignacio Carol, Benoît Bary
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Laurent Stainier, Stéphane Multon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Fissuration

Réacteurs nucléaires -- Confinement

Béton

Micromécanique (ingénierie)

Mots clés libres

Réactions sulfatiques

Poromécanique

Transport réactif

Micromécanique

Béton

Modèle de Zones Cohésives Frottantes

Sulfate Attack

Poromechanics

Reactive Tansport

Micromechanics

Concrete

Frictional Cohesive Zone Model

Résumé

L'Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire (IRSN) s'intéresse à l'étude des réactions de gonflement interne, dont les Réactions Sulfatiques, et à leur impact sur l'évolution des propriétés du matériau cimentaire. Les Réactions Sulfatiques sont caractérisées par la précipitation de l'ettringite, dans les pores du matériau durci entraînant des gonflements locaux et une fissuration par déformations différentiées. Les fissures créées constituent alors le lieu privilégié de la précipitation d'ettringite et accélèrent le transport des espèces chimiques au sein du milieu poreux. La modification locale des phénomènes de transport induit une accélération de la dégradation du matériau.Ce travail de thèse modélise à l'échelle mésoscopique d'une collection de granulats, le gonflement du béton par les Réactions Sulfatiques et la cinétique de dégradation. Un modèle chimio-mécanique basé sur une description du transport réactif (diffusion d'espèces et réactions chimiques) et mécanique (Modèle de Zones Cohésives) dans un milieu poreux fissuré est proposé et résolu à l'aide d'un couplage étagé générique.Les paramètres chimiques et mécaniques initiaux sont estimés par un calcul d'hydratation et d'homogénéisation analytique.La modélisation chimio-mécanique tridimensionnelle est validée de façon modulaire et appliquée aux Réactions Sulfatiques Externe et Interne. Les effets de la composition du béton et des conditions environnementales chimiques sur la cinétique d'expansion et le faciès de rupture sont étudiés. Les applications mettent en évidence l'influence des granulats et des fissures dans la répartition spatiale inhomogène des zones de précipitation de l'ettringite et les contraintes de gonflement associées.

The French ''Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire'' (IRSN) conducts researches on the impact of internal swellings reactions on concrete, such as Sulfate Reactions. Such reactions are characterized by the precipitation of ettringite which induces swellings and cracks by differential strain. These cracks are preferential location for ions diffusion and further ettringite precipitations.The aim of the study is to model the degradation of a mature material by ettringite pressure at the aggregate scale.A chemo-mechanical model based on a coupling between reactive transport (species diffusion and chemical reactions) and mechanics in cracked porous medium is developed and is solved with a generic staggered approach.The initial microstructure and poro-mechanical and diffusion parameters are estimated by hydration computing and analytical homogenization.The coupled chemo-mechanical model is validated and then applied to Sulfate External and Internal Attack.The impact of the concrete composition and the chemical environments on the swelling kinetics and crack path is taken into account. Furthermore, our simulations highlight the influences of inclusions and cracks on the inhomogeneous spatial distribution of precipitation areas of ettringite and associated swelling stress.