Formulation d’un matériau cimentaire fibré ultrafluide : application au stockage des déchets radioactifs

Formulation of fluid fire-resistant fiber-reinforced cementitious composite : Application to radioactive waste disposal

• Auteur / Autrice : Fariza Sultangaliyeva
• Direction : Christian La Borderie
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 04/12/2020
• Etablissement(s) : Pau
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences exactes et leurs applications (Pau, Pyrénées Atlantiques ; 1995-)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Institut Français des Sciences et Technologies des Transports, de l'Aménagement et des réseaux. Laboratoire Sols, Roches et Ouvrages géotechniques - Centre scientifique et technique du bâtiment (Grenoble) - Centre d'études et de recherches de l'industrie du béton manufacturé (Épernon, Eure-et-Loir)
• Partenaire(s) de recherche : Agence : Agence nationale pour la gestion des déchets radioactifs (France)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Sciences de l'Ingénieur Appliquées à la Mécanique et au génie Electrique
• Jury : Président / Présidente : Sylvie Yotte

Mots clés

Mots clés contrôlés

Stockage

Déchets radioactifs

Rhéologie

Béton -- Détérioration

Mots clés libres

Écaillage

Rhéologie

Fibres en polypropylène

Béton autoplaçant

Formulation

Résistance au feu

Spalling

Rheology

Polypropylene fibers

Self-compacting concrete

Mix-design

Fire resistance

Résumé

Le but de ce travail est de développer un béton fluide résistant au feu renforcé en fibres de polypropylène pour les colis de stockage des déchets radioactifs de moyenne activité à vie longue. Le défi de ce travail consiste à utilizer des fibres de polypropylène qui, même ajoutées en petite quantité, améliorent la résistance au feu mais diminuent de manière significative la maniabilité des bétons frais. Des essais à l’échelle du laboratoire sont effectués afin d’évaluer les comportements rhéologique et à haute température des matériaux cimentaires contenant des fibres de polypropylène. Dans la première partie, une étude du comportement rhéologique des matériaux cimentaires avec des fibres de polypropylène a été réalisée. Le but de cette étude est d’étudier l’influence de ces fibres sur le seuil d’écoulement des pâtes de ciment et des mortiers. Un modèle qui permet d’évaluer la quantité de pâte supplémentaire nécessaire pour compenser l’effet des fibres de polypropylène en fonction de la fluidité du béton frais a été développé.Ensuite, une étude expérimentale et numérique sur le comportement des matériaux cimentaires avec des fibres de polypropylène à haute température a été réalisée afin d’optimiser le choix des fibres pour améliorer la stabilité thermique d’un matériau cimentaire. Des essais de perméabilité résiduelle radiale et des essais feu sur les trois matériaux avec squelettes granulaires différents contenant des fibres de polypropylène de différentes géométries et dosages ont été réalisés dans un but de sélectionner une géométrie et un dosage optimal des fibres. Puis, des simulations thermomécaniques ont été développées à l’échelle macroscopique et mésoscopique. Le choix du diamètre, de la longueur et du dosage des fibres a été fait en fonction de la taille maximale des granulats.Finalement, une méthode de formulation du béton autoplaçant avec des fibres de polypropylène optimisé à la fois du point de vue de la rhéologie et de la résistance au feu a été présentée. Avec cette méthode, la conformité aux critères imposés sur les propriétés à l’état frais et à l’état durci du béton est vérifiée. Des éprouvettes de bétons sont testées sous chargement mécanique uniaxial et, en fonction des résultats, les formulations finales sont sélectionnées pour les futurs essais feu à l’échelle plus importante.

The aim of the thesis is to design a self-compacting concrete with polypropylene fibers resistant to fire for a use in storage containers of medium activity long-lived waste. The challenge of the work is presented by the use of polypropylene fibers that enhance fire resistance but drastically diminish workability of concrete even when added at small volume fractions. Tests on laboratory scale are conducted with a purpose of evaluating rheological behavior and high temperature behavior of cementitious materials containing polypropylene fibers.In the first part, a study of rheological behavior of cement-based materials containing polypropylene fibers was done. The aim of this study is to investigate the influence of polypropylene fibers on the yield stress of cement pastes and mortars. A model is proposed to be able to evaluate the quantity of paste necessary to compensate the addition of polypropylene fibres according the fluidity of fresh concrete.Then an experimental and numerical investigation of behavior of cementitious materials with polypropylene fibers at high temperature was done so as to optimize the choice of polypropylene fibers for cementitious material to improve its thermal stability. Three different cementitious materials with three different granular skeleton containing various polypropylene fiber geometries and dosages were tested (residual radial permeability test and fire test) in order to select an optimal fiber geometry and dosage. Then thermomechanical computations was developped at maco and meso scale. Then, a choice of diameter, length and dosage of fibres is proposed according to the maximum size of gravels.Finally, a method of concrete formulation with polypropylene fibers optimized from perspectives of rheology and resistance to fire is presented. In this method, fresh and hardened state properties are verified to ensure an accordance with performance criteria specified by the project. At the end, designed mixes were tested in fire tests conducted on uniaxially compressed prisms and, based on outcomes, final mixes are selected for further fire tests on higher scale concrete.