Comportement à long terme d'un ouvrage hydraulique atteint de réaction alcali-granulats

Long term strains of a hydraulic structure affected by Alkali-Silica reaction

• Auteur / Autrice : Clement Lacombe
• Direction : Alain Sellier, Thierry Vidal
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 27/09/2022
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire matériaux et durabilité des constructions (Toulouse ; 1999-....)
• Jury : Président / Présidente : Farid Benboudjema
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrice Anthiniac, Christine Noret, Anton J. Schleiss
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Matthieu Briffaut, Boumédiene Nedjar

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fluage

Béton

Ouvrages hydrauliques

Réactions alcalis-granulats

Mots clés libres

Réaction alcali-granulats

Fluage

Capteurs à fibre optique

Modèle numérique

Homogénéisation

Micro-mécanique

Alkali Aggregates Reaction

Creep

Ptic fiber sensors

Numerical modeling

Homogenization

Micro-mechanic

Résumé

Dans le contexte actuel, où la production d'énergie doit être décarbonée et la gestion des ressources en eau potable est vitale, la durabilité des ouvrages hydrauliques est un enjeu crucial. Cependant, une partie du parc mondial des barrages en béton est atteint de Réaction Alcali-Granulat (RAG). Cette réaction chimique entre les différents constituants du béton engendre la production de gels expansifs dans les granulats, ce qui provoque un gonflement et une diminution des propriétés mécaniques du béton. Dans un ouvrage hydroélectrique, ces effets modifient le champ des contraintes initiales, ce qui peut compromettre la stabilité de l'ouvrage, mais aussi entraîner un dysfonctionnement des organes de gestion des crues et de production électrique. Lorsque la sécurité de l'ouvrage n'est plus assurée, le maître d'ouvrage doit entreprendre d'importants travaux de confortement, voire se résoudre à l'arrêt de son exploitation. Il doit donc disposer d'outils d'aide à la décision performants, tels que des modèles capables de calculer le comportement de l'ouvrage et de l'extrapoler en fonction de l'état d'avancement de la pathologie. Cette thèse a pour objectif de proposer un modèle d'homogénéisation non-linéaire permettant le calcul à l'échelle de l'ouvrage. Ce modèle est basé sur des hypothèses de mécanismes se produisant à l'échelle mésoscopique, émises à partir des données issues d'un programme expérimental original. Ce programme expérimental a consisté en l'étude en laboratoire du couplage entre la RAG et le fluage dans le cas représentatif d'un ouvrage réel. Deux bétons qui ne se différencient que par la réactivité de leurs gravillons, ont été formulés. Les éprouvettes cylindriques 11 x 22 cm ont été conservées dans une solution d'hydroxyde de sodium pendant la totalité du programme expérimental afin d'assurer un développement continue de la réaction. Après les 28 premiers jours de cure à 20 °C, elles ont été maintenues à 38 °C afin d'accélérer la réaction. Une fois 75 % du potentiel de gonflement du béton réactif atteint, une partie des éprouvettes a été placée sous chargement constant de compression uniaxiale correspondant à 30 % de la résistance en compression des bétons. Des capteurs à fibre optique résistants aux conditions de conservation sévères ont été utilisés pour enregistrer les déformations longitudinales et orthoradiales des éprouvettes. Les résultats montrent que le fluage du béton réactif est plus important quand la réaction est en cours de développement. Le chargement entraine non seulement un arrêt du gonflement mais aussi sa résorption d'environ 50 % de la valeur avant la mise en charge. Ce gonflement, empêché et partiellement résorbé, est reporté dans les directions libres, où des déformations supérieures au cas non chargé sont observées. Bien que la réaction chimique soit achevée, un surplus de gonflement volumique de 8 % a été observé après décharge sur les éprouvettes réactives. Ces comportements peuvent s'expliquer par un état de contraintes dans la matrice qui diffère au voisinage du granulat et dans les zones plus éloignées. L'originalité du modèle d'homogénéisation non-linaire qui a été développé réside d'une part dans la prise en compte analytique d'un fluage non homogène de la matrice et d'autre part de critères de fissuration locaux à l'interface matrice-inclusions. Ce modèle permet le couplage des réactions de gonflement interne avec les déformations différées du béton et la micro-fissuration pour tout type de chargement. Une fois implanté dans un logiciel de calcul aux éléments finis, les résultats du modèle sont comparés avec ceux issus d'un modèle mésoscopique purement numérique comportant les lois de comportement local. Le modèle a fait l'objet de deux applications. La première a permis de reproduire les résultats du programme expérimental et la deuxième le comportement d'un ouvrage réel, complété d'une prédiction à 40 ans.

Nowadays, the production of a low-carbon energy and fresh water management are essential. Consequently, the sustainability of hydropower schemes is a vital issue. However, some concrete dams around the world are affected by Alkali-Aggregates Reaction (AAR). This chemical reaction between the concrete components generates an expansive gel in the aggregates, that induces a swelling and the decrease of the mechanical properties of the concrete. The AAR development in the structure can change its initial stress field, which compromises the stability, but also the failure of the spillway and hydropower production. A critical safety of the structure leads the site supervision to engage important reinforcement works and if needed, to stop the operations. So, performance models and decision-support tools are needed. These tools must be able to compute and extrapolate the behavior of the structure during AAR. The main objective of this PhD thesis is to propose a non-linear homogenization model which couples creep and AAR at mesoscale while allowing the structural computing. This model rests on assumptions on the mesoscopic behavior made thanks to data provided from an original experimental program. The chronology of this experimental program was designed to be representative of a real case. To study the effects of the AAR on the creep of the concrete, two concretes were designed in order to be similar except for the reactivity of larger particles. The immersion of 11x22 cylinder specimens in a sodium-hydroxide solution during all the program allows the continuous development of the reaction. After a curing of 28 days at 20°C, the velocity of the reaction was accelerated by an increase of the temperature at 38°C. Once reached 75% of the total free swelling potential, some specimens were studied under a constant uniaxial loading corresponding to 30% of the compressive strength at the date of the loading. The strains evaluation in the longitudinal and orthoradial directions was performed by optic fiber sensors resistant to the severe conditions of the program. The strains evolutions show that during AAR, the creep of the reactive concrete is faster than the non-reactive one. The swelling in the loading direction was stopped by the load application and induced a resorption of about 50% of the free swelling. This inhibited and resorbed swelling was reported in the free to swell directions, where higher swelling of the loaded specimens than the unloaded was reported. After unloading, we observed a volumetric swelling 8% higher than for reactive concrete specimens. The behavior of the reactive concrete can be explained by stress in the matrix that is different around the aggregates and in zones further away. The model's originality consists in considering analytically this non-homogeneous stress state on the creep of matrix and on its permanent strains. To this end, cracks criteria are defined at the interfacial zone between the matrix and the aggregates, the coupling between chemical swellings, long terms strains and non-linear local behavior were then automatically considered. Once implemented in a finite elements analysis software and its results verified by comparison with a mesoscopic numerical model, the model was used in two applications. The first one managed to reproduce the results found in the experimental program, while the second one consisted of computing and extrapolating the behavior of a real dam affected by AAR.