Optimisation et caractérisation d'un béton haute performance renforcé par des fibres résistantes à la corrosion

Optimisation and Characterisation of a High Performance Concrete Reinforced with Corrosion-Resistant Fibres

• Auteur / Autrice : Théophile Bouillard
• Direction : Anaclet Turatsinze, Jean-Paul Balayssac, Olivier Helson, Ahmed Toumi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 19/12/2023
• 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 : Emmanuel Ferrier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Duplan
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphanie Bonnet, Emmanuel Denarié

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux résistant à la corrosion

Innovation

Constructions en béton armé

Durée de vie (ingénierie)

Mots clés libres

Béton haute performance

Béton fibré

Auto-détection

Fibres de carbone

Fibres métalliques amorphes

High-Strength Concrete

Fiber reinforced concrete

Self-sensing

Carbon Fibers

Amorphous metallic fiber

Résumé

Cette thèse résulte d'un appel à projet de l'Agence Nationale pour la gestion des Déchets Radioactifs (Andra), responsable des centres de stockage de déchets radioactifs en France depuis 1991. Outre les centres en activité, l'Andra supervise aussi le projet Cigéo, visant à stocker en profondeur les déchets radioactifs représentant le plus de risque. Le projet de Cigéo comporte des galeries souterraines à 500 m de profondeur, destinées à stocker ces déchets pendant des milliers d'années. Il se divise en deux étapes principales : d'abord la phase d'acheminement des colis dans les galeries, puis la phase de stockage, scellant le projet et rendant impossible les éventuelles interventions humaines. La thèse vise à répondre aux défis de durabilité, stabilité et surveillance des ouvrages. Le béton armé habituellement utilisé présente des problèmes de corrosion, générant du dihydrogène dans l'environnement anoxique des galeries, provoquant à terme un risque de surpression. Afin de diminuer ce risque, l'Andra examine d'autres options que celui du béton armé conventionnel, parmi lesquelles l'intégration de fibres non corrosives dans le but de réduire le taux d'armature. Deux types de fibres ont été sélectionnées : les premières, les fibres FIBRAFLEX (FF) de l'entreprise Saint-Gobain SEVA, sont des fibres métalliques amorphes caractérisées par un grand élancement, une résistance à la corrosion et une conductivité électrique élevée. Les secondes, des fibres de carbone (FC) provenant de Toray Carbon et conditionnées par Apply Carbon, sont caractérisées par une résistance à la traction et un module élastique très élevés et par un diamètre très faible. Le manuscrit se divise en quatre grandes parties. Outre l'étude bibliographique, la deuxième partie s'est concentrée sur la caractérisation et la mise au point des formulations. Différentes configurations de renforcement par des fibres ont été testées, avec des dosages de 0,27 % et 0,41 % en volume pour les FF. En ce qui concerne les FC, un dosage de 0,27 % a été testé, avec des fibres ensimées et non ensimées. Les essais de compression et de module d'élasticité n'ont pas montré d'impact majeur des fibres sur ces propriétés. En revanche, en traction par flexion, les FF ont apporté une amélioration de la ductilité du béton et une maîtrise des fissures dès leur apparition en apportant une résistance résiduelle post-pic. Quant à elles, les FC n'ont pas apporté d'améliorations significatives. La troisième partie s'est penchée sur l'impact des fibres sur la résistivité électrique des bétons et le potentiel de détection d'endommagement qui en découle. Les essais de traction par flexion ont montré qu'il existe un lien entre la résistance électrique et l'évolution de l'ouverture des fissures. En particulier pour les formulations avec les FC, où cette technique montre une sensibilité avant même l'initiation de la fissure. Par ailleurs, les formulations avec les FF ont, elles aussi, permis d'obtenir des résultats fiables, mais nécessitent une fissure déjà initiée pour observer un changement significatif de la résistance électrique. Enfin, la dernière campagne expérimentale a étudié le comportement mécanique des éléments structuraux en béton armés et fibrés. Les essais se sont portés sur des poutres en flexion 4 points, avec différentes configurations de renforcement par des aciers et des fibres. Il a été montré que les FF ont limité l'ouverture des fissures dans la phase élastique fissurée des poutres, tout en améliorant légèrement les résistances. En parallèle, différents systèmes d'acquisition ont été utilisés pour suivre l'endommagement des poutres, notamment des fibres optiques, la vidéo-corrélation, des mesures de résistance électrique et d'émission acoustique. Ces techniques de mesures indirectes ont permis de détecter précisément l'endommagement des poutres, et l'ajout de fibres a amélioré la fiabilité de ces mesures.

This thesis is a part of a research project initiated by the French National Agency for Radioactive Waste Management (Andra), which has been responsible for radioactive waste storage facilities in France since 1991. In addition to active storage sites, Andra oversees the Cigéo project that aims to dispose high-risk radioactive waste at a deep geological disposal. The Cigéo project includes underground galleries located 500 meters below the surface, designed for the long-term storage of radioactive waste. It is divided into two main phases: the first involves the transportation of radioactive waste packages into the galleries, while the second phase encompasses the storage itself, sealing the project and rendering it infeasible to any human intervention. This thesis addresses the challenges of sustainability, stability, and health monitoring of the structures. Conventional reinforced concrete is susceptible to corrosion, generating dihydrogen in the anoxic environment of the galleries. Thus, leading to a long-term risk of overpressure. To mitigate this risk, Andra is exploring alternatives to conventional reinforced concrete; one of which is the incorporation of non-corrosive fibers to reduce the rate of reinforcement. Two types of fibers have been selected: the firsts, FIBRAFLEX fibers (FF) provided by Saint-Gobain SEVA are amorphous metallic fibers. They are characterized by high aspect ratio, corrosion resistance, and high electrical conductivity. The second type, carbon fibers (CF), provided by Toray Carbon and processed by Apply Carbon, are known for their high tensile strength, high elastic modulus, and small diameter. The manuscript is divided into four main sections. In addition to the literature review, the second part focused on the mechanical characterization and formulation development. Various fiber reinforcement configurations were tested, with dosages of 0.27% and 0.41% by volume for FF. For CF, two sets were tested: with sizing and without sizing at a dosage of 0.27%. Compression and elastic modulus tests showed no significant impact of the fibers on these properties. However, in flexural tensile tests, FF fibers improved the ductility of the concrete and crack control upon their initiation by increasing the residual tensile strength after the peak. The CF, on the other hand, did not yield significant improvements. The third section studied the impact of fibers on the electrical resistivity of concrete and its potentiality for damage detection. Flexural tests revealed a correlation between electrical resistivity and crack opening; particularly in batches with CF, which exhibited sensitivity even before crack initiation. Batches with FF fibers also provided reliable results, but they required a crack initiation to observe a significant change in electrical resistivity. Lastly, the final experimental campaign focused on the mechanical behavior of steel reinforced and fiber-reinforced concrete structural elements. The tests involved four-point bending on real-scale beams with different combinations of steel and fiber reinforcements. It was demonstrated that FF limited crack openings in the elastic-cracking phase of the beams while slightly enhancing their strengths. In parallel, various data acquisition systems, including optical fibers, digital image correlation, electrical resistance measurements, and acoustic emission analysis, were used to monitor beam damage. These indirect measurement techniques precisely detected damage in the beams, and the addition of fibers improved the reliability of these measurements.