Perméabilité à l’air du béton armé endommagé par des Réactions de Gonflement Interne (RGI)

Air permeability of reinforced concrete damaged by Internal Swelling Reactions (ISR)

• Auteur / Autrice : Joe Maalouf
• Direction : Stéphane Multon, Jérôme Verdier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 17/01/2024
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-....)
• 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 : Abdelhafid Khelidj, Jacques Jabbour, Alain Sellier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Aveline Darquennes, Géraldine Villain

Mots clés

Mots clés contrôlés

Perméabilité

Constructions en béton

Centrales nucléaires -- Mesures de sécurité

Béton -- Détérioration

Mots clés libres

Perméabilité à l'air

Durabilité

Propriétés de transport

Fissuration

Réaction sulfatique interne

Réaction alcali-granulat

Air permeability

Durability

Transport properties

Cracking

Delayed ettringite formation

Alkali-aggregate reaction

Résumé

Le travail décrit dans ce manuscrit s'inscrit dans les programmes de recherche consacrés à l'étude du vieillissement des ouvrages de génie civil nucléaire, initiés par l'Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire (IRSN) et menés au sein du Laboratoire Matériaux et Durabilité des Constructions (LMDC) de Toulouse. Cette recherche s'inscrit dans le cadre du projet visant à prolonger la durée d'exploitation des centrales nucléaires françaises. L'objectif de cette étude est de contribuer à l'acquisition de connaissances relatives à l'impact du développement de certaines pathologies internes au sein des ouvrages non-remplaçables des centrales nucléaires, telles que les enceintes de confinement, sur les caractéristiques de transport des bétons. Il convient de souligner que le comportement au niveau du confinement de ces matériaux revêt une importance cruciale dans l'évaluation de la sûreté des installations nucléaires, car les enceintes de confinement représentent la troisième et dernière barrière de protection contre toute éventuelle libération de produits radioactifs dans l'environnement. Les professionnels responsables des essais de durabilité du béton sont confrontés à un défi majeur : évaluer les caractéristiques de transfert des bétons affectés par les Réactions de Gonflement Interne (RGI). Ces pathologies sont généralement associées à deux types de réactions chimiques : la Réaction Sulfatique Interne (RSI) et la Réaction Alcali-Granulats (RAG). Lorsque ces réactions se développent, des contraintes de traction apparaissent dans le béton et conduisent à la formation de fissures dans les structures touchées par ces pathologies. Dans ce contexte, la recherche réalisée dans le cadre de cette thèse se concentre sur deux aspects principaux : la mesure de la perméabilité à l'air des bétons sujets aux réactions de gonflement interne, en couvrant une gamme de taux de saturation allant d'un état partiellement saturé (80% Sr) à un état complètement sec. De plus, toutes les structures de génie civil nucléaire sont renforcées par des armatures passives et actives, cette étude tient donc compte de la présence d'armatures dans différentes dispositions. Les données collectées dans cette étude permettent d'évaluer l'évolution des propriétés de transfert de bétons atteints de RGI en fonction de l'expansion générée, des fissures induites et du degré de saturation du béton. Un dispositif innovant a été spécialement conçu pour cette recherche. Ce nouveau protocole permet la mesure de la perméabilité à l'air en offrant la possibilité d'évaluer l'anisotropie de cette propriété en la quantifiant dans deux directions sur un même échantillon, sans pression de confinement qui peut affecter les données de perméabilités. De plus, il permet d'analyser comment la perméabilité à l'air évolue en relation avec la présence d'armatures dans différentes configurations, tout en prenant en compte le développement des réactions de gonflement interne. Les résultats obtenus pendant cette étude ont permis d'améliorer la connaissance des propriétés de transport dans des bétons fissurés par des RGI en présence ou non d'armatures et de générer des données expérimentales qui enrichiront les bases de données utilisées pour établir des modèles avancés capables de prédire le comportement à long terme des bétons affectés par les RGI, en tenant compte à la fois de l'expansion et de la modification des caractéristiques de transport. Ces modèles permettront de prévoir les éventuelles interventions nécessaires sur les structures, contribuant ainsi à réduire les coûts associés aux réparations différées.

The work described in this manuscript is part of research programs dedicated to the study of the aging of nuclear civil engineering structures, initiated by the Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire (IRSN) and conducted within the Laboratoire Matériaux et Durabilité des Constructions (LMDC) in Toulouse. This research falls within the framework of a project aimed at extending the operational lifespan of French nuclear power plants. The objective of this study is to contribute to the acquisition of knowledge related to the impact of the development of certain internal pathologies within irreplaceable components of nuclear power plants, such as containment structures, on the transport characteristics of concrete. It is worth noting that the behavior of these materials at the containment level is of crucial importance in the assessment of the safety of nuclear installations, as containment structures represent the third and final barrier of protection against any potential release of radioactive products into the environment. Professionals responsible for concrete durability tests face a major challenge: evaluating the transport characteristics of concrete affected by Internal Swelling Reactions (ISR). These pathologies are generally associated with two types of chemical reactions: Delayed Ettringite Formation (DEF) and Alkali-Aggregate Reaction (AAR). When these reactions develop, tensile stresses appear in the concrete, leading to the formation of cracks in structures affected by these pathologies. In this context, the research conducted as part of this thesis focuses on two main aspects: measuring the air permeability of concrete subjected to internal swelling reactions, covering a range of saturation levels from partially saturated (80% Sr) to completely dry. Furthermore, all nuclear civil engineering structures are reinforced with passive and active reinforcements, so this study takes into account the presence of reinforcements in various arrangements. The data collected in this study allow for the assessment of the evolution of transport properties of concrete affected by ISR based on the generated expansion, induced cracks, and the degree of concrete saturation. An innovative device has been specially designed for this research. This new protocol allows for the measurement of air permeability while providing the opportunity to assess the anisotropy of this property by quantifying it in two directions on the same sample, without confinement pressure that can affect permeability data. Moreover, it allows for an analysis of how air permeability evolves in relation to the presence of reinforcements in different configurations, while taking into account the development of internal swelling reactions. The results obtained during this study have improved our understanding of transport properties in concrete affected by ISR, with or without reinforcements, and have generated experimental data that will enrich the databases used to establish advanced models capable of predicting the long-term behavior of concrete affected by ISR, considering both expansion and modifications to transport characteristics. These models will help predict any necessary interventions on structures, thus contributing to reducing the costs associated with deferred repairs.