Etude expérimentale et numérique du comportement chimie-mécanique d'un matériau cimentaire soumis à une dégradation millénaire, application aux ciments hydrauliques romains

Experimental and numerical study of the chemo mechanical behavior of a cementitious material subjected to a millennial degradation, application to Roman hydraulic cements

• Auteur / Autrice : Fructueux Jésugnon Sohounme
• Direction : Alexandre Dauzeres
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Inscription en doctorat le 13/11/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IRSN Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Unité de recherche pour la radioprotection de l'homme
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay

Mots clés

Mots clés libres

Durabilité

Modélisation

Béton

Mécanique

Chimie

Modelling

Concrete

Mechanics

Durability

Chemistry

Résumé

Les matériaux cimentaires sont largement utilisés dans l'industrie nucléaire pour le conditionnement et le stockage des déchets radioactifs. Leur simplicité de mise en œuvre et leurs propriétés en font la classe de matériaux d'enrobage des déchets la plus répandue, en France comme à l'étranger. Les matériaux cimentaires sont aussi employés comme élément de structure des centres de stockage de déchets (CIGEO, CSA…). Ces matériaux sont soumis à une multitude d'agressions et de perturbations couplées pouvant impacter leurs propriétés chimio-mécaniques : température, chimie du milieu environnant, interaction matrice/déchet, sollicitation mécanique et irradiation. Pour s'assurer de la durabilité à très long terme des colis et des ouvrages en béton, un certain nombre d'études sont lancées régulièrement par l'IRSN. Ainsi lorsqu'une question se pose sur l'impact d'une perturbation, une étude phénoménologique est proposée pour comprendre les potentiels mécanismes de dégradation. A l'issue de cette étude, les mécanismes observés sont théorisés afin de pouvoir être intégrés dans un code de calcul. Le modèle numérique est ensuite validé grâce à une campagne expérimentale dédiée. Et enfin, une modélisation représentative du problème posé à très long terme est réalisée afin d'apporter une réponse aux experts de l'IRSN. Cette approche s'appuie sur l'idée qu'avec une compréhension fine des mécanismes de dégradation à moyen terme, nous sommes capables de modéliser le comportement à long terme. De par la complexité d'obtenir des informations sur un béton centenaire voir millénaire, cette approche est largement employée par la communauté scientifique [1–3]. La thèse proposée s'attachera à étudier l'écart induit par cette approche en s'intéressant à un matériau cimentaire soumis à une dégradation pendant plusieurs milliers d'années. Les mortier hydrauliques romains ont été largement utilisés à partir de 25 av. JC dans tout le pourtour méditerranéen. Ce liant hydraulique fait d'un mélange de chaux éteintes et de pouzzolanes a permis la construction d'importantes structures portuaires [4,5]. Des reliquats sont encore en place de nos jours immergés dans de l'eau de mer. Cet environnement marin a agressé la matrice cimentaire pendants plusieurs milliers d'années modifiant sensiblement sa minéralogie et sa microstructure [6]. Au travers du projet ROMACON [7], une équipe de chercheurs a travaillé sur l'estimation des formulations d'époques, à partir de textes anciens et de campagnes de caractérisation. Les résultats de ce projet ont démontré notre capacité actuelle à concevoir un mortier hydraulique romain. Un bloc fabriqué durant ce projet est immergé depuis 20 ans dans le port de Brindisi en Italie [8,9]. Dans le cadre de ce projet de thèse, une modélisation basée à très long terme sur une campagne expérimentale solide à moyen terme sera comparée aux résultats de caractérisation de matériaux dégradés anciens. Ces travaux n'ont pas uniquement pour vocation d'améliorer la capacité de modélisation du comportement chimio-mécanique à très long terme des matrices cimentaires : la méthodologie développée pour la caractérisation de matériaux anciens constituera un socle de connaissances important pour des travaux futurs.

Cementitious materials are widely used in the nuclear industry for conditioning and disposing radioactive waste. Their simplicity of implementation and their properties make them the most widespread class of waste encapsulation materials, in France and abroad. Cementitious materials are also used as structural elements in waste disposal facilities (CIGEO, CSA, etc.). These materials are subject to a multitude of aggressions and coupled disturbances that can impact their chemo-mechanical properties: temperature, chemistry of the surrounding environment, matrix/waste interaction, mechanical stress and irradiation. To ensure the very long-term durability of packages and concrete structures, a certain number of studies are regularly launched by IRSN. So when a question arises on the impact of a disturbance, a phenomenological study is proposed to understand the potential mechanisms of degradation. At the end of this study, the mechanisms observed are theorized in order to be able to be integrated into a computer code. The numerical model is then validated thanks to a dedicated experimental campaign. And finally, modeling representative of the very long-term problem is carried out in order to provide an answer to the IRSN experts. This approach is based on the idea that with a detailed understanding of medium-term degradation mechanisms, we are able to model long-term behavior. Due to the complexity of obtaining information on a century-old or even thousand-year-old concrete, this approach is widely used by the scientific community. The proposed thesis will focus on studying the difference induced by this approach by focusing on a cementitious material subjected to degradation for several thousand years. Roman hydraulic mortars were widely used from 25 BC. JC throughout the Mediterranean region. This hydraulic binder made of a mixture of slaked lime and pozzolan allowed the construction of important port structures. Remains are still in place today immersed in seawater. This marine environment has attacked the cementitious matrix for several thousand years, significantly modifying its mineralogy and its microstructure. Through the ROMACON project, a team of researchers worked on estimating the formulations of periods, from ancient texts and characterization campaigns. The results of this project demonstrated our current capability to design a Roman hydraulic mortar. A block made during this project has been immersed for 20 years in the port of Brindisi in Italy. As part of this thesis project, a very long-term modeling based on a solid medium-term experimental campaign will be compared to the characterization results of old degraded materials. This work is not only intended to improve the ability to model the very long-term chemo-mechanical behavior of cementitious matrices: the methodology developed for the characterization of old materials will constitute an important knowledge base for future work.