Vieillissement et Pathologies des Bétons en vue d'Assurer la Durabilité des Ouvrages

Aging and Pathologies of Concrete with a view to Ensuring the Durability of Structures

• Auteur / Autrice : Bouagui Fofana
• Direction : Frederic Jamin
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique, Génie Civil et Architecture
• Date : Inscription en doctorat le 30/09/2024
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LMGC - Laboratoire de Mécanique et Génie Civil
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Structures innovantes, géomatériaux, écoconstruction (SIGECO)

Mots clés

Mots clés libres

Modèle CZM

Zone de transition interfaciale

Béton

Expériences multi-échelles

Réactions de Gonflement Interne

Internal swelling reaction

Multi-scale experiments

Concrete

CZM model

Interfacial Transition Zone

Résumé

Les structures de génie civil en béton armé nécessitent une attention particulière au cours de leur vie. Parmi elles, nous pouvons citer les ouvrages d'art (ponts, tunnels, soutènements) et les centrales nucléaires. Ces structures massives peuvent être fragilisés par le développement de certaines pathologies qui affectent les performances pour lesquelles elles ont été conçues initialement. Notre projet de recherche vise à mieux comprendre le développement des pathologies des bétons notamment les réactions de gonflement interne qui dégradent leurs propriétés en mettant en œuvre une campagne expérimentale multi-échelle d'envergure pour enrichir les modèles prédictifs de comportement en vue de la durabilité des ouvrages. Dans le cadre des investissements du plan France 2030, la stratégie du nucléaire devra prendre en compte quatre axes de recherche et développement à savoir 1) la diversification des usages, 2) la réduction des volumes et de la radioactivité des déchets des installations nucléaires, 3) l'augmentation de l'autonomie stratégique grâce au multi-recyclage des matières nucléaires et 4) l'amélioration de la sûreté et de la sécurité nucléaire. Pour ce quatrième point, le béton reste le matériau de construction le plus apte pour assurer la sûreté intrinsèque des installations nucléaires mais cela nécessite de mieux comprendre les mécanismes de vieillissement et de dégradations des bétons en vue d'assurer la durabilité des ouvrages. Ce projet s'inscrit dans une démarche de compréhension des mécanismes de développement de certaines pathologies et de caractérisation expérimentale multi-échelle des effets de dégradations des bétons dans l'objectif de déterminer les paramètres de modèles micromécaniques en vue de prédire le comportement des ouvrages. Ce projet de recherche porte sur la caractérisation expérimentale multi-échelle des propriétés d'interface entre la pâte de ciment et les granulats pour un béton sain ou dégradé en vue d'identifier les paramètres des modèles de zones cohésives (CZM) utilisés dans LMGC90 et Xper. Dans les conditions de dégradation de type réaction sulfatique interne, les résultats expérimentaux permettront d'améliorer les codes de calcul existants. Les objectifs du projet sont : Mise au point de protocoles de dégradations accélérés - Pour chaque échelle d'étude, les protocoles expérimentaux de dégradations accélérés seront à revisiter afin de tenir compte de la taille des échantillons. Caractérisation microstructurale du vieillissement et des dégradations - Afin d'observer le développement des pathologies au cours du temps, une quantification fine de la dégradation des échantillons sera entreprise (DRX, MEB-EDS, fracto-fraiche, nano-indentation, μ- tomographe, ultrasons, etc.). Réalisation de campagnes expérimentale vs numérique multi-échelles - Le programme expérimental prévisionnel prévoit des essais à plusieurs échelles : 1) à l'échelle locale (interface) pour déterminer les paramètres CZM, 2) à l'échelle mésoscopique (assemblage de grains) pour valider les paramètres CZM et 3) à l'échelle macroscopique (volume élémentaire représentatif) pour s'assurer de la robustesse des méthodes numériques utilisés. Les modes de sollicitations de chaque essai envisagé (traction directe, cisaillement directe avec ou sans confinement, flexion 3 ou 4 points centrés ou non) permettront de valider au fur et à mesure la démarche scientifique. Application au programme ODOBA(1) – L'objectif final de ce projet de recherche sera de confronter les données expérimentales obtenues sur la plateforme ODE de l'IRSN Cadarache avec les outils numériques qui auront été fiabilisés lors de la phase de réalisation de la campagne expérimentale vs numérique multi-échelle. (1) https://www.irsn.fr/recherche/projet-odoba

Reinforced concrete for civil engineering structures require special attention during their life. Among them, we can cite engineering structures (bridges, tunnels, supports) and nuclear power plants. These massive structures can be weakened by the development of pathologies which affect the performance for which they were initially designed. Our research project aims to better understand the development of concrete pathologies, particularly internal swelling reactions which degrade their properties, by implementing a multi-scale experimental campaign to enrich predictive models of behavior with a view to the durability of concrete. As part of the investments in the France 2030 plan, the nuclear strategy must take into account four areas of research and development 1) the diversification of uses, 2) the reduction of the volumes and radioactivity of waste from nuclear installations, 3 ) increasing strategic autonomy through the multi-recycling of nuclear materials and 4) improving nuclear safety and security. For this fourth point, concrete remains the most suitable construction material to ensure the intrinsic safety of nuclear installations but this requires a better understanding of the aging and degradation mechanisms of concrete in order to ensure the durability of the structures. This project is part of an approach to understanding the mechanisms of development of pathologies and multi-scale experimental characterization of the effects of concrete degradation with the aim of determining the parameters of micromechanical models with a view to predicting the behavior of structures. This research project focuses on the multi-scale experimental characterization of the interface properties between cement paste and aggregates for healthy or degraded concrete with a view to identifying the parameters of the cohesive zone models (CZM) used in LMGC90 and Xper. Under internal sulphate reaction type degradation conditions, the experimental results will make it possible to improve existing calculation codes. The objectives of the project are: Development of accelerated degradation protocols - For each study scale, the experimental accelerated degradation protocols will need to be revisited in order to take into account the size of the samples. Microstructural characterization of aging and degradation - In order to observe the development of pathologies over time, a fine quantification of the degradation of the samples will be undertaken (XRD, SEM-EDS, fracto-fresh, nano-indentation, μ-tomograph, ultrasound, etc.). Carrying out multi-scale experimental vs numerical campaigns - The forecast experimental program provides for tests at several scales: 1) at the local scale (interface) to determine the CZM parameters, 2) at the mesoscopic scale (grain assembly) to validate the CZM parameters and 3) on the macroscopic scale (representative elementary volume) to ensure the robustness of the numerical methods used. The loading modes of each test envisaged (direct traction, direct shear with or without confinement, bending 3 or 4 points centered or not) will make it possible to validate the scientific approach gradually. Application to the ODOBA program (1) – The final objective of this research project will be to compare the experimental data obtained on the ODE platform of IRSN Cadarache with the digital tools which will have been made reliable during the implementation phase of the campaign experimental vs. multi-scale numerical. (1) https://www.irsn.fr/recherche/projet-odoba