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Durabilité des bétons bas carbone à travers une approche couplée expérimentation - modélisation avec prise en compte de la fissuration interfaciales au sein du matériau

ABG-122252 Thesis topic
2024-04-04 Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)
Ecole Centrale de Nantes
- Pays de la Loire - France
Durabilité des bétons bas carbone à travers une approche couplée expérimentation - modélisation avec prise en compte de la fissuration interfaciales au sein du matériau
  • Civil engineering, construction and public works
  • Engineering sciences
endommagement, transport, matériaux cimentaires, experimentation, modelisation

Topic description

INTRODUCTION
Pour tous les bétons, la durabilité est caractérisée au niveau normatif par leur exposition à différents
environnements : carbonatation, sulfates, chlorures, gel-dégel, etc. Le critère commun dans l’analyse de la
durabilité pour toutes ces classes d’exposition est leur résistance mécanique après exposition. Dans la
littérature, très peu d’informations sur l’effet des substitutions par les matériaux cimentaires alternatifs sur
les propriétés de rupture et de durabilité de béton bas carbone est disponible. Des travaux récents mais rares
sont disponibles ou sont en cours sur les propriétés à la rupture de béton contenant les matériaux cimentaires
alternatifs dans un milieu agressif. Le travail à mener est donc important et fastidieux si l’on conserve les
mêmes méthodologies de « décarbonatation » dans l’industrie du ciment. La combinaison avec des solutions
numériques basées sur la physique et la chimie peut apporter une analyse optimisée du comportement des
bétons contenant des additions minérales soumis à toutes les classes d’exposition de la norme.
La durabilité des structures en béton dépend fortement des effets de l’environnement auquel les structures
sont exposées, de la formulation des matériaux et du dimensionnement de la structure. Parmi celles-ci figurent
les structures souterraines et offshore, qui peuvent être en contact avec de l'eau contenant des sulfates et
des chlorures et affectant la durabilité des matériaux utilisés dans ces structures. Certains mécanismes de
dégradation restent flous et controversés malgré de nombreuses études et expertises. C'est le cas par exemple
du couplage entre l'attaque des sulfates, la lixiviation et les chlorures. Ces phénomènes sont les événements
d'accompagnement communs avec l'attaque sulfatique externe (ESA) dans les ouvrages d'art en contact avec
l'eau de mer, les eaux souterraines et les sols salins. Dans la plupart des cas, l'interaction entre les ions sulfates
et chlorures est réciproque. La capacité de liaison aux ions chlorures de la matrice est généralement signalée
comme étant réduite lors d'une exposition combinée chlorures-sulfates et d'une progression plus faible des
ions sulfates et chlorures en raison du changement de la microstructure résultant de la précipitation de l'AFt
et du sel de Friedel. Par l'attaque combinée des sulfates et des chlorures, les structures en béton devraient
avoir des durées de vie plus longues. En effet, la progression de la fissuration causée par la pénétration des
sulfates et l'initiation de la corrosion causée par l'accumulation des chlorures sont toutes deux
considérablement ralenties. Parmi d’autres phénomènes, l'effet de la lixiviation joue un rôle important et peut
modifier la porosité du matériau et peut modifier à la fois les concentrations des chlorures et des sulfates,
notamment à proximité de la surface du matériau.
L’amélioration de la durabilité et du vieillissement maîtrisé du béton est naturellement associée à la prédiction
de la dégradation des propriétés mécaniques des bétons, dont notamment l’altération des propriétés des
interfaces aux plusieurs échelles de matériau. Les pores et les interfaces entre les composants de pâte de
ciment et les interfaces entre la pâte et les granulats semblent être des zones privilégiées à la précipitation
des cristaux due à la perturbation de l’équilibre thermochimique en modifiant la distribution des produits
d’hydratation et engendrant des pressions internes qui induisent à leur tour des gonflements et des
fissurations dans le béton. Dès lors, une bonne connaissance du comportement multi-physique du béton aux
différentes échelles ainsi que de sa fissuration est un préalable au développement d’outils de prédiction en
vue d’anticiper la dégradation progressive, voire l’endommagement, de ce matériau. L’acquisition de cette
connaissance passe par une phase expérimentale, en particulier pour les prédictions de fissuration aux
échelles micromécaniques, avec la tenue des interfaces pâte-pâte et pâte-granulat dans les bétons qui est
encore mal connue.
OBJECTIF
Compte tenu de l'ambiguïté des mécanismes couplés sulfates-chlorures et le manque de données sur le rôle
de fissuration notamment dans les zones interfaciales, l'étude des mécanismes de dégradation du béton bas
carbone sous couplage chlorures-sulfates est d'une grande importance. En effet, il permettra à la fois d’évaluer
finement la durabilité et prédire la durée de vie des ouvrages en béton en milieu marin et d'examiner
l'influence réciproque des processus couplés sur la détérioration du béton et la corrosion de l'acier.
L'objectif de cette thèse est donc d'étudier la détérioration des structures en béton et plus spécifiquement
dans les zones d'exposition combinées chlorures-sulfates. On ambitionne une meilleure compréhension des
couplages entre les paramètres de dégradation, l'épaisseur de l'enrobage vis-à-vis des conditions
environnementales modérées à sévères. La présente recherche vise à fournir une approche globale pouvant
aboutir à de nouveaux outils de prédiction prenant en compte à la fois la fissuration, les conditions
d'exposition et la nature minéralogique des constituants du béton, mais aussi les mécanismes multi-physiques
dans les zones interfaciales.
Les travaux de recherche consistent en une étude expérimentale et une modélisation numérique afin de
comprendre les couplages entre transport et processus de fissuration des structures en béton. Un programme
expérimental original sera développé pour étudier la fissuration des interfaces pâte-pâte et pâte-granulat. Des
méthodes expérimentales multi-échelle et des techniques basées sur des méthodes destructives et non
destructives seront appliquées pour caractériser plusieurs paramètres internes liés aux mécanismes
d'endommagement à l’interfaces pâte-pâte et pâte-granulat, à l'auto-cicatrisation et les mécanismes
chimiques liés au couplage chlorure et sulfate.
Une approche numérique multi-échelle, basée sur les développements récents des laboratoires GeM et
Cerema, sera améliorée en prenant compte la conception des mélanges de béton bas carbone et des
phénomènes à l’interface pâte-pâte et pâte-granulat. Les principaux objectifs de cette étude sont la
compréhension de la perte mécanique due à la réactivité chimique et la modification du phénomène de
transport due à la fissuration. Les phénomènes chimiques seront modélisés par un modèle de transport réactif
prenant en compte les cinétiques de précipitation/dissolution et la complexation de surface afin de simuler la
pénétration des ions dans les matériaux cimentaires. Ce modèle sera couplé avec le modèle
d’endommagement mécanique basé sur la méthode des éléments de particules discrètes multi-échelles
(DPEM). La méthode des éléments des particules discrètes s'est avérée être une approche efficace et
ingénieuse prenant en compte l'évolution complexe des microstructures, des pressions internes et des
mécanismes de fissuration à l’échelle d’interfaces pâte-pâte et pâte-granulat.
Bibliography:
[1] Relevance of displacement softening model in discrete element method to investigate structural and grain
size scaling effect. R Zhu, SY Alam, A Loukili. Theoretical and Applied Fracture Mechanics 123 (2023) 103706.
[2] External sulfate attack of cementitious materials: New insights gained through numerical modeling
including dissolution/precipitation kinetics and surface complexation. A Soive, VQ Tran. Cement and Concrete
Composites 83 (2017) 263-272.
[3] Modelling chemo-mechanical degradation due to external sulphate attack in cementitious materials. SY
Alam, S Berrebah, A Soive, ALoukili. 42èmes Rencontres Universitaires de Génie Civil de l'AUGC, du 28 au 30
Mai 2024, Le Havre, France.

Funding category

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

Funding further details

Presentation of host institution and host laboratory

Ecole Centrale de Nantes

Directeur de thèse : Syed Yasir ALAM, GeM-Ecole Centrale Nantes

Laboratoires :
- Institut de Recherche en Génie Civil et Mécanique (GeM) UMR-CNRS 6183
- CEREMA
Localisation de la thèse : GeM - Ecole Centrale de Nantes

Le GeM est une Unité Mixte de Recherche de Nantes Université, Centrale Nantes et du CNRS. Il a été fondé en 2004, à partir du regroupement de laboratoires pré-existants. Il est très impliqué dans la formation par la recherche : il compte une centaine de doctorants et porte plusieurs masters, majoritairement internationaux, en mécanique, génie civil, et technologie marine.

Les axes de recherches des différentes équipes s'articulent autour du triptyque Matériaux - Procédés - Structures, visant principalement à développer et mettre en œuvre des approches intégrées couvrant les étapes de conception, fabrication et fonctionnement de composants industriels (aéronautique, automobile, énergie, génie civil, ...).

Une large gamme de matériaux est traitée : géomateriaux, matériaux métalliques, polymères, composites. Au niveau des procédés, les travaux sont surtout orientés autour de la rhéologie, de l'assemblage, et plus généralement de la mise en œuvre des matériaux.

Toutes les équipes s'intéressent également à l'analyse du fonctionnement en service des composants structuraux : réponse aux sollicitations mécaniques et environnementales, parfois extrêmes (sismique, crash), durabilité au sens large (notamment gestion des risques, analyse de cycle de vie).

Pour développer des méthodes d'analyses prédictives et destinées à être transférées en milieu industriel à court et à moyen terme, le laboratoire s'appuie sur un socle de compétences et de savoir-faire partagé au travers des différentes équipes. Ces compétences relèvent à la fois des techniques expérimentales, de la modélisation et de la simulation numérique.

Candidate's profile

- Master 2 génie civil

- Durabilité des matériaux cimentaires

- Intérêt pour les travaux expérimentaux et la modélisation numérique

2024-04-15
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