Développement et caractérisation d’un mortier intelligent pour le suivi des ouvrages en pierre du patrimoine

Le candidat sera accueilli au sein du département Génie civil et environnemental (GCE) à l'I2M.

Les recherches au sein de GCE portent d’une part sur les matériaux de construction et les sites et ouvrages, et d’autre part sur le développement de méthodes d’analyse permettant le diagnostic et la décision dans le domaine du génie civil. Ces recherches s’appuient sur des développements théoriques originaux (mécanique des matériaux quasi-fragiles, propagation des incertitudes et risques dans les systèmes complexe,…). Elles visent aussi à des préoccupations opérationnelles : maîtrise des propriétés et valorisation des matériaux composites à base de bois, instrumentation et suivi de sites et d’ouvrages sensibles, aide à la décision pour la gestion de patrimoines techniques). L’instrumentation en laboratoire et sur le terrain (géophysique, mesures in situ) représente un élément essentiel des actions menées, qui s’appuient sur deux éléments clés :

Une très forte interdisciplinarité, laissant une large part à la combinaison d’approches (géophysique et hydrogéologie, modélisation physique et aide à la décision, géotechnique et analyse de risque…) traitant des problèmes sur une grande diversité d’échelles ;

Une chaine continue et équilibrée, depuis la connaissance et la modélisation des phénomènes/mécanismes impliqués en amont jusqu’à des conclusions pré-opérationnelles, dont peuvent se saisir les utilisateurs (industriels, bureaux d’études, collectivités, gestionnaires de patrimoine…).       

Les applications couvrent le champ large du Génie Civil: suivi et évaluation des ressources (forestières, en eau), des sites et des ouvrages ; caractérisation et conception des matériaux de construction et de composants innovants ; réduction de la vulnérabilité (patrimoine culturel de grottes ornées, amélioration des sols, vulnérabilité sismique) ; gestion de patrimoine (diagnostic d’ouvrage, optimisation de la maintenance) ; maîtrise des risques (mouvements de sols, conduite des projets de construction).

ContexteLa préservation de notre patrimoine bâti constitue un enjeu majeur aujourd’hui, comme nous le rappelle lesaccidents tragiques survenus ces dernières années (incendie de la cathédrale Notre Dame de Paris [1], Boursede Copenhague, etc...). Ce patrimoine ancien est principalement constitué du matériau de maçonnerie depierres calcaires. Le diagnostic structurel de ce type d’ouvrage est rendu difficile du fait de leur géométrie 3Dcomplexe, du caractère fortement anisotrope et non linéaire des matériaux constitutifs et de la difficultéd’identifier précisément l’historique de chargement qu’ont subi ses structures au cours des siècles. Desméthodologies de diagnostic globales allant du relevé sur site jusqu’à des modélisations mécaniques avancéessont à développer [2]. Ce type de méthodologie doit notamment comprendre un suivi SHM (structural HealthMonitoring) de l’ouvrage afin d’en identifier le comportement mécanique actuel. Pour répondre à cet enjeu, ilsemble pertinent d’assurer un suivi continu, non-invasif et peu coûteux de ces structures du patrimoine. Unepiste prometteuse pour assurer ce suivi est dans la mise en œuvre de mortier intelligent présentant desinclusions de fibres électriquement conductrices [3],[4],[5].Objectif du travail à mener et Déroulé du sujet (si pertinent)Ce stage propose le développement d’un nouvel outil de suivi de ce type de structures. L’idée est de modifierles joints de mortier liaisonnant les blocs de pierre, afin qu’il soit capable de suivre le niveau de contrainte decompression au sein de la structure en maçonnerie. Ce joint de mortier multifonctionnel doit être capabled’assurer son rôle conventionnel qui consiste à répartir les efforts de compression entre les blocs pour évitertout poinçonnement et à assurer le rôle de fusible lors de la rupture en traction ou cisaillement de la maçonnerietout en gardant une maniabilité acceptable, en plus de son atout capteur. Cet atout est développé grâce àl’inclusion de fibres conductrices électriquement, qui permettrait d’établir le lien entre les propriétésmécaniques et électriques du matériau. Une des premières étapes dans le développement de ce type de jointintelligent et de vérifier que :i. Ce type de matériaux présente les même caractéristiques rhéologiques et mécaniques que les mortierstraditionnels de chaux NHL 3.5ii. Les assemblages pierre-mortiers-pierre présentent les mêmes caractéristiques mécaniques que lesassemblages réalisés avec un mortier traditionneliii. A l’échelle du matériau, ce type de mortier permet un suivi de l’état de contrainte de compressionProgramme du stageLe travail développé dans ce stage suivra une approche expérimentale qui vise à :1. Mettre au point une formulation de ce matériau : optimiser le taux d’ajout des fibresUn travail analytique et expérimental préalable sera mené afin d’estimer la proportion de fibre optimalepermettant d’assurer un niveau de percolation suffisant pour assurer une bonne conductivité du matériau touten préservant en niveau satisfaisant de maniabilité nécessaire pour la mise en œuvre du joint de mortier.Plusieurs taux d’ajout de fibres seront testés.2. Évaluer la capacité du matériau à déterminer l’état de contrainte de compression et avec quel niveaud’incertitude

Des essais mécaniques de compression asservis seront réalisés sur des éprouvettes de mortier cylindrique(figure 1). Dans le domaine linéaire, des paliers de contraintes seront appliqués et des mesures de résistivitéseront réalisées pour différentes fréquences ce qui permettrai d’évaluer la corrélation entre résistivité et niveaude contrainte.

Les essais de compression seront menés jusqu’à rupture et dans leur comportement adoucissant grâce à unasservissement en ouverture de périmètre de l’éprouvette afin d’évaluer le comportement post-pic de cemortier. Des cycles de charges décharge seront effectués dans le but de caractériser l’endommagementmécanique des échantillons et d’estimer s’il existe un lien entre endommagement mécanique et résistivité dumatériau.

Un bac +5 en génie civil 

Des connaissances en matériaux de construction, mécanique des solides.

Langue : Français et/ou anglais