Vieillissement du béton de chaux : évaluation en vue de son renforcement par injection de coulis au niveau de fondations en milieu aquatique

The SRO lab (Soils, Rocks and Structures) at Gustave Eiffel University brings together several professions in the field of geotechnics (geomaterials and earthworks, management of natural risks including seismic risk, and engineering around foundations) The theme around geomaterials and the behavior of structures in their environment aims to develop the durability of structures, the reuse or recycling of civil engineering materials. Observation, experimentation, instrumentation, physical and digital modeling from the scale of geomaterials to that of structures are at the heart of the different subjects covered in this theme.

To study the long-term performance of structures, a detailed understanding of the phenomena involved is necessary, involving numerous disciplines linked to soil/binder-water-structure interactions: soil mechanics, concrete, unsaturated porous media, hydraulics, fluid physics, physico-chemistry, thermo-hydro-mechanics. Particular attention is paid to the capitalization of long-term observations on instrumented sites or on old structures which allows us to better understand the phenomena.

Contexte et enjeux

De nombreux ouvrages sont fondés sur des sols en milieux aquatiques comme les piles de ponts (notamment ferroviaires) construits au début du 20^ème siècle. Le béton constitutif de ces fondations de piles de pont est le plus souvent le béton de chaux. Des prélèvements effectués sur ce matériau dans des études assez anciennes et peu nombreuses, montrent qu’il subit une dégradation au cours du temps. Des traitements par injection de coulis sont actuellement réalisés. Ces processus d'injection à base de ciment, gels ou de résines constituent une technique de renforcement/étanchement des sols en place de plus en plus utilisée dans le domaine du génie civil. Dans le cas du béton de chaux, des traitements par injection de coulis de ciment « classique » sont réalisés mais ces traitements restent relativement difficiles à contrôler et leur efficacité reste complexe à évaluer. En effet, les techniques d’injection et les paramètres à imposer lors de cette procédure doivent prendre en compte l’état de dégradation du matériau, dégradation sous forme de fissure, de cavité ou de zone totale granulaire où seuls persistent les granulats lorsque le liant à base de chaux a été totalement dissous.  

Objectif

L'objectif du stage est d’évaluer les caractéristiques de matériau provenant de piles de ponts, dont les fondations sont immergées, afin de voir s’il est nécessaire de les renforcer / traiter et de le faire de quelle manière (recommandations sur la base de l’état du matériau). Il s’agit d’établir les caractéristiques de béton de chaux vieillis/dégradés après qu’il ait subit des cycles d’humidification/séchage, d’érosion ou de lixiviation/dissolution considérant la position immergée/enterrée des fondations. Les propriétés hydrauliques et mécaniques seront abordées par des essais micro-macro.

Les étapes

1- Etat de l’art

Le contexte de l’étude et la manière dont les chantiers de confortement sont réalisés, seront appréhendés via des rapports de stage précédemment réalisés. Le stagiaire devra de son côté collecter dans la littérature des éléments sur le matériau béton de chaux en recherchant notamment dans des archives des informations sur les matériaux mis en œuvre au début du 20^ème siècle puis analysés au cours des décennies passées au cours du suivi des ouvrages. L’origine des matériaux mis ne œuvre sur site et les techniques de mise en œuvre doivent aider à comprendre les propriétés héritées des bétons de chaux des sites étudiés. L’étudiant collectera ensuite des données sur les mortiers/bétons de chaux récents ou du patrimoine ainsi que sur les processus à l’origine de leur dégradation (couplage de la dissolution et de la carbonatation).

2- Partie expérimentale en laboratoire

Du matériau provenant de piles de ponts en cours d’investigation seront disponibles au moment du stage et feront l’objet d’une analyse multi-échelle avec :

• des analyses chimiques, minéralogiques et microstructurales avec plus spécifiquement une analyse pétrographique sur des lames minces (méthodologie utilisée dans le patrimoine pour remontrer à la composition des liants anciens).
• des essais hydrauliques pour évaluer le gradient hydraulique (mesure de perméabilité à l’eau à la presse triaxiale).
• des essais mécaniques selon une méthode destructive comme les essais de compression simple lorsqu’il est possible de collecter des éprouvettes de dimensions et de consistance adaptées au test. En absence de macro éprouvette, des mesures locales de module élastique seront réalisées via la nano-indentation en faisant un focus particulier sur le mode de préparations des surfaces à analyser (contrôle de la rugosité, porosité et cartographie des phases via une observation au MEB/ microscope optique à profondeur de champ). 
• des essais mécaniques selon des méthodes non destructives comme la vitesse de propagation des ondes sonores. Cet axe de caractérisation non destructive devra être creusé pour établir quelle méthode est la plus à même de mettre en évidence le degré de dégradation du matériau.

Un rapport de stage est attendu pour faire un bilan de l’étude. L’ensemble des données permettra d’alimenter une base de données sur les bétons de chaux et de mettre en évidence la variabilité au sein de ces matériaux.

Sites d’accueil du stage

Le stage se fera à l’université Gustave Eiffel, Laboratoire Sols Roches et Ouvrages Géotechniques (Marne la Vallée). Une collaboration avec SNCF RESEAU DTR OA SEP EMF pourrait entrainer des déplacements dans leurs locaux à Saint Denis.

Langue: Français pour la partie concernant les données de site mais l’anglais est accepté.

Profil : Autonomie, sens de l’initiative, bon contact pour échanger entre plusieurs équipes, curiosité et ouverture à différents domaines d’expertise (interdisciplinarité), rigueur dans le travail expérimental, et gout pour l’ingénierie.

Compétences : génie civil, avec forte appétence pour les sciences des matériaux (béton, géomatériaux, matériaux du patrimoine et monuments historiques).