Développement d’un mortier intelligent pour le suivi des ouvrages en pierre

Contexte
La préservation de notre patrimoine bâti constitue un enjeu majeur aujourd’hui, comme nous le rappelle les
accidents tragiques survenus ces dernières années (incendie de la cathédrale Notre-Dame de Paris [1], Bourse
de Copenhague, etc…). Ce patrimoine ancien est principalement constitué du matériau de maçonnerie de
pierres calcaires. Le diagnostic structurel de ce type d’ouvrage est rendu difficile du fait de son géométrie 3D
complexe, du caractère fortement anisotrope et non linéaire des matériaux constitutifs et de la difficulté d’identifier
précisément l’historique de chargement qu’ont subi ses structures au cours des siècles. Des méthodologies
de diagnostic globales allant du relevé sur site jusqu’à des modélisations mécaniques avancées sont à
développer [2][3]. Ce type de méthodologie doit notamment comprendre un suivi SHM (structural Health
Monitoring) de l’ouvrage afin de suivre en temps réel le comportement mécanique de l’ouvrage soumis à des
chargements (vent, séismes, tassement d’appuis) de plus en plus fréquents et intenses en raison du réchauffement
ques. Pour répondre à cet enjeu, il semble pertinent d’assurer un suivi continu, non-invasif et peu coûteux
de ces structures du patrimoine. Une piste prometteuse pour assurer ce suivi est dans la mise en oeuvre de
mortier intelligent présentant des inclusions de fibres électriquement conductrices [4][5][6].
Objectif du travail à mener et Déroulé du sujet
Cette thèse propose le développement d’un nouvel outil de suivi de ce type de structures. L’idée est de modifier
les joints de mortier liaisonnant les blocs de pierre, afin qu’ils soientt capables de suivre le niveau de contrainte
de compression au sein de la structure en maçonnerie. Ce joint de mortier multifonctionnel doit être capable
d’assurer son rôle conventionnel qui consiste à répartir les efforts de compression entre les blocs pour éviter
tout poinçonnement et à assurer le rôle de fusible lors de la rupture en traction ou cisaillement de la maçonnerie
tout en gardant une maniabilité acceptable et une esthétique (coloration) adaptée au contexte des monuments
historiques, en plus de son atout capteur. Cet atout sera développé grâce à l’inclusion de fibres conductrices
électriquement, qui permettrait d’établir le lien entre les propriétés mécaniques et électriques du matériau. Une
des premières étapes dans le développement de ce type de joint intelligent et de vérifier que :
i. Ce type de matériaux présente les mêmes caractéristiques rhéologiques et mécaniques que les mortiers
traditionnels de chaux NHL 3.5
ii. Les assemblages pierre-mortiers-pierre présentent les mêmes caractéristiques mécaniques que les assemblages
réalisés avec un mortier traditionnel
iii. A l’échelle du matériau, ce type de mortier permet un suivi du niveau de contrainte de compression
Programme de la thèse
Le travail développé dans cette thèse suivra une approche expérimentale qui visera à :
1. A l’échelle du matériau (éprouvette de mortier)
• Mettre au point une formulation de ce matériau : optimiser le taux d’ajout des fibres. Un travail analytique
et expérimental préalable sera mené afin de définir le type de fibre utilisée (carbone, métallique,
graphite) et d’estimer la proportion de fibre optimale permettant d’assurer un niveau de percolation
suffisant pour assurer une bonne conductivité du matériau tout en préservant en niveau satisfaisant de
maniabilité nécessaire pour la mise en oeuvre du joint de mortier. Plusieurs taux d’ajout de fibres seront
testés.
• Évaluer la capacité du matériau à déterminer l’état de contrainte de compression et avec quel niveau
d’incertitude. Des essais mécaniques de compression asservis seront réalisés sur des éprouvettes de mortier cylindrique. Dans le domaine linéaire, des paliers de contraintes seront appliqués et
des mesures de résistivité seront réalisées pour différentes fréquences ce qui permettrai d’évaluer la
corrélation entre résistivité et niveau de contrainte.

• Évaluer la capacité du matériau à suivre le niveau d’endommagement subi et avec quel niveau d’incertitude.
Les essais de compression seront menés jusqu’à rupture et dans leur comportement adoucissant
grâce à un asservissement en ouverture de périmètre de l’éprouvette afin d’évaluer le comportement
post-pic de ce mortier. Des cycles de charges décharge seront effectués dans le but de caractériser
l’endommagement mécanique des échantillons et d’estimer s’il existe un lien entre endommagement
mécanique et résistivité du matériau.
2. A l’échelle de l’assemblage pierre mortier pierre
• Développer une solution technologique peu invasive et simple permettant la mesure de la résistivité
dans un joint de mortier fibré assemblé entre 2 blocs de pierre
• Vérifier l’existence de relation entre résistivité et niveau de contrainte et d’endommagement en mode
I (Traction) et en mode II (compression-cisaillement) selon les essais de caractérisation développés
dans les travaux précédant travaux menés au laboratoire I2M [7][8].
3. A l’échelle d’un muret en maçonnerie testé en laboratoire
• Valider les développements réalisés à l’échelle du matériau puis de l’assemblage sur des essais mécaniques
à l’échelle 1 dans lequel les niveaux de contrainte sont maitrisés.

Les travaux auront lieu à l'I2M au département GCE (Génie civil et environnemental)

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).

Un·e candidate ayant :
• Un M2 ou diplôme d’ingénieur en génie civil / matériaux
• Une expérience de stage ou projet de recherche en :
o Mécanique expérimentale, notion d’endommagement et de comportement post-pic
o Matériaux cimentaires ou mortiers
o Essais mécaniques instrumentés
• Un intérêt marqué pour le patrimoine bâti historique et ses enjeux spécifiques
• Intérêt pour les problématiques interdisciplinaires (matériaux, mécanique, SHM, patrimoine)
• Rigueur scientifique et sens de l’observation