Découplage des gradients de teneur en eau et en chlorures dans les matériaux cimentaires, par des méthodes électromagnétiques non destructives

Les infrastructures de transport et de production d'énergie (ponts, tunnels, centrales électriques...) sont essentielles pour la mobilité des personnes et des marchandises, l'approvisionnement énergétique et le développement économique des territoires. Pour la surveillance de ces infrastructures en béton armé, nous disposons de méthodes électromagnétiques (EM) d’auscultation de surface et de capteurs noyés en profondeur. Ces capteurs EM, résistifs ou capacitifs, apportent des informations complémentaires sur les profils de teneur en eau W, de teneur en chlorures libres [Cl-] ou de carbonatation qui sont des paramètres utiles au suivi des dégradations physico-chimiques du béton. Des mesures directes à différentes profondeurs, ou des tomographies avec inversion des mesures, permettent d’évaluer les profils de W ou [Cl-] [Fares et al. 2018, El Achrafi et al. 2023]. Des modèles de durabilité décrivant la pénétration des agents agressifs pour le béton peuvent alors être ajustés sur ces profils pour en déduire les paramètres de transfert (perméabilité [Eid et al. 2024] ou coefficient de diffusion). Ces derniers sont nécessaires à la prédiction de la durée de vie des structures en béton armé [Reuge et al. 2023]. Ainsi, à partir de mesures non destructives et en intégrant la variabilité de la réponse de l’ouvrage, on serait en capacité d’évaluer la performance de l’ouvrage.
En ce qui concerne les méthodes de mesure de la résistivité électrique, des travaux antérieurs ont montré la possibilité et l’intérêt d’estimer et suivre les gradients de W lors de cycles d’imbibition-séchage, ou des gradients de [Cl-] lors de la pénétration des chlorures en conditions saturées, aussi bien avec des auscultations de surface [El Achrafi et al. 2023] qu’avec des capteurs noyés [Eid et al. 2024]. Mais il reste difficile de séparer profils hydrique et ionique car les effets sont couplés dans les gradients de résistivité en conditions non saturées. En ce qui concerne les capteurs capacitifs, des capteurs noyés ont été récemment développés [Ibrahim et al. 2024] et ouvrent de nouvelles perspectives. Il faut maintenant montrer qu’ils vont permettre, d’une part, d’évaluer les profils de chlorures en milieu saturé et, d’autre part, de découpler les profils de W et de [Cl-] en combinant les mesures résistives et capacitives. Cette analyse des réponses des deux capteurs semble prometteuse au regard des premières études faites dans les deux laboratoires [Alhajj et al. 2021, Bonnet et al. 2018].
Par ailleurs, à long terme la pénétration des chlorures entraine une diminution de la résistivité électrique ; cependant, à très court terme voire juste après la mise en contact des corps d’épreuve avec la solution saline, la résistivité augmente avant de diminuer. Ce phénomène a été systématiquement observé pour plusieurs formulations de béton aussi bien avec du ciment Portland qu’avec des additions de laitiers. Il s’agirait d’expliquer les phénomènes à l’origine de cette augmentation de résistivité à l’aide des méthodes non-destructives surfaciques et noyées et de méthodes destructives de dosage ionique par titration potentiométrique et/ou par chromatographie ionique ou autres méthodes destructives.
Enfin, la modélisation de la pénétration des chlorures, en tenant compte de l’évolution de la solution interstitielle multi-ionique donc de sa conductivité [Baroghel-Bouny et al. 2011], aidera à la compréhension de l’évolution de la résistivité et de la permittivité dans le temps, en fonction de la contamination ionique du matériau.

L’objectif de la thèse est de découpler les profils de teneur en eau et de teneur en chlorures par des méthodes EM complémentaires capacitives et résistives dans des matériaux cimentaires à base de ciment Portland et d’additions bas carbone. Une attention particulière sera portée sur la modélisation multi-espèces de la pénétration des chlorures et sur la compréhension de l’évolution de la résistivité du béton lorsqu’il est soumis à une pénétration de chlorures en lien avec les différents phénomènes qui pourraient influencer la mesure à court et long termes.
Programme de recherche envisagé :
L’étude bibliographique comprendra deux parties :
• bibliographie sur les propriétés électriques et diélectriques des matériaux cimentaires et les mesures END associées : propriétés conductives (résistivité) et capacitives,
• bibliographie sur les modèles multi-espèces de pénétration des chlorures et sur la conductivité des solutions.
Pour faciliter les analyses et réduire les effets des hétérogénéités (gros granulats) sur les mesures, nous envisageons de travailler sur des mortiers à base de ciment Portland et d’une ou deux additions bas-carbone. En effet, choisir des mortiers permettrait de réduire les problèmes d’interface entre la pâte et capteurs noyés ou les granulats et de favoriser l’homogénéité du matériau pour maximiser la qualité des réponses des capteurs mais aussi de l’évaluation destructive. Il s’agirait donc dans un premier temps d’adapter les électrodes des capteurs capacitifs et résistifs puis de concevoir et réaliser le programme expérimental comprenant des mesures non-destructives de suivi temporel et des méthodes destructives ponctuelles sur des poudres de mortier ou des extraits de solutions. Concernant les essais en conditions non saturées (marnage en eau salée) le but sera, à partir des réponses des deux instrumentations (résistives et capacitives) d’obtenir un profil en chlorures et en degré de saturation. Une modélisation du transfert couplé serait alors menée pour obtenir les propriétés de transport par ajustement des profils mesurés et modélisés.
En complément, un programme expérimental en conditions saturées permettrait une compréhension fine des phénomènes près de la surface et une amélioration de la fiabilité et de la précision des profils recherchés.

Le LAMES (Laboratoire Auscultation, Modélisation et Expérimentation des Structures) est implanté sur le campus de Université Gustave Eiffel à Nantes, héritier de l’IFSTTAR.

Il développe des recherches de pointe sur le comportement mécanique, l’auscultation et la gestion des infrastructures de transport : routes, voies ferrées, pistes aéroportuaires et plates-formes industrielles.

Grâce à des approches combinant expérimentation à grande échelle, instrumentation avancée et modélisation numérique, le LAMES contribue à améliorer la durabilité, la performance et la résilience des infrastructures, au service d’une mobilité plus sûre et plus durable.

Il est attendu que les candidat-e-s à ce sujet de thèse aient des compétences en méthodes d’évaluation non destructive (END) appliquées aux matériaux du génie civil et/ou des connaissances en mesure et instrumentation. De plus, ils/elles devront avoir des compétences pour mettre en oeuvre, suivre et analyser rigoureusement des expérimentations au long terme. Enfin, des connaissances en programmation (calcul scientifique) et des aptitudes pour le travail en équipe sont attendus.