Sujet de thèse IFSTTAR

 

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Fiche détaillée :

Titre : Modélisation, simulation numérique et mesures de la fissuration 3D dans le processus de corrosion de l’interface acier/béton

Laboratoire principal - Référent principal MAST - EMGCU  -  ADELAIDE Lucas      tél. : +33 181668336 
Directeur du laboratoire principal MARTIN Renaud-Pierre  -  
Spécialité de la thèse Matériaux et Structures
Axe 2 - COP2017 - Améliorer l'efficience et la résilience des infrastructures
Site principal Marne-la-Vallée
Etablissement d'inscription UNIVERSITE DE MARNE-LA-VALLEE
Ecole doctorale SCIENCES, INGENIERIE ET ENVIRONNEMENT (SIE)
Directeur de thèse prévu BOUTEILLER Véronique  -  Université Gustave Eiffel  -  MAST - EMGCU
Co-directeur de thèse prévu YVONNET Julien  -  Université Gustave Eiffel  -  MSME
Type de financement prévu Contrat doctoral  - Université Gustave Eiffel

Résumé

Lors du congrès Pavement Preservation & Recycling summit (PPRS) à Nice en 2018, F. Poupard, alors directeur de la DGITM, a évoqué les ouvrages d’art « qui ont une durée de vie de 80 ou 100 ans, mais dont le défaut d’entretien dans les 50 premières années de leur vie a mené à une plus forte dégradation ». Il appelle à la mise en place d’un grand plan de régénération des ponts et des viaducs dans les prochaines années, « rendu obligatoire au regard des graves problèmes qui sont devant nous ».
Du point de vue scientifique, l’une des principales causes de dégradation des ouvrages en béton armé est la corrosion des armatures. Les témoins de durée de vie et les indicateurs de durabilité de l'approche performantielle ont fait leur preuve pour la conception des ouvrages neufs en qualifiant des choix de bétons en fonction de classes d’exposition et de sollicitations mais ils ne sont pas suffisants lorsqu'il s'agit de prédire leur vieillissement et donc une probabilité de défaillance.
La corrosion des ouvrages en béton armé est détectée lors d’une inspection visuelle, en relevant les tâches de rouilles et la cartographie des fissures suivant le tracé des armatures. Dans le cas où, le maître d’ouvrage aurait besoin de plus d’informations, une inspection détaillée permet d'évaluer, d'une part, l'état de corrosion de la structure par des contrôles non destructifs (CND) et d'autre part, la cause de la corrosion par des essais destructifs (ions chlorures et/ou carbonatation). Ces mesures ponctuelles qui sont uniquement significatives d'un état de corrosion à l’instant de l’expertise, ne permettent pas de prédire l’évolution de la corrosion. Il est donc complexe de relier les indicateurs de durabilité (porosité à l'eau, coefficient des ions chlorures, etc.) et les témoins de durée de vie (profils de pénétration des ions chlorures et/ou front de carbonatation) obtenus à partir de mesures sur site à un état global de l’ouvrage et donc évaluer sa capacité portante résiduelle. Pour répondre à cette problématique, et ainsi aider le maître d'ouvrage à une meilleure gestion de son patrimoine d'ouvrages, il faut rechercher le lien entre les mesures faites en laboratoire et/ou in situ caractérisant l’avancement de la corrosion (résistivité du béton, potentiels et vitesse de corrosion des armatures) et les indicateurs représentatifs à l’échelle de l’ouvrage ; puis déterminer celui entre les mesures énumérées précédemment et les paramètres (ou variables d’état) qui alimentent une modélisation thermo-hydro-mécanique de l’ouvrage à un instant donné.
De grandes avancées ont été faites récemment sur l’analyse phénoménologiques des mesures réalisées sur des périodes de plusieurs dizaines d'années grâce aux projets ANR APPLET (2007-2010), PN PERFDUB (2015-2019), DéCoF-Ré (2014-2019), ANR MODEVIE (2015-2019) avec du suivi d’ouvrages, de maquettes et d’échantillons soumis à des environnements chlorurés ou carbonatés. Les échanges scientifiques effectués dans le cadre du projet National PERFDUB, et discutés également au niveau international dans le cadre de la fib modèle code 2020 (AG4-TG8.9) visent à évaluer la pertinence de certains indicateurs, qualifier leur variabilité et leur évolution dans le temps.
Dans le cadre de la thèse d'Olfa Loukil (2014-2017) basée sur une approche couplant approches expérimentale et numérique, les résultats ont démontré la nécessité de prendre en compte la cinétique de formation des produits de corrosion et la modélisation 3D de la pression des produits de corrosion afin de prédire la fissuration du béton. Cette première étape doit être enrichie par l’ensemble de paramètres qui caractérisent les phénomènes majeurs liés à la corrosion.

L’objectif de cette nouvelle thèse est de proposer un lien entre la dégradation mécanique de l'élément structurel en béton armé et l'évolution de l'interface acier/béton lors de la corrosion. Pour cela, des modélisations et simulations numériques faisant intervenir les cinétiques chimiques de formation des produits de corrosion, le développement 3D des fissures lors du gonflement des produits de corrosion et leur propagation dans une structure seront développées. Les modèles seront alimentés par des mesures expérimentales disponibles afin d’identifier les paramètres du modèle et des simulations. Le but sera d’estimer la durée de vie d’une structure en béton armé dégradée par la corrosion.
Ce travail nécessite des compétences en mécanique du solide, modélisation multi-physique des matériaux et en simulation numérique. Il doit se nourrir des travaux conduits dans le Projet National PERFDUB et compléter la démarche établie dans la thèse d’O. Loukil pour établir un modèle suffisamment simple et robuste afin d'évaluer un ouvrage d’art vieillissant et d'établir un pronostic de durée de vie.

D'un point de vue socio-économique, les résultats de cette approche permettraient de hiérarchiser et planifier les actions de maintenance ou de réhabilitation équilibrées entre l'aptitude au service de l'ouvrage et la dépense budgétaire. Il est important que les ouvrages restent fonctionnels malgré les constantes évolutions de trafic, de changement climatique, etc. avec une sécurité aux usagers toujours vérifiée.

Pour répondre à cette problématique de recherche et d'enjeux sociétaux, la démarche proposée est la suivante :
1/ Etude bibliographique
Cette étude rendra compte d'éléments publiés dans la littérature portant sur :
- L’obtention de données sur l’état de corrosion et de dégradation d’un béton armé corrodé à partir de mesures expérimentales en laboratoire et/ou in-situ,
- L’identification de la cinétique de croissance des produits de corrosion, des propriétés mécaniques des produits de corrosion et du schéma de fissuration du béton,
- Les modélisations numériques du phénomène de corrosion dans le béton armé, ses paramètres d’entrée et ses conséquences mécaniques.

2/ Etude cause/effet
Il s'agira de relier la cinétique de croissance des produits de corrosion (épaisseur, localisation et évolution dans le temps) au schéma de fissuration du béton (ouverture, longueur et orientation des fissures puis faciès de fissuration). Cette analyse permettra de déterminer le processus de corrosion et les paramètres ayant une influence sur son évolution et de considérer les paramètres nécessaires en termes d'input data pour la modélisation.

3/ Etude couplée modélisation/expérimentation
Des modèles de simulation numérique basée sur la méthode de champ de phase prenant en compte les hétérogénéités dans la structure ainsi que la propagation liée au gonflement des produits de corrosion seront développés. Les travaux numériques viseront l’amélioration de modélisation issue de la thèse d’Olfa Loukil, en prenant en compte non seulement le taux de corrosion et les paramètres matériau du béton mais également des paramètres physiques telles que la porosité, le coefficient eau/ciment, la zone poreuse et la migration des produits de corrosion dans les fissures. En considérant les différents paramètres énumérés précédemment, les phénomènes de dissolution/diffusion/précipitation du fer dans le béton et dans les macrofissures permettront de mieux appréhender leur influence sur l’évolution du faciès de fissuration et sur l’instant d’initiation de la fissuration. Une confrontation des résultats numériques aux résultats expérimentaux obtenus dans le cadre de l'étude ou extraits de la littérature devrait valider chaque étape d’avancement.

4/ Etude de prédiction
L’ambition finale de cette thèse est de mettre en place une modélisation 3D capable de répondre aux questions du gestionnaire d'ouvrages à savoir quand faire ses réparations et maintenance à coût raisonné. Pour cela, la modélisation devra être confrontée et validée sur des cas de structures en béton armé corrodées naturellement.

L'étudiant devra avoir un master recherche en mécanique, mécanique des matériaux et/ou structures et/ ou un diplôme d'ingénieur. De solides bases en mécanique du solide sont requises, ainsi que des compétences et un gout pour la simulation numérique. Une connaissance des matériaux du génie civil est un plus. Le candidat devra faire preuve d'autonomie, de rigueur et d'un bon niveau d'anglais. Une double formation expérimentation / modélisation (part plus importante) serait appréciée mais non rédhibitoire.

Ce travail de thèse sera réalisé à l’Université Gustave Eiffel sur le campus de Champs-sur-Marne, dans les laboratoires Expérimentation et Modélisation du Génie Civil et Urbain (EMGCU) et Modélisation et Simulation Multi Echelle (MSME) de l’UGE. Le travail sera encadré par Véronique Bouteiller (directrice de thèse), Julien Yvonnet (co-directeur de thèse) et Lucas Adélaide.

Références
- T.T. Nguyen, J. Yvonnet, D. Waldmanna, Q.-C. He, Phase field modeling of interfacial damage in heterogeneous media with stiff and soft interphases, Engineering Fracture Mechanics, 218:106574, 2019.
- Loukil O, Adelaide L, Bouteiller V, Quiertant M, Chaussadent T, Ragueneau F, et al. Corrosion-Induced Degradation of Reinforced Concrete Elements: Preliminary Results. In: Andrade C, Gulikers J, MarieVictoire E, editors. Service Life and Durability of Reinforced Concrete Structures. RILEM Bookseries. 17. Dordrecht: Springer; 2019. p. 129-40.
- T.T. Nguyen, J. Yvonnet, M. Bornert, C. Chateau, F. Bilteryst, E. Steib, Large-scale simulations of quasi-brittle materials: direct comparison between in situ testing- microCT experiments and phase field simulations, Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 95:320-350, 2016.
- T.T. Nguyen, J. Yvonnet, Q.-Z. Zhu, M. Bornert, C. Chateau, A phase-field method for computational modeling of interfacial damage interacting with crackpropagation in realistic microstructures obtained by microtomography, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 312:567-595, 2016.

Contacts
veronique.bouteiller@ifsttar.fr ; lucas.adelaide@ifsttar.fr ; julien.yvonnet@u-pem.fr

Mots-clefs: Structures en béton armé, corrosion, électrochimie, cinétique, interface acier/béton, fissuration, modélisation, performance structurale, probabilité de défaillance
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