Sujet de thèse IFSTTAR

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Fiche détaillée :

Titre : Transferts hydriques dans les bétons dégradés par les réactions de gonflement interne : Stratégies numériques sur les couplages hydro-mécaniques

Laboratoire principal - Référent principal MAST - EMGCU  -  SEIGNOL Jean-francois      tél. : +33 181668337

Directeur du laboratoire principal MARTIN Renaud-Pierre  -

Laboratoire 2 - Référent COSYS - IMSE  -  LEVEQUE Philippe  -    -  tél. : +33 181668106

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 GUSTAVE EIFFEL

Ecole doctorale SCIENCES, INGENIERIE ET ENVIRONNEMENT (SIE)

Directeur de thèse prévu TOUTLEMONDE François  -  Ifsttar  -  MAST

Type de financement prévu Contrat doctoral  - Université Gustave Eiffel

Résumé

Les Réactions de Gonflement Interne du béton (RGI, regroupant Réaction Alcali Granulat [RAG] et Réaction Sulfatique Interne [RSI]) sont des pathologies qui conduisent à une expansion des bétons atteints, à leur fissuration et à la dégradation de leurs performances mécaniques. A l’échelle de la structure, ces pathologies se traduisent par exemple par des déplacements non contrôlés (et donc à des dégradations des fonctionnalités de service) ; elles peuvent parfois induire des problèmes d’intégrité structurale.
Le retour d’expérience acquis sur le terrain et en laboratoire a permis d’établir que la présence d’humidité a une très forte influence sur la dégradation d’ouvrages en béton atteints par les RGI : il en résulte que les structures les plus exposées à l’eau sont les plus affectées. Dès lors, la simulation des transferts hydriques dans les ouvrages apparaît comme une étape cruciale pour leur calcul. Ceci implique une bonne connaissance des processus de diffusion hydrique au sein des matériaux. Cette thèse ambitionne donc de prendre en compte les couplages entre dégradation mécanique générée par les RGI (expansion des matériaux engendrant fissuration et dégradation des performances mécaniques) et diffusion hydrique et d’en évaluer la pertinence. Il s’agira de décrire correctement les transferts hydriques dans les bétons en faisant la distinction entre sorption et désorption, d’une part, et entre humidité relative à 100% et imbibition, d’autre part. On s’appuiera sur les travaux existants dans la littérature.
On s’attachera par ailleurs à représenter les couplages, forts et faibles, entre déformations mécaniques et diffusivité hydrique. Une extension pour prendre en compte d’autres phénomènes pourra également être envisagée en fonction de leur degré de pertinence. Sur ce point, notons le caractère fondateur de ces développements pour de nombreux problèmes de génie civil ; nous citerons les Réactions de Gonflement Interne, objectif premier de ces travaux de thèse, mais également par exemple la corrosion des armatures dans les bétons armés qui nécessite une bonne connaissance des transferts hydriques pour mieux cerner la prédiction des zones contaminées. Par ailleurs, pour le cas des Réactions de Gonflement Interne (RGI), certains résultats de la littérature indiquent que les expansions peuvent conduire à une évolution des propriétés de diffusion des matériaux, notamment par le biais de la création de fissures. La prise en compte de ces phénomènes dans un outil de calcul implique alors un couplage fort entre les aspects de diffusion hydrique et de mécanique.

Verrous scientifiques :
Les développements théoriques s’appuieront essentiellement sur une approche macroscopique, l’échelle de l’ingénieur. L’enjeu à terme est de mieux reproduire numériquement les mouvements hydriques au sein des structures atteintes de RGI afin de rendre plus fiable l’évaluation de l’état mécanique des ouvrages et sa prédiction, étapes indispensables à leur exploitation sure et durable. Afin de qualifier l’approche de modélisation, les travaux s’appuieront sur les nombreuses données issues de la littérature. En particulier, la formulation des lois de couplage, leur calibration et leur évaluation pourront s’appuyer entre autres sur les approches « matériau » de (Poyet 2003) et (Multon 2004) pour la Réaction Alcali Granulat (RAG) ou (Martin 2010) et (Malbois 2017) pour la Réaction Sulfatique Interne (RSI). Par ailleurs, le laboratoire EMGCU a mené ces dernières années des travaux expérimentaux approfondis sur les effets de l’humidité sur la RSI (Martin et al. 2023) : des résultats d’essais originaux pour des corps d’épreuve soumis à des alternances d’humidification et de séchage s’avèreront particulièrement utiles à la compréhension des mécanismes de couplage humidité-expansion ainsi qu’à la calibration des modélisations développées.
Au moins deux difficultés seront à surmonter : d’une part le passage d’une humidité relative de 100% à la saturation en eau, i.e. comme lors d’une imbibition, et d’autre part l’influence (certainement non négligeable comme illustré dans (Martin et al. 2013-a)) de l’endommagement sur le coefficient de diffusion hydrique dans un béton subissant une pathologie de gonflement. Le laboratoire EMGCU a mené ces dernières années des travaux de recherche exploratoire pour évaluer des méthodes de prise en compte de l’évolution des propriétés de transfert hydrique au cours du temps.

Caractère innovant :
Certains résultats de la littérature mettent en évidence que la prise en compte de la manière la plus fine possible de la diffusion hydrique dans les bétons développant des dégradations s’avère primordiale pour une meilleure évaluation du comportement des structures vieillissantes (e.g. Martin et al. 2013-a). On vise ici à améliorer le couplage bilatéral entre diffusion hydrique et réponse mécanique. Plus précisément, on vise à intégrer de manière concrète l’influence des déformations mécaniques sur la diffusion hydrique : dans cette approche, on souhaite retranscrire l’influence des dilatations volumiques (expansions, fissurations) liées aux RGI (problème mécanique) sur la diffusion hydrique, entre autres au travers des coefficients de diffusion. Ceci n’est possible qu’au travers d’un couplage fort entre diffusion et équilibre mécanique ; le calcul de l’état mécanique de la structure est donc à mener en parallèle du calcul de l’évolution de sa teneur en eau (qu’elle soit présente sous forme liquide ou sous forme vapeur), chacun de ces calculs agissant sur les résultats de l’autre. A ceci s’ajoute la nécessité de prendre en compte le caractère fortement non linéaire et hystérétique des phénomènes de diffusion dans le béton. La conviction de la nécessité de prendre en compte ces phénomènes complexes est issue de l’expérience de plus de vingt années du laboratoire EMGCU qui compte parmi les quelques équipes à l’échelle internationale menant en parallèle expérimentations et modélisations sur les Réactions de Gonflement Interne du béton. Maintenir une compétence forte dans ce domaine se révèle être aujourd’hui un enjeu majeur pour la gestion des ouvrages atteints (Fasseu & Mahut 2003) et la construction des ouvrages neufs (Godart & Divet 2018, AFNOR 2021), comme en témoignent les sollicitations très régulières de l’Université Gustave Eiffel et du CEREMA (qui travaillent à cette occasion très régulièrement en partenariat) par des maîtres d’ouvrage confrontés à la problématique des RGI.

Déroulement de la thèse :
Une recherche algorithmique adéquate sera à mener afin d’implémenter le fruit de ces modélisations dans le code CESAR-LCPC développé par l’Université Gustave Eiffel et utilisé pour l’accompagnement à la gestion des ouvrages, notamment par le CEREMA. En particulier, pour des couplages forts, une refonte des calculs en RGI actuels doit être opérée. Une version stable de calcul thermo-hydro-mécanique appliqué aux RGI est actuellement disponible. Elle servira de base pour les futures améliorations de la modélisation et son extension pour d’autres problèmes d’expertise dans le génie civil.
Les lois implémentées pourront ensuite être confrontées à des corps d’épreuve soumis à des conditions d’exposition hydrique plus réalistes (Martin et al. 2013-b, Martin et al. 2023) et/ou en présence de champs de contrainte pouvant influencer le développement des expansions (Multon 2004, Martin 2010). Les données issues de la littérature correspondant à des vieillissements de bétons atteints de RGI en conditions de vieillissement naturel pourront également être avantageusement exploitées (Fournier et al. 2009). Le laboratoire a par ailleurs mis en place ces dernières années des programmes de recherche avec ces types de vieillissements en conditions réalistes : les données correspondantes pourront faire l’objet d’une exploitation dans le cadre des travaux de thèse.
Le déroulement sur les trois années se fera comme suit :
- 1ère année : Etude bibliographique et état de l’art (2 mois), test de couplages forts hydrique-mécanique par réalisation de calculs par phase, utilisation du pilote CESAR CESPIL) (2 mois), maîtrise des méthodes numériques avancées par EF pour les problèmes couplés (4 mois), développements nouveaux (3 mois).
- 2ème année : Implémentation dans le code source (4 mois), stratégies de couplages hygro-mécaniques forts (4 mois), rédaction d’un article de revue sur les tests de couplages forts envisagés durant la 1ère année (1 mois), début mise en forme du rendu (documentation du code de calcul CESAR-LCPC) et rédaction des cas tests (2 mois).
-3ème année : suite mise en forme du rendu (documentation du code de calcul CESAR-LCPC) et rédaction des cas tests (1 mois), confrontation avec les résultats expérimentaux (3 mois), rédaction d’un article de revue et d’un article de conférence (2 mois), rédaction du mémoire (4 mois), préparation de la soutenance de thèse (1 mois).

Mots-clefs: Pathologies de gonflement des bétons ; Couplages thermo-hydro-mécanique ; Formulations et recherche algorithmique ; Eléments finis

Laboratoire principal - Référent principal	MAST - EMGCU - SEIGNOL Jean-francois tél. : +33 181668337
Directeur du laboratoire principal	MARTIN Renaud-Pierre -
Laboratoire 2 - Référent	COSYS - IMSE - LEVEQUE Philippe - - tél. : +33 181668106
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 GUSTAVE EIFFEL
Ecole doctorale	SCIENCES, INGENIERIE ET ENVIRONNEMENT (SIE)
Directeur de thèse prévu	TOUTLEMONDE François - Ifsttar - MAST
Type de financement prévu	Contrat doctoral - Université Gustave Eiffel
Résumé Les Réactions de Gonflement Interne du béton (RGI, regroupant Réaction Alcali Granulat [RAG] et Réaction Sulfatique Interne [RSI]) sont des pathologies qui conduisent à une expansion des bétons atteints, à leur fissuration et à la dégradation de leurs performances mécaniques. A l’échelle de la structure, ces pathologies se traduisent par exemple par des déplacements non contrôlés (et donc à des dégradations des fonctionnalités de service) ; elles peuvent parfois induire des problèmes d’intégrité structurale. Le retour d’expérience acquis sur le terrain et en laboratoire a permis d’établir que la présence d’humidité a une très forte influence sur la dégradation d’ouvrages en béton atteints par les RGI : il en résulte que les structures les plus exposées à l’eau sont les plus affectées. Dès lors, la simulation des transferts hydriques dans les ouvrages apparaît comme une étape cruciale pour leur calcul. Ceci implique une bonne connaissance des processus de diffusion hydrique au sein des matériaux. Cette thèse ambitionne donc de prendre en compte les couplages entre dégradation mécanique générée par les RGI (expansion des matériaux engendrant fissuration et dégradation des performances mécaniques) et diffusion hydrique et d’en évaluer la pertinence. Il s’agira de décrire correctement les transferts hydriques dans les bétons en faisant la distinction entre sorption et désorption, d’une part, et entre humidité relative à 100% et imbibition, d’autre part. On s’appuiera sur les travaux existants dans la littérature. On s’attachera par ailleurs à représenter les couplages, forts et faibles, entre déformations mécaniques et diffusivité hydrique. Une extension pour prendre en compte d’autres phénomènes pourra également être envisagée en fonction de leur degré de pertinence. Sur ce point, notons le caractère fondateur de ces développements pour de nombreux problèmes de génie civil ; nous citerons les Réactions de Gonflement Interne, objectif premier de ces travaux de thèse, mais également par exemple la corrosion des armatures dans les bétons armés qui nécessite une bonne connaissance des transferts hydriques pour mieux cerner la prédiction des zones contaminées. Par ailleurs, pour le cas des Réactions de Gonflement Interne (RGI), certains résultats de la littérature indiquent que les expansions peuvent conduire à une évolution des propriétés de diffusion des matériaux, notamment par le biais de la création de fissures. La prise en compte de ces phénomènes dans un outil de calcul implique alors un couplage fort entre les aspects de diffusion hydrique et de mécanique. Verrous scientifiques : Les développements théoriques s’appuieront essentiellement sur une approche macroscopique, l’échelle de l’ingénieur. L’enjeu à terme est de mieux reproduire numériquement les mouvements hydriques au sein des structures atteintes de RGI afin de rendre plus fiable l’évaluation de l’état mécanique des ouvrages et sa prédiction, étapes indispensables à leur exploitation sure et durable. Afin de qualifier l’approche de modélisation, les travaux s’appuieront sur les nombreuses données issues de la littérature. En particulier, la formulation des lois de couplage, leur calibration et leur évaluation pourront s’appuyer entre autres sur les approches « matériau » de (Poyet 2003) et (Multon 2004) pour la Réaction Alcali Granulat (RAG) ou (Martin 2010) et (Malbois 2017) pour la Réaction Sulfatique Interne (RSI). Par ailleurs, le laboratoire EMGCU a mené ces dernières années des travaux expérimentaux approfondis sur les effets de l’humidité sur la RSI (Martin et al. 2023) : des résultats d’essais originaux pour des corps d’épreuve soumis à des alternances d’humidification et de séchage s’avèreront particulièrement utiles à la compréhension des mécanismes de couplage humidité-expansion ainsi qu’à la calibration des modélisations développées. Au moins deux difficultés seront à surmonter : d’une part le passage d’une humidité relative de 100% à la saturation en eau, i.e. comme lors d’une imbibition, et d’autre part l’influence (certainement non négligeable comme illustré dans (Martin et al. 2013-a)) de l’endommagement sur le coefficient de diffusion hydrique dans un béton subissant une pathologie de gonflement. Le laboratoire EMGCU a mené ces dernières années des travaux de recherche exploratoire pour évaluer des méthodes de prise en compte de l’évolution des propriétés de transfert hydrique au cours du temps. Caractère innovant : Certains résultats de la littérature mettent en évidence que la prise en compte de la manière la plus fine possible de la diffusion hydrique dans les bétons développant des dégradations s’avère primordiale pour une meilleure évaluation du comportement des structures vieillissantes (e.g. Martin et al. 2013-a). On vise ici à améliorer le couplage bilatéral entre diffusion hydrique et réponse mécanique. Plus précisément, on vise à intégrer de manière concrète l’influence des déformations mécaniques sur la diffusion hydrique : dans cette approche, on souhaite retranscrire l’influence des dilatations volumiques (expansions, fissurations) liées aux RGI (problème mécanique) sur la diffusion hydrique, entre autres au travers des coefficients de diffusion. Ceci n’est possible qu’au travers d’un couplage fort entre diffusion et équilibre mécanique ; le calcul de l’état mécanique de la structure est donc à mener en parallèle du calcul de l’évolution de sa teneur en eau (qu’elle soit présente sous forme liquide ou sous forme vapeur), chacun de ces calculs agissant sur les résultats de l’autre. A ceci s’ajoute la nécessité de prendre en compte le caractère fortement non linéaire et hystérétique des phénomènes de diffusion dans le béton. La conviction de la nécessité de prendre en compte ces phénomènes complexes est issue de l’expérience de plus de vingt années du laboratoire EMGCU qui compte parmi les quelques équipes à l’échelle internationale menant en parallèle expérimentations et modélisations sur les Réactions de Gonflement Interne du béton. Maintenir une compétence forte dans ce domaine se révèle être aujourd’hui un enjeu majeur pour la gestion des ouvrages atteints (Fasseu & Mahut 2003) et la construction des ouvrages neufs (Godart & Divet 2018, AFNOR 2021), comme en témoignent les sollicitations très régulières de l’Université Gustave Eiffel et du CEREMA (qui travaillent à cette occasion très régulièrement en partenariat) par des maîtres d’ouvrage confrontés à la problématique des RGI. Déroulement de la thèse : Une recherche algorithmique adéquate sera à mener afin d’implémenter le fruit de ces modélisations dans le code CESAR-LCPC développé par l’Université Gustave Eiffel et utilisé pour l’accompagnement à la gestion des ouvrages, notamment par le CEREMA. En particulier, pour des couplages forts, une refonte des calculs en RGI actuels doit être opérée. Une version stable de calcul thermo-hydro-mécanique appliqué aux RGI est actuellement disponible. Elle servira de base pour les futures améliorations de la modélisation et son extension pour d’autres problèmes d’expertise dans le génie civil. Les lois implémentées pourront ensuite être confrontées à des corps d’épreuve soumis à des conditions d’exposition hydrique plus réalistes (Martin et al. 2013-b, Martin et al. 2023) et/ou en présence de champs de contrainte pouvant influencer le développement des expansions (Multon 2004, Martin 2010). Les données issues de la littérature correspondant à des vieillissements de bétons atteints de RGI en conditions de vieillissement naturel pourront également être avantageusement exploitées (Fournier et al. 2009). Le laboratoire a par ailleurs mis en place ces dernières années des programmes de recherche avec ces types de vieillissements en conditions réalistes : les données correspondantes pourront faire l’objet d’une exploitation dans le cadre des travaux de thèse. Le déroulement sur les trois années se fera comme suit : - 1ère année : Etude bibliographique et état de l’art (2 mois), test de couplages forts hydrique-mécanique par réalisation de calculs par phase, utilisation du pilote CESAR CESPIL) (2 mois), maîtrise des méthodes numériques avancées par EF pour les problèmes couplés (4 mois), développements nouveaux (3 mois). - 2ème année : Implémentation dans le code source (4 mois), stratégies de couplages hygro-mécaniques forts (4 mois), rédaction d’un article de revue sur les tests de couplages forts envisagés durant la 1ère année (1 mois), début mise en forme du rendu (documentation du code de calcul CESAR-LCPC) et rédaction des cas tests (2 mois). -3ème année : suite mise en forme du rendu (documentation du code de calcul CESAR-LCPC) et rédaction des cas tests (1 mois), confrontation avec les résultats expérimentaux (3 mois), rédaction d’un article de revue et d’un article de conférence (2 mois), rédaction du mémoire (4 mois), préparation de la soutenance de thèse (1 mois).
Mots-clefs:	Pathologies de gonflement des bétons ; Couplages thermo-hydro-mécanique ; Formulations et recherche algorithmique ; Eléments finis

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