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Enhancing Nuclear Safety


Research

Theses in progress

Chemi-thermo-mechanical fracture modeling for concrete: ageing of concrete containment buildings of nuclear power plant


Host laboratory: ​Material Physics and Thermal-Mechanics Laboratory (LPTM)

Beginning of the thesis: October 2016

Student name: Adrien SOCIÉ


Subject description (in French)
Dans le cadre de l'extension de la durée de vie des centrales nucléaires, ce travail de thèse se concentre sur le vieillissement les matériaux cimentaires des enceintes de confinements. Les dégradations de ces matériaux sont dues à des pathologies liées aux conditions environnementales et à la microstructure du béton. Les processus de fissuration et leurs conséquences mécaniques ou en termes de perméabilité sont décrits à l'échelle des granulats et sont modélisées par un Volume Elémentaire Représentatif (VER). À cette échelle, le laboratoire commun MIST (IRSN-CNRS-UM) a développé une méthodologie micromécanique pour l'étude fine de l'amorçage de multifissures, de leur propagation et des phénomènes post-rupture en milieux hétérogènes. Cette approche est basée sur une partition volumique/surfacique aux éléments finis : chaque maille porte un comportement durcissant et chaque arête entre mailles porte un comportement adoucissant lié à la fissuration (zone cohésive). Une récente thèse [L. Bichet, 2017] a montré que cette approche, couplée à une modélisation thermo-mécanique et à une démarche micromécanique adaptée, permet de modéliser l'interaction entre fissuration et diffusion thermique au sein des matériaux cimentaires vieillis et dégradés.

L'objectif de ce travail de thèse est la compréhension à l'échelle du VER de l'impact d'une dégradation chimique telle que la réaction sulfatique interne (RSI) sur la perméabilité-ténacité du matériau. La RSI est une pathologie endogène issue d'une exposition à des températures supérieures à 65 °C et à forte humidité relative. Elle est causée par une formation tardive d'une espèce chimique, l'ettringite, dans le matériau durci entraînant un gonflement de la pâte de ciment et une fissuration du matériau. Les fissures créées constituent alors le lieu privilégié de la précipitation d'ettringite.

Un modèle thermo-hydro-mécanique est pressenti afin de décrire le transport d'espèces dans le milieu poreux qu'est la pâte de ciment, l'impact des fissures sur la perméabilité effective et la réponse mécanique du béton. Le comportement volumique sera issu d'une étude micro-poro-mécanique prenant en compte le gonflement local dû à la RSI, les retraits de dessiccation ainsi que les hétérogénéités spatiales de comportement viscoplastique. Le comportement cohésif, décrivant la fissuration, devra prendre en compte la présence de l'ettringite et ses conséquences sur la diffusion.

Le modèle sera ensuite implémenté dans le code Xper développé dans le cadre du MIST. Une étude numérique permettra d'une part de comprendre l'impact de la fissuration sur la perméabilité d'un matériau dégradé par la RSI et d'autre part de fournir des lois équivalentes poro-mécaniques pour l'échelle macroscopique.


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