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Programme de recherche

Programme CONCRETE

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Dernière mise à jour : Novembre 2020


Le programme scientifique du consortium CONCRETE lancé en septembre 2020 pour une durée de 4 ans vise à lever les verrous scientifiques liés à la maitrise du vieillissement des structures en béton, en particulier dans le cas des ouvrages atteints de réactions de gonflement interne classiquement appelées « pathologies du béton ».

Le programme rassemble un consortium formé de 4 acteurs français importants du domaine de la recherche sur le vieillissement de structures en béton et béton armé : l’université Gustave Eiffel (UGE), le laboratoire de mécanique et durabilité des Constructions(LMDC)  de Toulouse, le laboratoire de mécanique et acoustique d’Aix Marseille (LMA) et l’Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire (IRSN).
 Contexte 
Dans le cadre de la prolongation de durée de vie des centrales électronucléaires du parc français en exploitation, évaluer dans le temps et prédire de manière pertinente la performance d’ouvrages de génie civil sont des défis à forts enjeux de sûreté, économiques et environnementaux.

Pour évaluer la performance sur un temps long d’un ouvrage en béton, une possibilité consiste à évaluer, souvent par l’intermédiaire d’essais en laboratoire, la durabilité à l’échelle du matériau. En effet, un défaut de durabilité à cette échelle entraînera nécessairement un défaut de durabilité à une échelle plus importante, comme celle de l’ouvrage. Le premier verrou qui guidera les recherches du programme CONCRETE consiste donc à développer une compréhension fine des mécanismes locaux responsables du vieillissement des structures en béton armé.

La performance des structures à un instant donné est le plus souvent quantifiée au moyen de mesures des fonctions d’état limite. Ces fonctions permettent de décrire la position du point de fonctionnement d’un ouvrage à un instant donné. Pour être évaluées, les fonctions d’état limite nécessitent des variables décrivant une résistance et une sollicitation. Ces variables ne peuvent que très rarement être obtenues par la mesure compte tenu de l’échelle des objets étudiés. Il est donc nécessaire de recourir à des modèles de calcul fiables et robustes. Il s’agit là du second verrou que le programme CONCRETE cherchera à lever. Le consortium vise à développer des méthodes et outils d’évaluation et de prédiction de la performance des structures reposant sur des modèles tenant compte de l’échelle de la structure. Il s’agit de développer une approche multi-échelles.

Le dernier verrou étudié par le programme CONCRETE concerne les méthodes de diagnostic et d’auscultation des ouvrages en béton. Leur développement requiert une connaissance des phénomènes qui sont susceptibles d’apparaître tout au long de la durée de vie d’un ouvrage. Cependant, cela n’est que rarement le cas et conduit à devoir continuellement adapter les méthodes selon le niveau des connaissances disponibles. Dans le cas des ouvrages existants, l’application de certaines techniques est conditionnée par la nature de l’ouvrage, qui n’a souvent pas été conçu pour être ausculté. De plus, compte tenu des exigences de sûreté nucléaire, les méthodes destructives ne sont généralement pas utilisables. Dans le cas d’ouvrages en conception, pour lesquels les mécanismes de dégradation sont encore mal connus (entreposage et stockage de déchets nucléaires par exemple), des méthodes de diagnostic et d’auscultation dédiées doivent être développées. Le programme CONCRETE vise donc à améliorer la qualité et la pertinence des données fournies par des techniques de diagnostic et d’auscultation applicables sur site.
 Déroulement du programme 
Le programme CONCRETE s’organise autour de 4 volets, un pour chaque verrou scientifique à lever et un dernier volet portant sur l’étude du vieillissement des structures du génie civil nucléaire.

Volet 1 : MAITRISER LES MÉCANISMES LOCAUX AGISSANT SUR LA DURABILITÉ DU MATÉRIAU CIMENTAIRE

L’objectif de ce volet est d’étudier les pathologies des ouvrages en béton armé. Il s’agit d’améliorer les connaissances sur les mécanismes de dégradation du béton en fonction de son environnement. La recherche porte sur :

  • l’influence de « l’auréole de transition » (ou ITZ - interfacial transition zone), zone d’interface entre le ciment et le granulat, sur les matériaux sains ou atteint d’une pathologie ;
  • les caractéristiques mécaniques et le comportement de la fissuration du béton au niveau de l’interface du béton avec l’acier ;
  • l’impact d’un échauffement tardif du béton sur ses propriétés mécaniques et sa durabilité ;
  • les spécificités des structures de stockage en milieu argilo-calcaire, semblable au site du projet CIGEO[1].
  • Les différents axes de recherches étudient les paramètres physiques, chimiques et mécaniques s’exerçant sur le béton et susceptibles de générer sa fissuration.

[1] CIGEO : le centre industriel de stockage géologique est le projet français de centre de stockage profond de déchets radioactifs. Il est conçu pour stocker les déchets hautement radioactifs et à durée de vie longue produits par l'ensemble des installations nucléaires actuelles, jusqu'à leur démantèlement, et par le traitement des combustibles usés utilisés dans les centrales nucléaires.​
 
VOLET 2 : MÉTHODES ET OUTILS D’ÉVALUATION ET DE PRÉDICTION DE LA PERFORMANCE

Le deuxième volet du programme CONCRETE vise à développer des stratégies de prédiction de la performance des ouvrages en béton en se basant sur une approche multi-échelle.

Les modèles mis au point devront prendre en compte les contraintes propres à chaque échelle (microscopique, mésoscopique et macroscopique) pouvant favoriser les pathologies de gonflement et de fissuration du béton. Il peut s’agir d’un phénomène de pression interne du matériau par la formation d’ettringite[2] à l’échelle microscopique, ou d’interactions entre les différentes phases du béton, étudiées dans le premier volet, à l’échelle mésoscopique.

À terme, le volet vise à développer des modèles macroscopiques prenant en compte la phénoménologie de la physico-chimie mise en évidence aux échelles inférieures et décrivant les conséquences mécaniques.

[2] Ettringite : l'ettringite est une espèce minérale, composée de sulfate de calcium et d'aluminium hydraté. Cette ettringite peut générer des gonflements internes pouvant conduire à l’apparition de désordres sur les ouvrages.

 VOLET 3 : MÉTHODES DE DIAGNOSTIC ET D’AUSCULTATION

Le troisième volet porte sur la recherche de corrélations entre les évolutions des différents paramètres physiques, chimiques et mécaniques et l’état de développement des pathologies du béton. Il doit notamment proposer un indicateur qualitatif et/ou quantitatif permettant de révéler la présence des pathologies de gonflement interne ou de surface de la structure.

Ce volet vise également à explorer différentes techniques pour la mise en place de méthodes et d’outils d’évaluations non destructives, notamment basées sur des techniques acoustiques non linéaires, utilisables à l’échelle industrielle, et l’utilisation de fibres optiques.

 VOLET 4 : ÉTUDE DU COMPORTEMENT VIEILLISSANT DES STRUCTURES DU GÉNIE CIVIL NUCLÉAIRE 

Dans le cas des structures massives en béton, les pathologies se développent de manière hétérogène dans le volume. Cette variabilité spatiale peut être expliquée par différents mécanismes tels que l’histoire thermique, le potentiel chimique, les gradients hydriques et thermiques dus aux conditions de conservation et les contraintes mécaniques. Une première partie de ce volet vise à réaliser un lien entre ces conditions et l’amplitude du gonflement du béton d’une part, et sa cinétique d’apparition et de développement d’autre part.

Par ailleurs, en s’appuyant sur les données du projet ODOBA[3], ce volet vise également à valider les stratégies de modélisation et les techniques de diagnostic développées dans les volets 2 et 3.

[3] ODOBA : le projet ODOBA (Observatoire de la durabilité des ouvrages en béton armé) a été lancé par l’IRSN en 2016 pour une durée d’au moins 10 ans. Il a pour objectif d’étudier les pathologies du béton et leurs conséquences à l’échelle des ouvrages nucléaires (par exemple les enceintes de confinement des réacteurs).