Etude numérique et expérimentale du transfert réactif de chlorures dans le béton armé soumis à un chargement mécanique.

La durabilité des structures de Génie Civil dans un environnement donné est affectée par le transfert d’humidité, de chaleur et d’espèces chimiques agressives à travers le réseau poreux contenu des matériaux de construction. Afin de prédire la durée de vie des structures, il est primordial de comprendre le comportement physico-chimique et mécanique des matériaux de construction vis-à-vis des sollicitations qu’ils subissent dans leurs environnements. Pour répondre en partie à cette problématique, plusieurs travaux de recherche en ce sens, ont été développés dans le monde et, en particulier, au LaSIE, vu l’enjeu économique et environnemental qui y est lié. Au LaSIE, des travaux de recherche ont été menés pour étudier l’influence des sollicitations physiques (hydriques et thermiques) ou chimiques (espèces agressives) sur l’évolution microstructurale des matériaux cimentaires ainsi que l’initiation de la corrosion [SLE 08, TAH 10, CHE 20 ; 23]. Par ailleurs, plusieurs études expérimentales sur le transfert des ions chlorure dans le béton soumis à des contraintes de compression ou de traction ont été développées [LIM 00, BAN 05]. Gowripalan et al., [GOW 00] ont étudié le transfert de chlorures dans un béton fissuré soumis à un chargement de flexion. Récemment, des modèles du transfert multi-espèces dans le béton fissuré, en tenant compte des interactions ion-ion et ion-solide ont été développés. Une approche multiphasique a été utilisée pour bien saisir les schémas de distribution des fissures dans le béton sous chargement mécanique et leur impact sur le transfert de chlorures. Les processus temporels de propagation des fissures et du transfert de chlorures ont été couplés. A ce jour, les modèles du couplage transfert ionique – chargement mécanique utilisés dans la littérature dépendent (i) de l’ouverture de la fissure, (ii) de l’état de l’endommagement du béton, ou (iii) du caractère multiphasique du béton.

Malgré les résultats prometteurs obtenus dans le cadre de ces travaux de recherche, la prédiction de la durabilité des bétons sous sollicitations mécaniques reste loin d’être maitrisée vu la complexité des mécanismes physico-chimiques et de l’endommagement dans le béton. Cette problématique nécessite des investigations expérimentales et des modélisations numériques approfondies : allant de la composition chimique du matériau à son comportement mécanique.

L’objectif de ce travail de thèse est de développer un modèle physico-chimique et mécanique permettant de simuler d’une façon réaliste, les transferts couplés d’agents agressifs dans les matériaux cimentaires soumis à un chargement par compression ou par traction. Le modèle du transfert ionique sera basé sur les travaux du LaSIE sus-cités, tandis que pour le couplage mécanique, un modèle d’endommagement continu du béton sous chargement sera utilisé, avec la prise en compte de la nature multiphasique du béton. Le modèle numérique sera appliqué sur des bétons à base de granulats recyclés. Ces bétons sont connus par leur microstructure complexe due à la présence de plusieurs phases solides de différentes porosités : granulats naturels, ancien mortier, nouveau mortier, etc, d’où la nécessité du développement d’une approche multiphasique. Dans un premier temps, un couplage du transfert ionique dans les bétons saturés sous chargement mécanique sera proposé. Dans un deuxième temps, nous amélioreront le modèle pour des applications sur des bétons partiellement saturés sous sollicitation mécanique, avec la prise en compte des transferts couplés d’humidité et de chaleur.

En parallèle, il est question de développer un protocole expérimental au laboratoire qui permettra de suivre le transfert de chlorures dans un béton sous chargement externe. A titre d’exemple, une exposition aux cycles d’humidification/séchage des éprouvettes cylindriques creuses en béton, à l’échelle décimétrique, soumises à des contraintes de traction au niveau du creux dans le banc de marnage du LaSIE sera envisageable. Les analyses expérimentales sur les profils ioniques dans le béton et les changements de la microstructure permettront de confronter les résultats expérimentaux avec les simulations numériques.

A terme, ces études permettront : (i) d’appréhender les processus réactionnels dans le béton et l’évolution de sa microstructure (fissuration, endommagent) lors des sollicitations, et (ii) de mieux prédire le comportement mécanique et la durabilité des structures en béton armé.

La thèse se déroulera entre :

le Laboratoire LaSIE - La Rochelle Universié

et

le Laboratoire GeM - Ecole centrale de Nantes

La/Le candidat-e devra être titulaire d’un master ou d’un diplôme de master en Sciences de matériaux, Génie Civil ou mécanique. Elle / il devra être attiré.e à la fois par la modélisation numérique et éventuellement les investigations expérimentales en laboratoire.