Evaluation de la durée de vie des structures en béton armée par PRF dans l’environnement spécifique du site de stockage géologique CIGEO

Contexte général de l’utilisation des armatures composites en génie civil
Les structures en béton renforcées par armatures en polymère renforcé par fibres (PRF) constituent une solution constructive de plus en plus répandue car ce type d’armatures présente d’excellentes propriétés mécaniques et permet de s’affranchir des problématiques en lien avec la corrosion des armatures métalliques. En France, l’utilisation de ces armatures PRF est actuellement limitée à certaines applications temporaires, comme le renforcement des murs de soutènement dans des zones d’excavation (application dite « soft-eye », largement utilisée pour la réalisation des tunnels du Grand-Paris Express). Cependant, la parution récente par l’AFGC d’un guide de dimensionnement des structures en béton renforcées par PRF [1] devrait permettre de développer rapidement l’utilisation de ces armatures dans les ouvrages permanents.

Descriptif des objectifs spécifiques dans le cadre du partenariat avec l’ANDRA
L’Andra (Agence Nationale pour la Gestion des Déchets Radioactifs) envisage d’utiliser les armatures PRF pour le renforcement de certains ouvrages souterrains en béton armé du centre de stockage géologique des déchets radioactifs (Cigéo). Par rapport aux aciers usuels, cette solution présente l’avantage de limiter les émissions d’hydrogène induites par corrosion en milieu anoxique et de réduire l’endommagement du béton lié à la corrosion des armatures en acier. L’utilisation d’armatures PRF offre également la possibilité d’utiliser des formulations de béton bas carbone / bas pH.

Une première étude portant sur la durabilité d’armatures composites à matrice vinylester et à fibres de verre (PRFV) ou de carbone (PRFC) a été menée en partenariat entre l’UGE et l’Andra (Thèse de Noëmie Delaplanque) [2-5]. Ces travaux ont permis d’obtenir des résultats en termes de dégradation accélérée des propriétés des armatures PRF en vieillissement en milieu alcalin avec ou sans chargement mécanique appliqué. Ils ont également permis de réaliser des investigations sur le vieillissement de l’interface armature/béton [4] et de valider une méthode d’instrumentation locale de cette interface (par fibre optique continue) [5]. En revanche, les barres PRF à matrice vinylester fournies par le fabricant partenaire étaient initialement sous-polymérisées, ce qui a rajouté un degré de complexité supplémentaire à l’étude de durabilité.

Le nouveau travail de thèse envisagé s’inscrit dans la continuité de l’étude précédente. L’objectif est d’étudier la durabilité des armatures PRFV et de l’interface PRFV/béton dans des environnements d’exposition plus représentatifs de ceux rencontrés dans le contexte du stockage Cigéo. Il est en particulier important de prendre en compte : une température des galeries pouvant varier jusqu’à 65°C en raison de l’exothermie de certains déchets radioactifs, l’exposition sous chargement mécanique dans une solution représentative du milieu géologique Callovo-Oxfordien [6], ou dans une solution simulant un béton à pH modéré pour anticiper le développement de nouvelles formulations bas carbone. Le programme expérimental doit comprendre des conditions adaptées à l’extrapolation du comportement à long terme via une approche de type Arrhenius.

En complément, on se propose également d’évaluer le comportement de structures en béton armé par PRF après exposition aux mêmes conditions de vieillissement accéléré en solution. A l’issue de la thèse, un objectif principal est de pouvoir évaluer la durée de vie d’un ouvrage en béton armé par PRFV du site de stockage Cigéo sur la base de critères de performances mécaniques résiduelles minimales des PRFV et de l’interface PRFV/béton.

Programme de travail de la thèse
• Une première étape consistera à définir une sélection de barres PRFV issues de différents fabricants, que ce soit leurs natures, leurs états de surface, leurs dimensions et incluant ainsi à la fois des barres à matrices thermodurcissables et à matrices thermoplastiques. Cette sélection, qui sera discutée avec l’Andra et validée avant le démarrage des études, fera ensuite l’objet d’un ensemble de caractérisations initiales mécaniques et physicochimiques selon les protocoles expérimentaux établis au cours des précédentes thèses UGE (A. Rolland 2015 et N. Delaplanque 2023) [2,7]. On s’assurera notamment que les propriétés des barres sont supérieures aux spécifications minimales du guide AFGC [1].

• Après identification d’une formulation de béton « bas carbone », on évaluera également les comportements initiaux des interfaces PRFV/béton en effectuant des tests de pull-out sur corps d’épreuve instrumentés par fibres optiques, tests menés selon le protocole recommandé par la RILEM. Un cas de comparaison sera prévu pour des armatures métalliques de diamètre équivalent. Cette formulation et tous ses constituants devront satisfaire à une absence de sensibilité à la RSI/RSE et à la RAG, de manière à ne présenter aucune évolution délétère, en particulier du fait d’un transitoire thermique.

• Une étude de durabilité sera ensuite menée sur un ou deux types de barres PRFV et sur des éprouvettes de pull-out renforcées par ces barres, selon les modalités suivantes :

- Les barres PRFV seules seront d’abord vieillies dans des solutions représentatives de l’eau porale de l’argilite du Callovo-Oxfordien (COx) à l’état oxydé et du béton « bas carbone », à différentes températures. Pour accélérer les cinétiques de dégradation, on choisira par exemple des températures de 20°C, 40°C, 60°C. Les propriétés mécaniques des barres (en traction et cisaillement interlaminaire) seront évaluées après différentes durées d’exposition.

- De la même façon, les éprouvettes de pull-out (éventuellement instrumentées par FO) seront vieillies dans les mêmes solutions. Là encore, on ne dépassera pas la température de 65°C. Les caractéristiques de l’interface seront également évaluées par essais de pull-out à différentes échéances. L’endommagement du béton autour des barres sera évalué à l’issu des tests de pull-out.

- Des séries de barres et d’éprouvettes pull-out seront également soumises à des vieillissements sous charge (application d’une charge constante pendant le vieillissement dans les mêmes solutions) au moyen des bâtis spécifiques disponibles au laboratoire SMC de l’UGE. Les propriétés résiduelles seront également déterminées à l’issue de ces vieillissements.

- A partir de ces différents essais à court/moyen terme, on pourra appliquer l’approche d’Arrhenius et évaluer les pertes de propriétés à long. On pourra également confronter ces extrapolations à celle obtenues dans la littérature avec d’autres types de vieillissements.

• En complément, on propose également de fabriquer des corps d’épreuve de taille représentative (poutre) renforcés par PRFV, qui seront vieillies en laboratoire dans les même solutions représentatives (Argilite du COx oxydée et béton « bas carbone », à la température de 60°C). Les résultats de ces essais pourront être analysés en lien avec les évolutions précédemment obtenues sur les barres PRFV et les interfaces PRF/béton.

Résultats attendus et valorisation
•    Publications dans des revues scientifiques
•    Meilleure compréhension des mécanismes de dégradation dans l’environnement spécifique CIGEO
•    Prévision des performances résiduelles à long terme (de 60 à 300 ans)

Références
[1] Guide AFGC, Utilisation d’armatures composites (à fibres longues et à matrice organique) pour le béton armé, 2021. https://www.afgc.asso.fr/publication/utilisation-darmatures-composites-a-fibres-longues-et-a-matrice-organique-pour-le-beton-arme/
[2] N. Delaplanque, Durabilité des armatures composites en PRF (Polymère Renforcé de Fibres) et de structures en béton armé par PRF soumises à un vieillissement sous charge, Thèse Ecole Centrale de Nantes, décembre 2023.
[3] N. Delaplanque et al., Durability of partially cured GFRP reinforcing bars in alkaline environments with or without sustained tensile load, Construction and Building Materials, 442 (2024) 137603
[4] N. Delaplanque et al., Investigations on the ageing of GFRP rebar-concrete bond under sustained load for a high strength concrete, proceeding of the SMAR 2024 Conference, Structural Integrity Procedia 64 (2024).
[5] N. Delaplanque et al., Durability in Alkaline Environment of a Fiber Optic Sensor Bonded at the Surface of Reinforcing Bars for Distributed Strain Measurements in Concrete Structures, Proceedings of EWSHM 2022 conference, Lecture Notes in Civil Engineering, 254 (2023), 506 - 515.
[6] H. Verron, Etude expérimentale des interactions matériau cimento-bentonitique / argilite / fer et acier (MREA/COx/Fe ou acier) à 90°C en conditions de stockage géologique profond des déchets radioactifs (CIGEO), Thèse Université de Lorraine, Décembre 2020. https://theses.fr/2020LORR0205
[7] A. Rolland, Comportement mécanique et durabilité de structures en béton renforcées par des armatures composites internes, Thèse Université Paris-Est, mars 2015. https://theses.hal.science/tel-01223307

Les travaux seront réalisés à l’UGE au sein des laboratoire MAST-SMC et Navier, chacun intervenant dans son domaine d’expertise (SMC : Comportement des armatures, Navier : Physico-chimie des matériaux). 

Le doctorant sera basé sur le campus de Nantes de l’Université Gustave Eiffel (Bouguenais) au laboratoire SMC. Des déplacements ponctuels seront nécessaires sur le campus de Marne La Vallée (laboratoire Navier) pendant le travail de thèse. Le CEREMA sera aussi impliqué sur les aspects modélisation/dimensionnement des structures renforcées par armatures composites. Un suivi régulier de l’avancement des travaux sera réalisé avec l’Andra.
 

Prérequis pour les candidats
• Compétences en mécanique, et si possible en physico-chimie des polymères
• Forte appétence pour l’expérimentation
• Bonnes qualités relationnelles et organisationnelles, car il faudra gérer des essais sur différents sites de l’UGE (à Nantes et MLV) en lien avec différents interlocuteurs.