Modélisation chimie-mécanique du couplage entre carbonatation, corrosion des armatures et fissuration d’un milieu cimentaire

La corrosion des armatures est une des principales causes de dégradation prématurée des infrastructures en béton, y compris dans le domaine nucléaire où le béton est largement utilisé dans les enceintes de confinement et les structures de stockage de déchets. La carbonatation due à la pénétration du CO₂ dans le béton entraîne une baisse du pH de la solution porale, favorisant la corrosion des armatures. Cette corrosion entraine la formation de produits expansifs pouvant provoquer la fissuration du matériau. Le travail de thèse, proposé dans le cadre d’une collaboration au sein d’un projet européen entre le CEA de Saclay, l'École des Mines de Paris - PSL et l'IRSN, vise à développer un modèle numérique pour simuler ces phénomènes. Le modèle combine un code de transport réactif (Hytec) et un code d'éléments finis (Cast3M) pour étudier les effets locaux de la corrosion par carbonatation sur la fissuration du béton. Ce projet s’appuiera sur des travaux expérimentaux réalisés en parallèle permettant de recueillir des données pour identifier les paramètres et valider le modèle. La première partie du travail se concentrera sur la modélisation de la carbonatation des matériaux cimentaires en conditions insaturées, tandis que la deuxième portera sur la corrosion des armatures due à la baisse de pH induite par cette carbonatation. Le modèle décrira la croissance des produits de corrosion et leur expansion induisant des contraintes dans le béton et une possible microfissuration.

Ce projet de recherche s'adresse à un doctorant souhaitant développer ses compétences en science des matériaux, avec une forte composante en modélisation et simulations numériques multi-physiques et multi-échelles. La thèse sera réalisée principalement au CEA de Saclay et à l'École des Mines de Paris – PSL (Fontainebleau).

Le Laboratoire d'Etudes du Comportement des Bétons et des Argiles (LECBA) du Commissariat à l'Energie Atomique et aux Energies Alternatives (CEA) basé à Saclay est chargé de développer des programmes de recherche relatifs à la compréhension et la modélisation phénoménologique du comportement à long terme des bétons et des argiles sous diverses sollicitations liées aux différentes conditions de service de ces matériaux. Ces recherches sont menées via l’expérimentation, le développement de modèles et les simulations numériques, et servent de support aux applications opérationnelles concernant le comportement des colis de déchets, le comportement des structures dans les ouvrages de stockage et d’entreposage, les barrières ouvragées, ou les enceintes de réacteurs. Les études, conduites en interne CEA et en partenariat avec les industriels nucléaires nationaux ou étrangers ainsi que des laboratoires universitaires, mettent en œuvre des compétences variées et complémentaires dans les domaines des matériaux, de la physico-chimie, de la mécanique et de la radiochimie. 

Le Centre de Géosciences de Mines Paris PSL basé à Fontainebleau possède une expertise reconnue de longue date dans la description des phénomènes de transport couplés chimiques (modélisation et simulations numériques). Mines-Paris PSL développe depuis plus de vingt ans le logiciel HYTEC. Ce dernier est un code à volumes finis capable de modéliser les perturbations géochimiques impliquées dans la plupart des attaques chimiques des matériaux cimentaires et du béton, tant en conditions saturées qu'insaturées. Il a notamment été utilisé avec succès pour reproduire l'étendue de la carbonatation atmosphérique accélérée. HYTEC inclut un module qui décrit finement la chimie à l'échelle des pores s'appuyant sur une base de données thermodynamiques chimiques (incluant la spéciation, la réactivité et la vitesse de réaction, la décroissance radioactive…) et un autre qui décrit les phénomènes de transport à des échelles plus grandes.

Le candidat devra être titulaire d'un Master 2 ou équivalent, et devra avoir de solides bases en modélisation multiphysique (chimie minérale, mécanique des milieux continus, mécanique de l'endommagement, transferts en milieu poreux), et en méthodes et simulations numériques. Des connaissances dans les matériaux cimentaires/bétons seront appréciées. L'évaluation du dossier du candidat se fera sur l'ensemble de son cursus et de ses notes, ainsi que sur les résultats aux épreuves théoriques du Master.