Contrôle des transferts hydriques dans les bétons pour l’accroissement de la durée de vie des ouvrages : de l’échelle du matériau au bénéfice structural

Description du sujet :

Le vieillissement des structures est un enjeu majeur de sécurité publique et de développement durable. Les ouvrages d’art subissent des agressions continuelles de leur environnement. Les pathologies du béton dépendent majoritairement de la saturation en eau de sa porosité (carbonatation, corrosion des armatures, réaction de gonflement internes…). Ces problématiques de long terme touchent une partie importante du parc d’ouvrages actuels en béton (ponts, barrages, immeubles…), largement majoritaires en France, en réduisant leurs durées de vie. La construction de ces ouvrages a eu un coût important tant à titre économique qu’environnemental. La réduction de leur durée de service conduit à leur démantèlement et à la construction de nouveaux ouvrages, engendrant un nouvel impact environnemental, comprenant l’impact des nouveaux matériaux utilisés et des moyens pour les mettre en œuvre. Prolonger la durée de vie des ouvrages existants permet de mieux rentabiliser l’impact environnemental de l’existant et ne pas en produire de nouveau. Ainsi, un meilleur contrôle de la teneur en eau des ouvrages participera à la décarbonation de la filière en rendant les ouvrages plus durables.

 

L’eau étant le vecteur de pathologies dans le béton, Vinci Construction Grands Projets souhaite maitriser le taux de saturation à l’intérieur des bétons soumis aux conditions atmosphériques, ainsi que sa mesure in situ et sa prédiction, et tester l’efficacité de différentes solutions d’imperméabilisation prévenant ou ralentissant la pénétration d’eau liquide tout en laissant sortir la vapeur d’eau afin de minimiser les échanges hydrique avec l’extérieur et le taux de saturation du béton en condition extérieures.

Les objectifs de ce travail sont d’une part d’évaluer l’efficacité de différents imperméabilisants sur béton en conditions de vieillissement à l’échelle de l’éprouvette puis à l’échelle d’éléments de structure en béton armé, et d’autre part d’appliquer une modélisation de transfert hydrique à l’évaluation des performances des béton avec et sans imperméabilisants à ces deux échelles. La première partie du travail de recherche, portant sur les développements à l’échelle du matériau seront réalisés au sein du laboratoire LMDC de l’INSA de Toulouse ; la seconde partie, portant sur les essais structuraux seront conduit au sein du laboratoire GEOMAS de l’INSA de Lyon et de sa plateforme d’essai Eiffel.

 

Ce travail de recherche fait l’objet d’un co-financement par la chaire « Transition Environnementale dans le secteur des Travaux Publics : vers des chantiers décarbonés et des infrastructures durables » portée par le Groupe INSA et la Fondation INSA dans le cadre d’un partenariat avec la Fédération Nationale de Travaux Publics (FNTP) et par VINCI Construction Grands Projets. De nombreuses actions de recherche en réseau sont initiées par VINCI, en particulier sur les questions environnementales. Le candidat recruté dans le cadre de ce partenariat avec l’INSA pourra intégrer le réseau des doctorants et post doctorants du Groupe. Sur le sujet précis de la décarbonation, VINCI travaille depuis plusieurs années avec des centres de recherche français et internationaux, notamment Mines Paris PSL, AgroParisTech, l’Ecole des Ponts ou encore le CIRAIG. Plus largement les doctorants CIFRE issus de nombreux autres partenariats font également partie de ce réseau permettant échanges, retour d’expériences et accès à des terrains d’expérimentation sur des projets de bâtiments et d’infrastructures de VINCI. Ce travail sera également suivi par des partenaires de l'ESTP- Grande école d’ingénieurs de la construction, auprès de qui l’approche expérimentale pourra être complétée par des essais de caractérisation ciblés.

 

Objectifs :

La problématique se confronte à un double challenge. Les évolutions climatiques d’une part accélèrent les cinétiques à l’origine des mécanismes de dégradation. La prolongation de la durée de vie des infrastructures d’autre part (i.e. : contextes routier, ferroviaire, nucléaire, logement) augmente le besoin pour les gestionnaires de disposer d’outils de prédiction fiables sur l’évolution de la performance de ces parcs. Dans le cadre des ouvrages en béton, qui constituent plus de 90 % du parc des ouvrages existants en France, il est donc primordial d’être en mesure de prévoir, de mesurer in situ et si possible de contrôler la teneur en eau à l’origine de pathologies.

 

Les objectifs de ce travail de doctorat sont donc :

-    Evaluer l’efficacité de différents imperméabilisants sur béton et les soumettre à des conditions de vieillissement accélérés à l’échelle de l’éprouvette de laboratoire,

-    Confronter les meilleurs imperméabilisants de laboratoire à une application sur structures de béton armé, structures vieillies par actions mécaniques (sollicitations cycliques, fluage, accroissement des sollicitations de service)

-    Appliquer une modélisation existante de transfert hydrique à l’évaluation des performances des imperméabilisants à l’échelle du matériau et de la structure.

 

Pour atteindre ces objectifs, il sera nécessaire de :

* Caractériser le degré d’humidité à l’échelle de la structure par des techniques de contrôle non destructif adaptées à la présence de l’imperméabilisant (mesure de résistivité et permittivité externe, capteurs noyés…),

* Développer la connaissance relative aux performances d’imperméabilisants pour béton en conditions réalistes d’ouvrages d’art (présence d’armatures, de fissures, de sollicitations cycliques…) par des essais structuraux en laboratoire,

* Appliquer le modèle de transfert hydrique et étudier sa performance pour des conditions réalistes d’ouvrages soumis aux aléas climatiques en présence ou non d’imperméabilisant.

* Identifier le lien entre champ d’humidité et champ de déformation pour proposer un modèle mécanique réaliste à l’échelle de l’élément de structure.

 

Les verrous identifiés pour ce travail sont :

- L’identification des profils hydriques précis pour pouvoir les confronter aux prédictions des modèles, particulièrement pour des taux de saturation compris entre 90 et 100%

- L’analyse des modifications de microstructures associées à l'imperméabilisant (mesure de porosité de surface, profondeur investiguée, gradient de propriétés…)

- L’intégration de l'imperméabilisant dans la modélisation et la caractérisation de ses propriétés de transfert par analyse inverse sur cinétique expérimentale (imbibition, séchage, transferts hydriques et gazeux sous pression) au cours de son vieillissement du fait à son exposition à un environnement réaliste (température, humidité, UV…).

Public/private mixed funding

Ce travail de recherche fait l’objet d’un co-financement par la chaire « Transition Environnementale dans le secteur des Travaux Publics : vers des chantiers décarbonés et des infrastructures durables » portée par le Groupe INSA et la Fondation INSA dans le cadre d’un partenariat avec la Fédération Nationale de Travaux Publics (FNTP) et par VINCI Construction Grands Projets.

Premier réseau d’écoles d’ingénieurs publiques avec 7 écoles sur tout le territoire français, le Groupe INSA forme près de 22 000 élèves-ingénieurs, architectes et paysagistes par an.

Le Laboratoire Matériaux et Durabilité des Constructions est un laboratoire universitaire de recherche dans le domaine de la science des matériaux et des structures de Génie Civil. Ses organismes de tutelle sont l’Université Toulouse III Paul Sabatier et l’INSA de Toulouse. Plus de 50 enseignant-es chercheurs-euses réalisent leur recherche au LMDC. Le LMDC propose des solutions scientifiques permettant un développement durable et une gestion éco responsable du patrimoine immobilier, infrastructures de génie civil et habitat. Dans ce but il développe des matériaux innovants pour le Génie Civil, il améliore la compréhension des phénomènes physico-chimiques pouvant nuire à la durabilité des matériaux de construction, il met au point des méthodologies et des techniques pour la requalification, le diagnostic, et la maintenance des ouvrages existants.

Le laboratoire GEOMAS (Géomécanique, Matériaux, Structures) est une équipe d'accueil (EA 7495) de recherche sous la tutelle de l’INSA Lyon. Le laboratoire est situé sur le campus de Lyon-tech la Doua à Villeurbanne et regroupe des enseignants-chercheurs du Génie Civil et plus particulièrement de la mécanique des structures, des matériaux et de la géomécanique. L’objectif du laboratoire est de mener une recherche académique d’excellence, adossée à une recherche partenariale, qui vise à répondre aux besoins industriels et sociétaux dans les domaines de la construction au sens large (géomécanique, matériaux et structures) et de l’environnement.

Génie Civil

France

INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE TOULOUSE

Mécanique, énergétique, génie civil, procédés (MEGEP)

Diplôme d’ingénieur ou de master Génie Civil.

Prérequis en transfert dans les matériaux poreux (transfert hydrique dans les bétons en particulier), comportement mécanique du béton et du béton armé, intérêts pour le travail expérimental et numérique.