Déformations différées des bétons bas carbone

La stage se déroulera principalement au Laboratoire de Génie Civil et Génie mécanique (LGCGM : https://lgcgm.fr) à l’Institut National des Sciences Appliquées de Rennes (INSA Rennes : https://www.insa-rennes.fr). Un séjour de 2 semaines au Laboratoire Matériaux et Durabilité des Constructions (LMDC : https://www.lab-lmdc.fr) de l’INSA Toulouse est prévu pour la prise en main du modèle numérique.

Les recherches menées au sein du Laboratoire de Génie Civil et Génie Mécanique (LGCGM) abordent des problèmes liés à la construction des ouvrages et au comportement des sols, des matériaux ou des structures ainsi que des sujets liés à l’optimisation des outils de production industrielle (mise en forme et assemblage de pièce, conception et étalonnage, commande de robots manipulateurs).  Les développements de recherches du LGCGM reposent sur des approches multi-échelles qui permettent de décrire de manière plus complète un système ou un processus en évaluant particulièrement les effets liés aux problèmes d'interfaces et d'interaction : interfaces fluide-solide, pâte-paroi, matière-outil, articulations, assemblages et liaisons dans les structures, etc. Les problématiques sont traitées sous l'angle de l'expérimentation, de la modélisation ou de la simulation en ayant recours à des interprétations par analyses directes ou plus fréquemment par analyses inverses. Les travaux en lien avec le présent projet se dérouleront au sein de l’axe 5 portant sur les « Matériaux hétérogènes, fluides et transferts » sur la plateforme de l’INSA Rennes.

Les activités du secteur du BTP produisent 23% des GES de la France selon l’ADEME. Il est donc primordial que la recherche dans son domaine aide à sa décarbonation. Un des leviers actuellement activé consiste à remplacer progressivement les formulations traditionnelles des bétons, notamment celles à base de CEM I dont l’emploi est amené à disparaitre à très court terme, par des bétons dits bas carbone. Les formulations de ces derniers se caractérisent en particulier par la substitution à des taux élevés du clinker par des additions minérales (laitier de haut-fourneau, p.ex.). L’usage de ces nouveaux bétons nécessite de démontrer que leurs propriétés et leurs comportements sont, a minima, comparables à celles des bétons traditionnels à résistance en compression équivalente. Dans le cas des déformations différées de retrait, la bibliographie met en évidence des résultats variables, ce qui peut questionner quant aux formules utilisées pour le dimensionnement de ces matériaux. Or, ces déformations sont à l’origine de fissuration lorsqu’elles sont gênées, de redistributions de contraintes, et des pertes de précontraintes excessives. Une mauvaise estimation lors du dimensionnement pourrait compromettre le fonctionnement en service des structures et être préjudiciable à leur durée de vie. Par conséquent, une construction en béton bas carbone pourrait au final présenter un bilan carbone plus défavorable qu’en béton traditionnel. 

L’objectif de ce stage est d’améliorer notre compréhension des mécanismes de déformations différés des bétons bas carbone afin d’améliorer les approches de dimensionnement des structures vis-à-vis du comportement long terme. Compte tenu de la grande variété des liants, aussi bien en termes de type d’additions minérales que de leurs proportions, et de la base de données de retrait encore insuffisamment fournies de tels liants, il parait pour le moment prématuré de proposer des adaptations simples des équations du model code de la fib et de l’Eurocode 2. Dès lors, le présent projet propose une étude phénoménologique visant à améliorer la connaissance du lien entre l’évolution de la microstructure des bétons bas carbone et celles de leurs déformations différées en conditions séchante et non séchante. L’étude s’intéressera notamment à la compétition entre la consommation d’eau par les réactions d’hydratation et la dessiccation à partir de l’instant de décoffrage, pouvant être à l’origine de comportement très différent. 

Ce stage se fait en partenariat avec l’INSA Rennes, l’INSA Toulouse, l’ESITC Paris et VINCI Construction France dans le cadre de la chaire sur le thème de la « Transition environnementale dans le secteur des Travaux Publics : vers des chantiers décarbonés et des infrastructures durables », chaire portée par la Fédération Nationale des Travaux Publics (FNTP), le Groupe INSA et sa Fondation.

Dans le cadre du présent stage, les travaux se focaliseront sur l’étude du retrait de matériaux cimentaires à teneur élevée en laitier de haut-fourneau. Ces bétons seront formulés avec du ciment de type CEM III, mais également via des mélanges de ciments (CEM I/CEM II) et de laitier de haut-fourneau granulé (béton d’ingénierie), deux approches de formulation largement adoptées à l’heure actuelle. Comme l’objectif est de mieux appréhender le retrait endogène et de dessiccation de ces matériaux, l’impact de plusieurs paramètres (nature des constituants, formulation des bétons, cure et dimensions des corps d’épreuve) affectant leur cinétique et leur amplitude sera étudié via une campagne expérimentale et des simulations numériques. La campagne expérimentale mise en œuvre principalement au Laboratoire de Génie Civil et de Génie Mécanique (LGCGM) de l’INSA Rennes couplera des essais à l’échelle macroscopique (mesures de retrait, calorimétrie) et des analyses de la microstructure (hydrates, teneur en eau, porosité). Elle nous permettra de mieux comprendre les mécanismes mis en jeu et affectant ces déformations différées. Des simulations numériques seront également mises en œuvre à l’aide du modèle Fluendo3D développé par le Laboratoire Matériaux et Durabilité des Constructions (LMDC) de l’INSA Toulouse. Un séjour de 2 semaines à l’INSA Toulouse est prévu pour la prise en main du modèle numérique.

Ce stage pourra potentiellement être suivi d’une thèse de doctorat, dont le financement fait l’objet d’une demande dans le cadre de l’appel à projet -AAP3 doctorat- de la chaire de recherche portée par le Groupe INSA, la Fondation INSA et la FNTP. 

Le/la candidat(e) doit être en Master 2 ou en 5ème année d'ingénieur dans des domaines en lien avec le présent sujet, càd le génie civil, les sciences des matériaux, etc. 

Des connaissances sont attendues dans le domaine des matériaux de construction, en particulier sur les liants hydrauliques. La connaissance de méthodes de caractérisation expérimentales des matériaux serait un plus, ainsi que des compétences en modélisation numérique. De plus, des compétences en anglais (lu, écrit et parlé) sont requises. Le candidat doit être motivé par le sujet, curieux, rigoureux et doit faire preuve d'autonomie et d'initiative.