Étude du risque de développement d’une réaction sulfatique interne et de ses conséquences dans les bétons de structures des ouvrages nucléaires

Mohamad Al-Shamaa a soutenu sa thèse le 3 décembre 2012 à Fontenay-aux-Roses.

La réaction sulfatique interne (RSI) provoque un gonflement du béton qui engendre une fissuration de la structure. L’origine de ce gonflement est attribuée à la formation d’ettringite différée qui présente, sous certaines conditions thermodynamiques, des propriétés expansives. La RSI est une pathologie du béton susceptible de se développer lorsque des conditions particulières portant sur la composition du béton, les conditions thermiques au jeune âge et l’environnement de l’ouvrage ou de l’élément en béton sont réunies. La découverte des manifestations délétères de la RSI est récente (les premiers cas identifiés en France datent de 1998). Ce phénomène peut se développer pour deux types de bétons : les bétons traités thermiquement et les bétons coulés en place, notamment les pièces massives. Dans les ouvrages nucléaires, l’éventualité de rencontrer ce phénomène ne peut pas être écartée. En effet, il existe des pièces massives dans les ouvrages de génie civil pour lesquelles un échauffement important a pu se produire lors de la prise du béton. Ce risque doit être étudié d’autant plus que le prolongement de la durée de vie des installations est envisagé. C’est notamment le cas des bâtiments réacteurs des centrales nucléaires, des bâtiments d’entreposage et des ouvrages de stockage dans lesquels des déchets de haute ou moyenne activité à vie longue sont susceptibles d’être stockés de façon réversible pendant une longue période dans des ouvrages en béton. Ces déchets, exothermiques, peuvent élever la température ambiante après la maturation du béton et sur une longue période. Il apparaît alors nécessaire de vérifier s’il existe un éventuel risque de développement à long terme d’une RSI pouvant mettre en cause la durabilité des ouvrages ou la réversibilité des installations de stockage.
Les besoins de l’expertise dans le cadre de cette pathologie sont de quatre ordres :

• Recensement des paramètres influents du phénomène, notamment ceux dépendant des constituants du béton
• Évaluation des méthodes de détection de la RSI et proposition d’autres méthodes issues des dernières connaissances du phénomène afin d’identifier les ouvrages sensibles à ce risque
• Recherche de moyens efficaces pour arrêter ou réduire la cinétique de la réaction
• Mise au point de modèles numériques pour la simulation des ouvrages en vue de la prédiction de leur comportement à long terme.

Dans le cadre de cette problématique, on se propose d’étudier les risques de développement d’une RSI dans les bétons de structure des ouvrages nucléaires prenant en compte les spécificités de ce domaine. Il existe d’ailleurs très peu de données dans la littérature internationale. Cette thèse pourra s’appuyer sur les résultats des travaux menés au LCPC dans le cadre de l’opération de recherche intitulée « Prévention, modélisation et réparation des ouvrages atteints de RSI ». Cette recherche portait principalement sur l’étude de la RSI pour l’emploi du béton dans les ouvrages routiers ou ferroviaires. L’étude portera alors sur l’incidence de différents paramètres spécifiques au domaine nucléaire sur le développement de la RSI. On s’intéressera notamment à examiner leur impact sur l’intensité et la cinétique de la RSI. Dans le cadre de cette thèse, on se limitera de façon prioritaire au cas des enceintes de confinement et des bâtiments de l’îlot nucléaire des centrales. Les facteurs qui ne sont pas à ce jour parfaitement connus sont : le taux critique d’humidité relative, le rôle joué par les fillers calcaires sur l’expansion du béton, le lessivage des alcalins du béton sur la précipitation de l’ettringite, la réactivité de la phase C4AF des ciments pour des cycles d’échauffements d’une durée de quelques jours. Par ailleurs, l’influence du développement d’une RSI sur les propriétés de transfert du béton (perméabilité, porosité, …) sera également étudiée afin de vérifier le niveau d’étanchéité du béton vis-à-vis notamment du transfert de l’eau. Un modèle numérique sera développé dans l’optique de l’utiliser comme matériau libre dans les logiciels CESAR, CAST3M ou ABAQUS par exemple).