Méthodes d’essais de vieillissement accéléré des bétons à l’échelle des ouvrages

​Jacques Jabbour a soutenu sa thèse le 28 septembre 2018 à l'ENS Paris-Saclay à Cachan.

Le travail décrit dans ce manuscrit fait partie des programmes de recherche sur le vieillissement des ouvrages de génie civil nucléaire lancés par l’IRSN (Institut de radioprotection et de sûreté nucléaire) dans le cadre du projet de prolongement de la durée d’exploitation des centrales nucléaires françaises. Le but étant de contribuer à la connaissance des mécanismes de vieillissement des matériaux constitutifs des ouvrages non-remplaçables d’une centrale nucléaire, tels que les enceintes de confinement. En effet, leur comportement représente un point important pour l’évaluation de la sûreté des installations nucléaires, car elles représentent la troisième et la dernière barrière de confinement contre le relâchement éventuel des produits radioactifs dans l'environnement.

Parmi les phénomènes intervenants lors du vieillissement des ouvrages, le développement éventuel des pathologies, notamment les réactions de gonflements internes (RGI) qui sont susceptibles de dégrader le béton et conduire à l’apparition des fissurations dans les structures touchées. Ces réactions de gonflement internes (RGI) englobent la réaction sulfatique interne (RSI), la réaction alcali-granulat (RAG) et la concomitance de ces deux pathologies. Il s’agit de réactions endogènes, se produisant suite à l’interaction des composants initiaux du matériau. Ces interactions peuvent avoir lieu suite à l’utilisation de granulats réactifs en cas de RAG et/ou suite à un échauffement important au jeune âge en cas de RSI. Dans les ouvrages nucléaires, l’éventualité de ces phénomènes ne peut pas être écartée. En effet, ils comportent des éléments structuraux massifs en béton armé pour lesquels un échauffement important a pu se produire lors de la réaction d’hydratation du béton et des granulats réactifs ont pu être utilisés pendant la confection. Ce risque doit donc être étudié d’autant plus que le prolongement de la durée d’exploitation des installations est envisagé.

Cependant, la cinétique d’apparition des désordres suite au développement de ces réactions dans les ouvrages est en général lente pouvant durer plusieurs dizaines d’années, d’où le recourt à des essais accélérés. Cependant les solutions pratiquées dans les laboratoires de recherche pour étudier la sensibilité d’une composition de béton à ces pathologies, une d’entres elles consiste à utiliser des protocoles d’essais accélérés mis au point sur des éprouvettes de faibles dimensions.

Le travail de recherche réalisé dans le cadre de cette thèse comporte trois grandes axes : la mise au point d’un protocole expérimental visant à accélérer les réactions de gonflement interne du béton à l’échelle de structures massives, l’analyse multi-échelle des phénomènes et la mise au point d’une instrumentation innovante adaptée à cette problématique.

Trois maquettes (de dimensions 2,4 x 1,4 x 1 m³) représentatives d’un ouvrage massif ont été réalisées dans des conditions maitrisées et optimisées afin de favoriser respectivement le développement de la réaction sulfatique interne (RSI), de la réaction alcali-granulat (RAG) et de la concomitance des deux pathologies, RAG et RSI. Ceci a permis d’étudier ces pathologies et de les caractériser à une telle échelle.

Une méthode d’instrumentation innovante par fibres optiques a été spécifiquement développée pour ces maquettes, permettant de suivre l’évolution des pathologies dans la masse et d’en déduire les champs de déformation dans plusieurs plans d’intérêt. Les mesures sont utilisées pour décrire finement les mécanismes évolutifs du gonflement et la dégradation des structures. Ces mesures sont aussi utilisées comme référence pour des simulations numériques ultérieures.

L’effet d’échelle sur la cinétique de gonflement est mis en évidence grâce à une étude expérimentale multi-échelle permettant de comparer l’évolution des réactions dans les maquettes avec leur évolution dans des éprouvettes en béton reconstitué et des carottages.