Le béton est un matériau de construction largement répandu, y compris dans le domaine nucléaire (enceinte de confinement, structure de stockage de déchets etc.). Dans certaines conditions, des espèces agressives peuvent pénétrer dans la porosité connectée de ce matériau et réagir avec les phases solides présentes pour former des phases secondaires expansives. Celles-ci peuvent provoquer des contraintes internes susceptibles de générer des microfissures et de remettre en cause l’intégrité des structures. On s’intéresse dans ce stage aux attaques sulfatiques externes, dues à la migration d’ions sulfates depuis l’extérieur du matériau et leur réaction avec la matrice cimentaire pour former des phases expansives, en particulier de l’ettringite.  

L’objectif principal de ce stage sera de mettre en place un modèle de comportement mécanique simplifié intégrant un terme représentant une expansion provoquée par la précipitation d’une ou plusieurs phases secondaires contenant des sulfates (ettringite, gypse). Un modèle de fissuration simplifié sera également considéré. Le modèle sera basé sur des développements récents ayant permis de coupler le code de calcul par éléments finis Cast3M avec le code de transport réactif Hytec. Par ailleurs, l’étude bénéficiera de travaux expérimentaux sur les attaques sulfatiques réalisés dans le cadre d’une thèse soutenue récemment, ainsi que d’une modélisation de ces essais avec Hytec. 

Le modèle de comportement mécanique s’appuiera sur des estimations obtenues à l’aide de schémas d’homogénéisation analytiques classiques des propriétés mécaniques et des effets macroscopiques des pressions internes. L’intensité des pressions locales sera déterminée via le concept de pression de cristallisation. Dans un premier temps, un modèle d’endommagement classique de type Mazars sera utilisé pour décrire la fissuration. Dans un second temps, une approche par champ de phase, éventuellement couplée à des modèles de zone cohésive, pourra être mise en place.

Des simulations des essais d’attaques sulfatiques en conditions saturées seront alors réalisées, analysées et comparées aux résultats expérimentaux. Une attention particulière sera portée à l’évolution des phases secondaires précipitées contenant des sulfates (ettringite, gypse), et à la dissolution des phases consécutives à la lixiviation. L’effet des pressions générées et de la microfissuration induite sur la réponse mécanique macroscopique sera également examiné.

Ce stage sera réalisé dans le cadre d’une collaboration entre le CEA, l’Ecoles des Mines Paris - PSL et l’ASNR. Il constituera l’introduction à une thèse dans laquelle l’approche chimio-mécanique sera appliquée à l’étude de la corrosion des armatures consécutive à la carbonatation de la matrice cimentaire. Cette thèse se déroulera dans le contexte d’un projet européen.

Ce projet de recherche s'adresse à un(e) étudiant(e) de M2 souhaitant développer ses compétences en modélisation et simulation numérique de phénomènes couplés physico-chimiques dans les matériaux cimentaires, et en science des matériaux.