Contexte et motivation

La description de l’évolution des propriétés mécaniques des matrices cimentaires est cruciale vis-à-vis de la durabilité et du comportement à long terme des structures et ouvrages de stockage de déchets, ainsi que des colis de déchets cimentés. Dans ce sujet, on s’intéresse à la prise en compte des effets du jeune âge liés à l’hydratation du ciment sur le comportement de volumes élémentaires représentatifs (VER) de déchets inertes cimentés, soumis à des gonflements internes susceptibles de provoquer une microfissuration du matériau. Ces phénomènes expansifs peuvent résulter notamment de la formation de produits de corrosion à la surface de déchets métalliques.

Objectifs

On propose d’adapter une approche numérique 3D existante afin d’étudier la réponse macroscopique au jeune âge puis à long terme de matériaux hétérogènes composés d’une matrice cimentaire et d’inclusions dont certaines sont métalliques et soumises à la corrosion. Les échantillons numériques sont générés via l’outil Combs développé dans le code de CAO Salome, et sont constitués d’inclusions de forme et taille diverses (polyèdres, éléments de cylindres creux concassés…) distribuées dans une matrice. Les simulations numériques seront réalisées avec le code de calcul par éléments finis Cast3M.

Le travail principal consistera à développer et implémenter une formulation simplifiée permettant de décrire l’hydratation du ciment, et de simuler les évolutions couplées du degré d’hydratation de la matrice cimentaire et de la température liées à l’exothermie des réactions. Dans un premier temps les conséquences de l’hydratation du ciment sur les propriétés mécaniques élastiques et les déformations endogènes seront reproduites à l’aide de modèles simplifiés. En fonction de l’avancement du travail, l’impact de l’hydratation sur les propriétés viscoélastiques (fluage) pourra également être investigué. Cette approche numérique permettra notamment d’étudier en détail certains aspects tels que l’effet de la forme, disposition, arrangement spatial et taux d’incorporation des inclusions sur le comportement local et macroscopique des VER au jeune âge, ainsi que sur l’initiation et la propagation d’une éventuelle microfissuration décrite par une approche par champ de phase. Finalement, le comportement à long terme de ces VER pourra être analysé en reproduisant les expansions dues à la formation de produits de corrosion expansifs à la surface de certaines inclusions, via une analogie thermique.

Il est à noter qu’une thèse (début octobre 2024) est prévue à la suite de ce sujet dans le cadre d’une collaboration entre le CEA, l’université Eiffel et Orano concernant la tenue à long terme de colis de déchets cimentés.