Projet ANR-13-BS09-0022 – MOSAIC : MesOscopic Scale durAbility Investigations for Concrete
Programme : Blanc - SIMI 9 - Sciences de l'Ingénierie, Matériaux, Procédés, Energie (Blanc SIMI 9)
Année de financement : 2013
Coordinateur du projet : Monsieur Jean-Baptiste COLLIAT* (Laboratoire de Mécanique de Lille)
Partenaires : Institut français des sciences et technologies des transports, de l'aménagement et des réseaux; Laboratoire de Mécanique de Lille; Laboratoire de Mécanique et Technologie; Laboratoire Matériaux et Durabilité des Constructions
Montant : 410949.0 euros
Date de début : 2014
Durée : 48 mois
Résumé : MesOscopic Scale durAbility Investigations for ConcreteLe vieillissement des structures de génie civil conduit nécessairement à des préoccupations économiques importantes, principalement liées au choix entre leur remplacement ou l'extension de leur durée de vie. Développer une compréhension générale du comportement des matériaux à base cimentaire et des mécanismes associés à leurs comportements à long terme est donc du plus grand intérêt, à la fois d'un point de vue environnemental et financier.
Mise en place d’une méthodologie de développement durable associée au domaine de l'industrie des matériaux à base cimentaireMettre en place une méthodologie de développement durable associée au domaine de l'industrie des matériaux à base cimentaire nécessite une compréhension de leurs comportements au cours des nombreuses conditions environnementales qui peuvent survenir. Etant au carrefour de plusieurs domaines scientifiques tels que la mécanique des milieux continus non linéaire, la chimie, les transferts de masse ou la simulation numérique, ce problème scientifique est hautement interdisciplinaire.En ce qui concerne les structures en béton, il est maintenant clairement établi que la plupart des phénomènes de dégradation observés à l'échelle macroscopique (dont les comportements pathologiques, tels que le séchage ou la formation ettringite qui sont ici notre principale source de préoccupation car ils peuvent fortement diminuer la durabilité de la structure) trouve leurs origines dans un ensemble de phénomènes physiques et chimiques spécifiques. Bien que ceux-ci aient lieu à l'échelle fine, leurs conséquences à l'échelle macroscopique peuvent être très importantes, avec un fort impact sur la durabilité des structures en béton et donc leur espérance de vie. Cette constatation est la pierre angulaire du projet MOSAIC. Notre objectif est d'améliorer les liens entre les mécanismes de fine échelle et leurs conséquences macroscopiques.
Construire des liens entre les mécanismes physico-chimiques de dégradation à l'échelle fine et les conséquences macroscopiques observéesNotre méthodologie se compose de deux étapes principales:- Conduire des campagnes expérimentales dans des conditions environnementales spécifiques afin de déclencher différentes pathologies et de mesurer leurs conséquences à l'échelle macroscopique;- trouver, pour chaque pathologie, l’ensemble minimal de mécanismes à considérer et modéliser, à l'échelle fine, afin d'obtenir une stratégie de simulation précise et prédictive.Les principales originalités du projet MOSAIC sont:- d'étudier l'effet du séchage et de la RSI sur la fissuration macroscopique (et donc sur la durabilité des structures en béton) à travers le développement d’analyses à la méso-échelle.- d'envisager le séchage et la RSI mais aussi leur couplage.- de mettre en place une méthodologie expérimentale basée sur deux classes de matériaux, morphologiquement contrôlées et réels, tous deux construits à partir des mêmes composants.
Résumé de la soumission : Le vieillissement des structures de Génie Civil conduit généralement à d'importantes préoccupations économiques, principalement liées au choix entre leur remplacement ou l'extension de leur durée de vie. Développer une compréhension plus fine des comportements des matériaux à base cimentaire et des mécanismes associés à leurs comportements à long terme est donc du plus grand intérêt, à la fois sur le plan environnemental et financier. Mettre en place une méthodologie de développement durable associée au domaine de l'industrie des matériaux à base cimentaire requiert une compréhension profonde de leurs comportements sous les diverses conditions environnementales qui peuvent survenir. Au carrefour de plusieurs domaines scientifiques tels que la mécanique non linéaire, la chimie, transferts de masse ou la simulation numérique en mécanique des solides, cette problématique scientifique est fortement interdisciplinaire.Concernant les structures en béton, il est maintenant clairement établi que la plupart des comportements observés à l'échelle macroscopique (dont le séchage et la réaction sulfatique interne qui, en produisant une fissuration importante, affectent grandement la durabilité) trouvent leurs sources dans un ensemble de phénomènes physiques et chimiques spécifiques. Bien que ces derniers se produisent à l'échelle fine, leurs conséquences macroscopiques peuvent être importantes, avec un impact important sur la durabilité des structures et leur espérance de vie. Ce fait est la pierre angulaire du projet MOSAIC. Notre objectif est d'améliorer les liens entre la connaissance de ces mécanismes à l'échelle fine et leurs conséquences macroscopiques. Pour construire ce type de ponts, deux étapes principales sont proposées :- Tout d'abord la conduite d'expériences dans des conditions environnementales spécifiques (séchage, RSI et leur couplage) afin de mesurer leurs conséquences macroscopiques ;- Définir, pour chaque condition, l'ensemble minimal de mécanismes à modéliser, à l'échelle fine, afin d'obtenir une stratégie numérique précise et prédictive.Ainsi, contrairement aux modèles macroscopiques habituels, notre objectif ici est d'identifier les mécanismes physiques et chimiques les plus simples, et de les intégrer au sein d'une stratégie multi-échelles. Au vu des difficultés numériques potentielles, le projet MOSAIC vise à se concentrer sur l'échelle mésoscopique, qui conduit à représenter explicitement les hétérogénéités de plus de 1 mm ainsi que leurs interfaces.Au premier rang des mécanismes de dégradation pour le béton, la fissuration est d'une importance majeure et est fortement liée aux défis actuels pour les structures en béton. Pour ces derniers, certaines conditions environnementales spécifiques sont connues pour être très préjudiciables à long terme en provoquant de la fissuration. Le projet MOSAIC porte sur deux de ces conditions liées au béton, la réaction sulfatique interne et le séchage. Ces deux phénomènes sont complémentaires dans le sens où ils conduisent, pour l'un à un gonflement de la pâte et, pour l'autre, à un retrait. Par ailleurs, ils sont tous les deux fortement influencés par l'hétérogénéité du matériau. D'où l'utilisation d'une analyse à l'échelle fine qui est du plus grand intérêt en termes de durabilité des structures en béton.D'un point de vue global, les résultats majeurs attendus sont :- Premièrement la possibilité de quantifier les propriétés mécaniques et de transfert macroscopiques d'un béton à partir, d'une part des potentiels de retrait et de gonflement de la pâte de ciment et, d'autre part, de la morphologie et de la fraction volumique d'agrégats.- Concernant la Réaction Sulfatique Interne, la possibilité de quantifier les effets de cycles d'humidification-séchage sur le gonflement. Ceci devra être fait à partir de la donnée de la formulation et, en particulier, du choix des agrégats.
Résultats : Les résultats attendus du projet MOSAIC sont :
- Concernant la RSI, la quantification de l'effet des cycles de séchage-mouillage et l'amélioration de la capacité à prédire le gonflement dû à la RSI. Celui-ci doit être envisagé compte tenu d’une formulation multi-paramètres avec, en premier lieu, le choix des agrégats. Selon l'effet des cycles de séchage-mouillage, une évolution du protocole d'essai sera proposée.
- D’être en mesure de quantifier les propriétés mécaniques et de transfert macroscopiques à partir de la connaissance du retrait potentiel et du gonflement de la pâte de ciment d'une part et, d’autre part, de la fraction volumique, de la morphologie et de la nature des agrégats.
Perspectives : La première période du projet MOSAIC a permis le lancement de campagnes expérimentales d'envergure et à long terme. La plupart des résultats sont attendus dans les mois à venir.
Publications et brevets : Pas pendant cette première période