Simulation du vieillissement des matériaux cimentaires par une modélisation chimio-poromécanique (diffusion-précipitation-fissuration)
Résumé
Dans le cadre de l’extension de la durée de vie des centrales nucléaires, différents travaux de recherche visent à
évaluer le vieillissement des matériaux cimentaires sur les capacités de confinement de l’enceinte des réacteurs
nucléaires. L’objectif est ici la compréhension, à l’échelle des granulats, de l’impact de la Réaction Sulfatique
Interne (RSI) sur les paramètres matériaux (coefficient de diffusion et ténacité apparente du béton).
La RSI est une pathologie endogène issue d’une exposition à des températures supérieures à 65°C au jeune âge
et un milieu à forte humidité relative. Au jeune âge, une espèce solide, l'ettringite, est dissoute et les ions la
constituant sont en partie adsorbés par la matrice de la pâte de ciment (C-S-H). L'environnement induit le
lessivage des alcalins et la désorption des ions. Une fois en solution, l’ettringite précipite dans les pores du
matériau durci entraînant des gonflements locaux dans la pâte de ciment et une fissuration par déformations
différentiées. Les fissures créées constituent alors le lieu privilégié d’une nouvelle précipitation d’ettringite [1].
Une modélisation chimio-mécanique est mis en œuvre. Le modèle prend compte la diffusion d’espèces
entraînant la précipitation de l’ettringite et la mise sous pression du milieu. La désorption des sulfates par le
lessivage des alcalins et la concentration d’ettringite sont estimées par un modèle chimique simple. Une
surpression locale est évaluée pour alimenter le modèle microporomécanique de la pâte de ciment et la loi de
pression post-rupture. Un modèle cohésif permet de traduire la fissuration du milieu par déformation différentiée
ainsi que l'impact de la mise sous pression des fissures. Le modèle cohésif avec gonflement post-rupture, prend
en compte les composantes normales et tangentes du saut de déplacement sur les lèvres de la fissure [u] et
introduit progressivement une pression post rupture p. Pour une fissure de normale n le vecteur contrainte
cohésif (Radh) dépend d'une variable d'endommagement surfacique β (β=1: interface saine, β=0 : interface
rompue) via un tenseur d'élasticité surfacique endommageable K(β) (avec a>0) :
Radh=K(β)[u] - (1-β)^a p n
Le modèle est appliqué sur différents tests issus de la littérature. Il est étudié en particulier l'impact des
conditions aux limites (chimiques et mécaniques), la composition et la dégradation du matériau sur la cinétique
d'expansion. Afin d'étudier l'influence de la fissuration sur la cinétique d'expansion, le modèle prendra en compte
l'influence de la fissuration sur la diffusion des espèces chimiques.
[1] X. Brunetaud, Étude de l’influence de différents paramètres et de leurs interactions sur la cinétique et
l’amplitude de la réaction sulfatique interne au béton, PhD thesis, École Centrale des Arts et Manufactures,
2005.