Résumé : Le vieillissement des ouvrages en béton est une préoccupation majeure affectant la pérennité et l’efficacité des structures. Le maître d’ouvrage se doit de maintenir les fonctions d’usage de la structure tout en gardant une gestion économique efficace. L’objectif final de ces travaux de recherche est, donc de pouvoir renseigner sur l’état global de fissuration de la structure afin d’aider le maître d’ouvrage à respecter ses engagements. Dans cette optique, cette thèse développe une nouvelle technique aidant à la quantification de l’état des ouvrages massifs en béton. Elle s’appuie, pour cela, sur la méthode non-destructive de résistivité électrique en surface, connue pour sa sensibilité face à des facteurs révélateurs d’une altération. Toutefois, à cause de sa dépendance entre la profondeur d’investigation et la résolution, la méthode ne peut pas garantir de l’état global d’un ouvrage. De ce fait, il a été décidé d’utiliser la résistivité électrique via des forages préexistants dans la structure (diagraphie électrique). L’outil utilisé est une sonde en dispositif normal réservée jusqu’à présent pour la prospection pétrolière et hydrogéologique. En plus d’une prospection en profondeur via le forage, cette sonde peut acquérir des informations sur un rayon de 3.2m autour du forage. Cependant, à mesure que le volume de béton sondé augmente, la résolution décroit. La difficulté est donc de pouvoir exploiter les capacités de prospection de la sonde tout en sachant que la résolution faillit. Il s’agit de contourner le problème en maîtrisant les concepts de la diagraphie et son nouveau milieu d’application. Cette thèse est basée sur une première approche numérique permettant d’apporter des corrections sur les données de terrain et de déterminer la sensibilité de l’outil face à de l’endommagement d’ouverture plurimillimétrique à centimétrique. Ceci est validé par des mesures réalisées sur une écluse de la Voie Maritime du Saint-Laurent. Une étude numérique de la réponse de l’outil en fonction des paramètres de fissure tels que l’ouverture, le contraste entre la résistivité de la discontinuité et du béton, et l’extension est réalisée. Elle permet de construire une base de données afin de développer une méthode pour la caractérisation de l’endommagement. Cette méthode s’appuie sur ces réponses diagraphiques pour retrouver les paramètres de fissure recherchés (problème inverse). Nous procédons tout d’abord par une analyse préliminaire se basant sur un croisement des informations apportées par les différentes électrodes de la sonde puis nous optimisons les résultats par la méthode de recuit simulé. La méthode, ainsi développée est ensuite appliquée à un deuxième ouvrage pour en déterminer l’état interne. Ces travaux détectent plusieurs zones endommagées et caractérisent l’une d’elles par une ouverture centimétrique et une extension comprise entre 1.6m et 3.2m. Ces travaux prometteurs, attestent d’un premier diagnostic interne des ouvrages massifs en béton, un enjeu qui restait sans réponses satisfaisantes jusqu’à maintenant. // Abstract : The aging of concrete structures is a major problem affecting their sustainability and their efficiency. The owner must maintain the structure serviceability and provide cost-effective management. The goal of this work is to provide detailed information about the state of cracking inside the structure in order to assist the owner to meet its commitments. In this context, this thesis develops a new technology to assess the condition of mass concrete structures. It relies on a non-destructive method based on electrical resistivity measured from surface, known for its sensitivity to factors associated with concrete deterioration. However, because of its dependence between the investigation depth and the resolution, the method cannot assess the overall state of a structure. Therefore, it was decided to use the electrical resistivity through preexisting boreholes in the structure (electrical logging). The tool used is a normal probe, which has been traditionally used for oil and hydrogeological exploration. In addition to the investigation in depth via boreholes, this probe can get information over a radius of 3.2m around the borehole. However, as the probing volume of concrete increases, the resolution decreases. Difficulty is to use the exploration abilities of the tool, knowing that the resolution is limited. This is to get around the problem by mastering logging concepts and its new application environment. This thesis is based on a first numerical approach to make corrections on field data and to determine the tool sensitivity with regard to the multi-millimeter and centimeter crack size damage. This was validated with measurements made on a full-size lock located on the St. Lawrence Seaway. A numerical study of the tool response versus the discontinuities parameters such as the crack aperture, the resistivity contrast between the discontinuity and the concrete, and the extension was done. It allowed building a database used to develop a method for the characterization of the damage. This method is based on the tool responses to find the crack parameters (inverse problem). First, we proceed with a preliminary analysis based on a cross of information provided by the different electrodes of the probe then we optimize the results by the method of simulated annealing. The characterization method is applied to another structure to quantify its internal state. These studies detect several damaged areas and characterize one of them by a centimeter aperture and an extension between 1.6m and 3.2m. This work attest to a first internal diagnosis of massive concrete structures, an issue that remained without satisfactory answers so far.

Les discontinuités sont préjudiciables à la pérennité des structures en béton. Les méthodes non-destructives sont bien développées pour l’étude des altérations en surface, mais peu de techniques sont adaptées à la caractérisation de défauts dans la masse. Dans cette thèse, des mesures de résistivité électrique sont réalisées pour l’étude des discontinuités (fissures, joints, interfaces) au sein des ouvrages massifs en béton par l’intermédiaire des forages préexistants. La technique utilisée est la diagraphie électrique de résistivité en dispositif normal. Une première approche numérique (éléments finis) permet d’appréhender les corrections à apporter sur les mesures. Puis l’étude des paramètres d'ouverture, de contraste entre la résistivité de la discontinuité et du béton, et d'extension permet de proposer une méthode d’inversion des mesures pour la caractérisation de l’endommagement. Des essais sur des ouvrages hydrauliques sont réalisés afin de définir la méthodologie de mesure sur site. Les mesures sont ensuite confrontées à la méthode d’inversion pour la valider. / Discontinuities are one of the most harmful damage to the durability of concrete structures. The non-destructive methods appear to be effective for the detection and the location of surface cracks but they might be unsuitable for investigation of massive concrete body. In this thesis, the electrical resistivity measurements are made for the study of cracks and discontinuities (concrete joints, interfaces ...) in massive concrete structures by preexisting boreholes. The study is based on a first numerical approach (finite elements) to understand the corrections on data. Then the study of the aperture, the resistivity contrast between the discontinuity and the concrete, and the extension provide a method for the inversion of measures to characterize the damage. The tests on hydraulic structures are carried out to define the methodology for on measurement site. The measurements are then compared to the inversion method to validate it.

Les discontinuités sont préjudiciables à la pérennité des structures en béton. Les méthodes non-destructives sont bien développées pour l'étude des altérations en surface, mais peu de techniques sont adaptées à la caractérisation de défauts dans la masse. Dans cette thèse, des mesures de résistivité électrique sont réalisées pour l'étude des discontinuités (fissures, joints, interfaces) au sein des ouvrages massifs en béton par l'intermédiaire des forages préexistants. La technique utilisée est la diagraphie électrique de résistivité en dispositif normal. Une première approche numérique (éléments finis) permet d'appréhender les corrections à apporter sur les mesures. Puis l'étude des paramètres d'ouverture, de contraste entre la résistivité de la discontinuité et du béton, et d'extension permet de proposer une méthode d'inversion des mesures pour la caractérisation de l'endommagement. Des essais sur des ouvrages hydrauliques sont réalisés afin de définir la méthodologie de mesure sur site. Les mesures sont ensuite confrontées à la méthode d'inversion pour la valider.

Cette thèse 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. 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 prise 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 allant jusqu’à quelques dizaines d’années, d’où le recourt à des essais accélérés. Cependant les solutions pratiquées dans les laboratoires de recherche, 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 problèmatique. 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.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.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. / This thesis is part of a research program on the aging of nuclear infrastructures launched by the IRSN (Institute for Radiological Protection and Nuclear Safety) within the project aiming to extend the lifespan of the French nuclear power plants. The goal is to contribute to the knowledge of aging mechanisms touching the constituents of non-replaceable structures of a nuclear power plant, such as the containment building. Matter of fact, the behavior of such structures is an important point for the safety assessment of nuclear installations because they represent the third and last barrier against the dispersion of radioactive particles in the environment. Among the phenomena involved in aging mechanisms, internal swellings reactions (ISR) are pathologies that can degrade concrete by causing swelling, cracking and major disorders in the affected structures. Internal swelling reactions (ISW) include the delayed ettringite formation (DEF), the alkali-aggregate reaction (AAR) and the concomitance of the two. These pathologies are endogenous reactions, occurring as a result of the interaction between the initial components of the material. These interactions take place following the use of reactive aggregates in case of AAR and/or following a significant warm-up at the concrete’s early age in case of DEF. In nuclear facilities, the possibility of these phenomena cannot be ruled out. Matter of fact, they include massive reinforced concrete elements for which a significant heating could have occurred at the early age. Moreover, reactive aggregates may have been used during the construction phase. Therefore those risks ought to be studied especially if the extension of the lifespan of these installations is envisaged.However, the kinetics of these reactions are generally slow and it can take for up to a few decades for disorders to appear in the structure. Among the solutions used in research laboratories, one is to use accelerated test methods developed on small specimens.The research work carried out in this context includes three major axis: the development of an experimental protocol to accelerate internal swelling reactions of concrete on a massive structure scale, multi-scale analysis of the phenomena involved and the development of innovative instrumentation adapted to this problem. The purpose is to allow better observation and understanding of swelling reactions at such scale. Hence, three representative massive concrete mock-ups whose dimensions are 2,4 x 1,4 x 1 m3 were realized under controlled and optimized conditions for the development of delayed ettringite formation (DEF), alkali silica reaction (ASR) and the concomitant ASR-DEF case respectively.The scale effect on swelling kinetics is demonstrated by an experimental study comparing the evolution of swelling reaction in the massive samples with the evolution in reconstituted concrete laboratory specimens as well as coring specimens.An innovative instrumentation method using optical fibers is also developed thus allowing the monitoring of the pathologies in the massive structures and the tracking of the respective deformation fields in several two-dimensional plans of interest. The measurements are to finely describe and help in understanding the evolutionary mechanisms of structural degradation and can be used subsequently as a reference for numerical simulations.