La prédiction des déformations différées est d'une très grande importance pour l'étude de la durabilité et de l'aptitude au fonctionnement à long terme des structures en béton (ponts, enceintes de confinement de bâtiments réacteurs des centrales nucléaires, etc.). En effet, elles peuvent être à l'origine de la fissuration, de pertes de précontrainte, d'une redistribution des contraintes et même, plus rarement, de la ruine de l'ouvrage.<br /><br />L'objectif de ce travail est alors de développer des outils de calcul numérique, capable de prédire le comportement différé de structures en béton. Pour cela, un nouveau modèle hydromécanique du béton est développé, intégrant la description des phénomènes de séchage, de retrait, de fluage et de fissuration. La modélisation du retrait de dessiccation est basée sur une approche unifiée du fluage et du retrait. Les modèles de fluage propre et de fluage de dessiccation sont basés sur des mécanismes physico-chimiques plausibles, se produisant à différentes échelles d'observation de la pâte de ciment. Le modèle de fluage propre est associé à la micro-diffusion de l'eau adsorbée entre la porosité interhydrates et intrahydrates et la porosité capillaire, et au glissement des feuillets de C-S-H à l'échelle des nanopores. Le fluage de dessiccation est induit par la micro-diffusion de l'eau adsorbée à différentes échelles de porosité sous l'effet d'une sollicitation mécanique et hydrique combinée. Le retrait de dessiccation résulte, en effet, de la déformation élastique et différée du squelette solide, sous les effets de la pression capillaire et de la pression de disjonction. Le comportement mécanique du béton fissuré est modélisé en utilisant le formalisme de l'élastoplasticité endommageable orthotrope. La combinaison de ces phénomènes est effectuée dans le cadre de la mécanique des milieux poreux non saturés, en s'appuyant sur le concept des contraintes effectives.<br /><br />Ce modèle a été incorporé dans un code de calcul aux éléments finis. L'analyse du comportement différé d'éprouvettes et de structures en béton et en béton précontraint, soumises à des sollicitations hydriques et mécaniques combinées, est alors présentée.

Ce travail a pour but d'apporter des éléments de connaissance sur le comportement des enceintes de confinement des centrales nucléaires françaises. L'aptitude au confinement de ce type de structures est garantie par la faible perméabilité du béton. En cas d'accident, le béton est protégé de la fissuration par la compression biaxiale assurée par les câbles de précontrainte orthoradiaux et verticaux. Dès lors, il s'agit de vérifier deux points principaux : premièrement, le niveau de précontrainte doit rester suffisamment élevé pour équilibrer les contraintes de traction induites lors d'un accident, deuxièmement, la fissuration du matériau qui apparaît hors situation accidentelle doit être limitée. La réalisation de ces objectifs passe par la connaissance du comportement du béton depuis sa fabrication jusqu'à la fin de la durée d'exploitation du réacteur. L'étude du matériau est séparé en deux grandes périodes : la phase du jeune âge caractérisée par de forts couplages chemo-thermo-mécaniques et la phase du long terme où le matériau subit des sollicitations hydro-mécaniques. Une modélisation couplant l'hydratation, les transferts thermiques et hydriques et la mécanique est développée : elle est apte à décrire les principaux mécanismes en jeu. Ce modèle est implanté dans le logiciel CAST3M : le nombre limité de paramètres permet de faciliter le processus d'identification. En parallèle à ce travail de modélisation, plusieurs essais expérimentaux ont été réalisés : certains sont destinés à la détermination de paramètres spécifiques (par exemple, le coefficient de Poisson du fluage propre), d'autres ont pour but d'évaluer la pertinence des mécanismes physiques retenus dans la modélisation (notamment sur les couplages séchage-retrait-fluage). Par la diversité des phénomènes abordés, cette étude s'articule autour de plusieurs axes. La première partie traite des phénomènes thermo-chimiques du béton au jeune âge et du séchage des matériaux cimentaires : problèmes qui ont en commun leur nature diffuse. Une attention particulière est portée sur l'identification des principaux paramètres d'influence de ces deux phénomènes. La deuxième partie concerne l'étude des déformations différées du béton. Contrairement à la décomposition conventionnelle de ces déformations, fluage et retrait sont corrélés et induisent un endommagement du matériau. La modélisation proposée, qui se place dans le cadre de la mécanique des milieux poreux non saturés, permet de considérer une partie des interactions entre ces déformations. La dernière partie se concentre sur l'étude du comportement différé de structures. Les résultats mettent en lumière l'importance de certains verrous technologiques dans la prédiction du comportement à long terme d'une enceinte de confinement. / This work aims to study the behaviour of the containment buildings in a nuclear power plant. The gas-proofing of these structures is based on the low conductivity of concrete (the hydraulic conductivity is around 10-11 m/s for a standard concrete). However, if cracks appear, this material property increases and the containment may not be longer guaranteed. In accidental situations, the concrete is protected from cracking by the bi-axial prestressing of the internal safety enclosure. The ageing of the structure may have two main consequences : firstly, the prestress has to remain sufficiently high to counterbalance the tensile stress caused by an accident, secondly, cracking induced by non-accidental loads has to be limited. These aims cannot be satisfied if the behaviour of the concrete is not understood from its manufacturing to the end of the operating life of the nuclear reactor.\\ The lifespan of the structure is broken down into two distinguished periods : on one hand, strong chemo-thermo-mechanical couplings characterise the early age phase, on the other hand, the material is under hydro-mechanical stress during the long term phase. In the proposed modelling, hydration, thermal and hydric transfers are coupled with the mechanical behaviour of the concrete- the main mechanisms are considered. The model is implemented in the software \textit{CAST3M} : the limited number of parameters facilitate the identification process. In tandem with this work, several experimental tests are realised. Parameters are identified from their results, moreover, some of the experimental observations confirmed the physical mechanisms considered in the model. \\ Because of the complexity of the different phenomenon, this document is built around the following principles. The first part deals with the chemo-thermal couplings at early age and the drying process of concrete at long term : the nature of these two problems is diffusive. This part is focused on the identification of the main parameters of these two phenomenons. The second part is about the delayed strains in concrete. Unlike the conventional decomposition of these strains, creep and shrinkage are correlated and influence the damage evolution. Mechanics of unsaturated porous media is used to consider the couplings between these strains. The last part is focused on the delayed behaviour of structures. Results highlight the importance of some technological barriers in order to predict accurately the long-term behaviour of a containment building.

Le travail décrit dans ce manuscrit s’inscrit dans le cadre de la gestion de déchets nucléaires, de faible activité à vie longue (FA-VL), composés d’alliage de magnésium et de graphite, produits pendant l’exploitation de la première génération de réacteurs nucléaires en France. Il s’agit d’étudier la possibilité de leur immobilisation par cimentation et de comprendre le comportement des colis ainsi fabriqués tout au long de leur vie. Plusieurs mécanismes couplés sont à considérer : l’alliage de magnésium peut se corroder au sein de la matrice d’enrobage, en particulier lors du couplage galvanique avec le graphite. La croissance de produits de corrosion autour du métal et la restriction des déformations propres de la matrice cimentaire engendrent des contraintes à l’intérieur du matériau. La vérification de certaines exigences de sureté (stabilité dimensionnelle du colis et faible production d’hydrogène) nécessite donc le développement d’un outil numérique pouvant prédire le comportement mécanique des colis. En particulier, un mortier de laitier activé à la soude, qui présente un intérêt particulier, est examiné. Ce liant appartient à la famille des matériaux alcali-activés dont la modélisation numérique du comportement est peu abordée dans la littérature. La construction du modèle numérique passe ainsi par une large campagne expérimentale (caractérisation du comportement thermo-chemo-mécanique du mortier de laitier alcali-activé et de la corrosion du magnésium dans les matrices cimentaires) puis par un travail d’homogénéisation par éléments finis pour pouvoir déterminer les propriétés de l’ensemble (mortier + déchets) et mener des simulations à l’échelle du colis. Concernant le premier axe d’étude expérimentale, un faible échauffement accompagne l’avancement des réactions d’hydratation, ce qui est bénéfique vis-à-vis des contraintes internes résultantes de l’auto-restriction des déformations thermiques au sein des structures massives. Néanmoins, les déformations de retrait endogène montrent un développement important à long terme. Ceci peut générer des contraintes internes dans le colis (en présence de restrictions), mais la grande capacité de fluage du matériau empêche la fissuration. Concernant le deuxième axe d’étude expérimentale, le mortier de laitier activé est comparé avec deux autres mortiers à base de CEM I, pour évaluer le comportement à la corrosion de l’alliage de magnésium. Les observations microscopiques montrent que la corrosion galvanique de l’alliage est particulièrement agressive dans les mortiers à base de CEM I (corrosion localisée se manifestant par des creusements et des microstructures en feuillets) contre une corrosion uniforme, mais faible dans le mortier de laitier alcali-activé. La cinétique de corrosion est déterminée en utilisant des techniques gravimétriques et électrochimiques. Les résultats de ces deux types de mesure sont complémentaires et témoignent également d’une faible corrosion dans le mortier de laitier activé. De plus, ils montrent une certaine passivation du métal au-delà de 6 mois d’enrobage. Cette propriété spécifique du mortier de laitier activé peut être expliquée par une grande résistivité électrique par rapport aux mortiers de CEM I déterminée en analysant les données de spectroscopie d’impédence électrochimiques. Ensuite, des premières simulations simplifiées par éléments finis à l’échelle mésoscopique sont effectuées sur Cast3m, pour modéliser l’effet mécanique du développement de la corrosion sur le mortier d’enrobage. Plusieurs paramètres sont intégrés comme la cinétique de corrosion de l’alliage ainsi que la nature des produits formés et leurs propriétés mécaniques, identifiées par des observations MEB/EDS et nano-indentation. Les résultats indiquent que les contraintes générées dans la matrice d’enrobage n’entrainent pas d’endommagement. / The operation phase of the first generation of nuclear reactors in France has generated magnesium and graphite long lived low-level wastes (LLW-LL). Their conditioning in a hydraulic binder matrix is being addressed. In order to study the behavior of these packages, several coupled mechanisms have to be considered: the magnesium alloy can corrode within the encapsulating matrix, especially when galvanic coupling with the graphite occurs. The corrosion of the metal results in the development of corrosion products. The growth of corrosion products around the metal and the restriction of the hydraulic binder’s delayed strains may lead to the generation of internal stresses. The verification of certain safety requirements (dimensional stability of the package and low hydrogen production) is therefore essential. It requires the development of a numerical model able to predict the behavior of these packages.In particular, a sodium hydroxide activated blast furnace slag mortar is being addressed. It belongs to the family of alkali-activated materials for which the modelling of ageing behavior is rarely approached. Hence, the construction of the numerical model involves a large experimental campaign covering the thermo-chemo-mechanical behavior of the alkali-activated mortar and the corrosion of magnesium in hydraulic binders. Meso-scale homogenization calculations are undertaken in order to determine upscaled properties of the mix (matrix + wastes) and carry out simulations on the scale of the packages.Regarding the first experimental study axis, a relatively low hydration heat is measured. This is beneficial with respect to the internal stress generated from the self-restriction of the thermal strains within massive structures.Nevertheless, the materials undergoes a particular autogenous shrinkage strains showing an increase even at long term. However, its basic creep strains are shown to be important which could result in stress relaxation and avoids damage related to shrinkage restriction.Regarding the metal’s corrosion behavior in the alkali-activated mortar, it is compared to the one in two different ordinary Portland cement (OPC) based mortars. Microscopic observations are conducted on samples especially designed to monitor the galvanic corrosion of the alloy. They show the aggressiveness in OPC mortars (localized corrosion manifested by holes and layered microstructure) against limited homogeneous corrosion in alkali-activated mortar. Additionnaly, corrosion kinetics are determined using different experimental methods: mass loss and electrochemical measurements. The complementary results of these two types of measurements also show a low corrosion in the alkali-activated slag mortar with a passive state of the metal achived at 6 months of embedment. This advantage of slag mortar is explained by a high electrical resistivity with respect to OPC mortars, determined by electrochemical impedance spectroscopy.Finite element simulations are performed using Cast3m software on meso-scale in order to evaluate the mechanical effect of the corrosion layer development on the surrounding matrix. The corrosion kinetics of the alloy, the nature of corrosion products and their mechanical properties identified using SEM/EDS and nano-indentation techniques are implemented. The calculations indicate low stress generation in the alkali-activated mortar.

Nous avons donc proposé dans cette thèse une stratégie pour suivre l’évolution des fissures dans une structure en béton précontraint. L'objectif principal est de définir des briques de modélisation permettant d'étudier le comportement des fissures dans les enceintes de confinement des centrales nucléaires. Chaque brique de modélisation permet ainsi de représenter un phénomène non-linéaire présent dans ces structures : la fissuration du béton, les grilles d'armatures, les cables de précontrainte, la décohésion de l'acier dans le béton ainsi que le vieillissement du béton. Elles ont été validées grâce à plusieurs essais expérimentaux et appliquées à différentes zones. de l'enceinte de confinement pour simuler l'amorçage et la propagation des fissures. Enfin, une stratégie pour définir un état initialement fissuré a été développé à l'aide de ces différentes briques ainsi qu'une méthode de zoom pour reproduire les conditions limites de la précontrainte et la montée en pression sur une partie de l'enceinte. / The difficulty of predicting cracks on reinforced concrete structures is due to the heterogeneity of the concrete and the dependence on environmental boundary conditions. To overcome this problem, we introduce directly a potential crack at the initial time, using cohesive zone models. A major difficulty will be to juggle the cohesive zone models describing cracking and the phenomena of creep and drying, and thus to consider three types of nonlinearities appearing in the calculation : cracking, decohesion of steelconcrete and creep. We also propose a strategy to represent an initially cracked structure. In this thesis, the crack behavior in different parts of the confinement building are modeled using the above described method.

Les travaux présentés sont une contribution à l'état des connaissances sur les déformations différées des Bétons Fibrés à Ultra hautes Performances (BFUP) subissant un traitement thermique réalisé à température modérée. Ce type de traitement thermique est appliqué dans des conditions de fabrication usine, juste après la mise en œuvre du béton dans son moule, en vue d'accélérer pendant quelques heures le durcissement d'un produit destiné à se voir appliquer une précontrainte au jeune âge. L'analyse bibliographique souligne l'importance de considérer le type de traitement thermique utilisé comme un des paramètres prépondérants associés à la structuration des hydrates à court, moyen et long terme et à la teneur en eau résiduelle libre des bétons. Les résultats expérimentaux ont permis d'une part de quantifier les déformations différées de BFUP subissant un traitement thermique à température modérée et d'autre part de mettre en corrélation ces déformations avec l'évolution de paramètres matériaux mesurés tels que l'humidité relative interne et le degré d'hydratation. Des modèles analytiques adaptés, s'inspirant de ceux présentés dans l'Eurocode 2, sont proposés pour prévoir les déformations différées des BFUP. En outre, la modélisation et les simulations numériques révèlent qu'il est possible de prédire correctement le comportement de ces BFUP tant sur l'évolution des températures internes que sur l'évolution des déformations différées. La prédiction de l'évolution des propriétés des produits en BFUP en fonction de la nature de l'échauffement appliqué devrait permettre en outre l'optimisation des cadences de production et de l'énergie utilisée pour les traitements thermiques.

Dans le cadre du stockage des déchets radioactifs en couches géologiques profondes (argilite du Callovo-Oxfordien), des bétons à faible alcalinité et à faible chaleur d'hydratation référencés "bas pH " ont été élaborés. L'utilisation de ces types de béton permet de limiter la dégradation des propriétés confinantes du matériau argileux type bentonite. Deux bétons bas pH à base de liants ternaires ont étudiés : un composé de ciment, fumée de silice et cendres volantes (TCV) et l'autre composé de ciment, fumée de silice et laitier moulu de haut fourneau (TL). L'objectif de l'étude est d'analyser le comportement de ces matériaux pour s'assurer : d'une mise en œuvre correcte à l'échelle industrielle, d'une bonne tenue chimique et mécanique dans le temps et d'un confinement performant. Le programme expérimental comprend la caractérisation physico-chimique et mécanique de ces matériaux à forte teneur en additions et est couplé à de la modélisation dans le but, in fine, de disposer d'outils permettant de prédire leur comportement au sein de l'ouvrage. Les résultats montrent qu'un cobroyage des constituants du liant permet d'améliorer la réactivité du liant et de s'assurer d'une bonne robustesse des formules de béton. La condition essentielle de l'obtention d'un pH de leur solution interstitielle de 11 est assurée dès 28 jours. Les bétons peuvent être considérés à faible chaleur d'hydratation du fait des échauffements rencontrés à court terme. A long terme, de hautes performances mécaniques, de faibles coefficients de perméabilité et de diffusion sont obtenus sur ces matériaux. Les modélisations de l'hydratation, de l'évolution de propriétés mécaniques, de l'endommagement, des déformations différées et des transferts hydriques ont été abordées. Le modèle d'hydratation utilisé a été adapté aux liants ternaires en prenant en compte les phénomènes de nucléation des additions sur l'hydratation du ciment. Pour les autres modèles, l'acquisition des mesures expérimentales a permis de fournir les données d'entrée pour leur utilisation et de vérifier leur validité sur des liants fortement dilués. Tous ces travaux permettent au final d'envisager sereinement la modélisation et la prédiction du comportement des structures réalisées en béton bas pH. / In the context of the radioactive wastes disposal in deep geological repository of clay, low-alkalinity and low heat of hydration concretes referenced "low pH " were designed. The degradation of the properties of the clay can be limited by using these types of concrete. Two types of low pH binder were chosen for this research: the first one is comprised of cement, silica fume and fly ash (TCV) and the other one is comprised of cement, silica fume and slag (TL). The objective of this research is to comprehend the behavior of these concrete in order to ensure the well-placing of the fresh concrete at an industrial scale and good mechanical performances, chemical stability and confining properties. The experimental program focuses on a physico-chemical and mechanical characterization of these recent materials with high pozzolanic addition content. The experimental data are then modeled for the purpose of having a tool that, in the end, is able to predict the behavior of the low pH concretes within the structure. The results show that grinding altogether the three constituents improves the reactivity of the binder and allows a good reproducibility of the low pH design. The most important criterion which is a pH of the interstitial solution below 11 is met at 28 days. The heat measurements at early age show that the low pH concretes are low heat of hydration concretes as well. In the long run, high mechanical performances, low permeabilities and diffusivities were obtained on these materials. The modeling of the hydration, evolution of mechanical properties, damage, creep and hydric transfers is also covered in this thesis. The model of hydration was adjusted to match the hydration of ternary binders by taking into account the effects of the additions such as the heterogeneous nucleation, on the hydration of the cement. As for the other models, the experimental results were used as data input to validate the models on binders with high replacement rates. Ultimately, this work allows us to contemplate serenely the modeling and the prediction of the behavior of structure made of low pH concretes.

Les travaux présentés sont une contribution à l’état des connaissances sur les déformations différées des Bétons Fibrés à Ultra hautes Performances (BFUP) subissant un traitement thermique réalisé à température modérée. Ce type de traitement thermique est appliqué dans des conditions de fabrication usine, juste après la mise en œuvre du béton dans son moule, en vue d’accélérer pendant quelques heures le durcissement d’un produit destiné à se voir appliquer une précontrainte au jeune âge. L’analyse bibliographique souligne l’importance de considérer le type de traitement thermique utilisé comme un des paramètres prépondérants associés à la structuration des hydrates à court, moyen et long terme et à la teneur en eau résiduelle libre des bétons. Les résultats expérimentaux ont permis d’une part de quantifier les déformations différées de BFUP subissant un traitement thermique à température modérée et d’autre part de mettre en corrélation ces déformations avec l’évolution de paramètres matériaux mesurés tels que l’humidité relative interne et le degré d’hydratation. Des modèles analytiques adaptés, s’inspirant de ceux présentés dans l’Eurocode 2, sont proposés pour prévoir les déformations différées des BFUP. En outre, la modélisation et les simulations numériques révèlent qu’il est possible de prédire correctement le comportement de ces BFUP tant sur l’évolution des températures internes que sur l’évolution des déformations différées. La prédiction de l’évolution des propriétés des produits en BFUP en fonction de la nature de l’échauffement appliqué devrait permettre en outre l’optimisation des cadences de production et de l’énergie utilisée pour les traitements thermiques. / The work presented is a contribution for the state of knowledge on the time-dependent strains of Ultra-High Performance Fiber-Reinforced Concrete (UHPFRC) subjected to a heat treatment at a moderate temperature. This type of heat treatment is applied under factory’s conditions, just after the placement of the concrete in its mould, in order to accelerate during a few hours the hardening of an intended product to be seen applying a prestressing to the early age. The bibliographical analysis gives the importance to consider the type of heat treatment used as a significant parameter associated to the hydrates’ structure with short, medium and long term and to the free residual water content of the concretes. The experimental results made it possible on the one hand to quantify the time-dependent strains of UHPFRC subjected to a heat treatment at a moderate temperature and on the other hand to correlate these strains with the evolution of material parameters measured such as the internal relative humidity and the degree of hydration. Adapted analytical models, taking as a starting point those presented in Eurocode 2, are proposed to consider the time-dependent strains of UHPFRC. Moreover, modeling and simulations reveal that it is possible to predict correctly the behavior of these UHPFRC as well on the change of internal temperatures as on the change of the time-dependent strains. The prediction of the evolution of the properties of the UHPFRC products according to the nature of the heating applied should allow moreover the optimization of the production cadences and the energy used for the heat treatments.