A la demande réelle d'une maintenance des ouvrages d'art en béton affectés par la réaction d'alcali-silice, les travaux effectués dans ce rapport concernent effectivement une modélisation mécanique du gonflement du matériau induit par la formation du produit chimique ainsi qu'une méthode d'expertise des structures réellement touchées. La modélisation du comportement du matériau nécessite la précision de deux aspects radicaux : la cinétique de l'expansion du produit et la réponse mécanique à cette expansion interne. Issus de la thermodynamique du béton affecté en tant qu'un système chimico-mécanique, l'avancement chimique de réaction et la réponse mécanique se trouvent dans la même description. Au sens chimique, l'expansion du gel est d'abord représentée par l'avancement de la formation d'un gel simple, et puis approfondie par deux sous-processus : la formation de gel et le vieillissement de gel vis à vis de la condition hydrique. Quant à la réponse mécanique du matériau, le béton est premièrement supposé élastique et puis élastoplastique. Ayant traité ainsi ces deux aspects radicaux, on procède d'abord à l'expertise numérique des structures affectées dans un contexte complet du traitement des ouvrages d'art touchés, c'est ainsi que les données disponibles pour l'expertise sont capturées. En analysant ces données au niveau d'une structure ainsi qu'au niveau d'une éprouvette extraite, le calibrage des modèles chimico-mécaniques est formulé sous la forme d'un problème inverse, qui en outre est précisé en deux sous-problèmes vis à vis des données analysées. Le calibrage est achevé par la proposition d'un algorithme ayant un critère de convergence proposé. Une méthode numérique d'expertise est ainsi complétée, représentant une partie essentielle de la méthodologie globale de traitement des structures. Cette méthode est appliquée aux cas réels des ouvrages affectés : un pylone en béton armé d'un pont suspendu en France et une pile en béton armé d'un pont métallique en Afrique équatoriale.

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.

Les réactions de gonflements internes (RGI) sont des pathologies qui dégradent le béton de certains ouvrages tels que des barrages en étant à l'origine de gonflements. Electricité De France (EDF) doit assurer la sûreté des personnes et des biens situés à l'aval de ses structures. Ce travail a pour but d'améliorer la modélisation des phénomènes physiques liés à ces dégradations notamment l'interaction entre le produit gonflant et le squelette solide. La contrainte intraporeuse générée par la pression du produit peut créer un endommagement. Dans le modèle proposé, la fissuration peut avoir lieu à deux échelles : - Au niveau microscopique c'est le produit gonflant qui comble le volume libre autour du site de réaction avant de mettre en traction le matériau jusqu'à fissuration, ce qui provoque une baisse des caractéristiques du matériau (résistances en traction et en compression, module d'Young). Un critère de plasticité anisotrope et une loi d'écrouissage positif sont proposés pour modéliser ce phénomène. - Au niveau macroscopique, des gradients de gonflements peuvent se développer à l'intérieur d'ouvrages dont les états de contraintes et les conditions d'humidité et de température ne sont pas homogènes. Une fissuration localisée peut alors s'initier. Elle est la source de risques de dislocations des structures pouvant mener à leur ruine, de concentrations de contraintes dans les aciers structuraux, de chemins facilités pour les agents agressifs extérieurs et pour l'eau, composé essentiel au développement rapide de ces pathologies. La prise en compte des couplages hydro-poro-mécaniques est nécessaire à la simulation de ces phénomènes. Cette fissuration est modélisée par un critère plastique de Rankine anisotrope dont l'énergie dissipée par la fissuration est régularisée par la méthode d'Hillerborg. Après avoir présenté ce modèle, il est validé et appliqué à différentes échelles pour des états de contraintes et des conditions environnementales diverses, sur : - des éprouvettes soumises à des contraintes et des blocages multi-axiaux, - des poutres de laboratoire plus ou moins armées subissant des gradients d'humidité importants, - des barrages dans des conditions réelles construits dans les années 1950. Les résultats obtenus avec le modèle permettent de retrouver les déplacements, les contraintes et les résistances de ces structures après vieillissement. Pour les poutres atteintes de réaction alcali-silice, les résultats numériques obtenus montrent notamment une prise en compte réaliste des contraintes induites par la présence d'armatures, ce qui est confirmé par la validation du comportement à rupture. Néanmoins, des difficultés de calage subsistent pour les poutres subissant la réaction sulfatique interne. Elles sont issues des grandes amplitudes d'expansion et des couplages diffusion-fissuration qui rendent spécifique le comportement de ces structures par rapport à des structures subissant des expansions moins importantes. Ce modèle est un outil pour la requalification des ouvrages dans le but d'assurer leur sûreté. Il peut également servir de base de calcul à la simulation de diverses réhabilitations et travaux de confortements. / Internal swelling reactions (ISR) damage the concrete of structures such as dams. Electricité De France (EDF) must ensure the safety of the people and goods located below the dam. This work aims to improve the modeling of the physical phenomena related to these damages, especially the interaction between the swelling product and the solid skeleton. The intraporous stress generated by the product pressure can create cracking, which, in the proposed model, can occur at two scales: - At a microscopic scale, the swelling product fills the gaps around the reaction site, which induces cracking and a decrease of the materials' characteristics (tensile and compression strengths, Young's modulus). Numerically, an anisotropic plastic criteria and a hardening law allow modelling this phenomenon. - At a macroscopic level, swelling gradients can develop inside concrete structures whose stress states and climatic conditions (humidity and temperature) are not homogeneous. A localized cracking can begin. It is a source of structure dislocation risks and stress concentrations in structural reinforcement. It may ease the way in for outside aggressive agents and water, an essential component for these reactions. Hydro-poro-mechanical couplings need to be taken into account when simulating these phenomena. The cracking is modelled by a Rankine plastic criterion whose dissipated energy is regularized by the Hillerborg's method. After presenting the model, several stress states and environmental conditions are applied to the model in order to validate it on: - samples under multi-axial stresses and restraints, - plain and reinforced beams submitted to moisture gradients in laboratory, - 1950s dams in real conditions. The results of the model make it possible to reproduce the displacements, the stresses and residual strength of these structures after aging. For the beams submitted to alkali aggregate reaction, the numerical results show a relevant prediction of the stress induced by reinforcement, confirmed by the failure behaviour. Nevertheless, the model encounters calibration difficulties for beams affected by delayed ettringite formation. They come from large swelling amplitude and diffusion-cracking coupling which are inherent to these structure behaviours. This model is a tool for concrete structure requalification in order to ensure their safety. It can also be a basis for diverse rehabilitations and reinforcement works simulation.