Ce travail de thèse propose une méthodologie multi-échelle basée sur l'utilisation de modèles de substitution fonction de variables aléatoires, pour évaluer la fiabilité résiduelle d'ouvrages en béton atteints de réaction alcali-granulat (RAG), dans l'optique d'une meilleure maintenance. Les modèles de substitution, basés sur des développements en chaos de polynômes des paramètres d'une fonction de forme (sigmoïde dans les cas traités), ont été constitués à plusieurs échelles, afin notamment de réduire les temps de calculs des modèles physiques sous-jacents. A l'échelle microscopique, le modèle de RAG employé est celui développé par Multon, Sellier et Cyr en 2009, comprenant initialement une vingtaine de variables aléatoires potentielles. A l'issue d'une analyse de sensibilité de Morris, le modèle de substitution permet de reproduire la courbe de gonflement dans le temps du volume élémentaire représentatif en fonction de neuf variables aléatoires. L'utilisation du modèle de substitution construit, pour la prédiction des effets mécaniques du gonflement dû à la RAG sur une éprouvette, a nécessité de prendre en compte l'anisotropie de ces effets en améliorant les fonctions poids proposées par Saouma et Perotti en 2006. L'échelle de l'éprouvette étant validée par la confrontation des prédictions aux données expérimentales des travaux de thèse de Multon, une application à l'échelle du barrage de Song Loulou a été entreprise. Le calcul du comportement thermo-chemo-mécanique d'une pile d'évacuateur de crues, dont les résultats en déplacements ont pu être confrontés aux données d'auscultation fournies par l'entreprise AES-SONEL (devenue ENEO), a été réalisé. Des modèles de substitution ont été construits ensuite à l'échelle de la structure afin d'obtenir les déplacements aux points d'intérêt, liés aux états limites de fonctionnement des évacuateurs, et procéder ainsi à l'estimation de la fiabilité résiduelle du barrage. Les calculs d'analyse de sensibilité et la construction des modèles de substitution ont été implémentés en Fortran, Java et OpenTURNS Les calculs sur éprouvette et pile de barrage ont été effectués sous Cast3M. / This work proposes a multi-scale methodology based on the use of surrogate models function of random variables, to evaluate the residual reliability of concrete structures suffering from alkali-aggregate reaction (AAR), for a better maintenance purpose. Surrogate models, based on polynomial chaos expansion of the parameters of a shape function (sigmoid in the studied cases), have been constituted at several scales, in particular in order to reduce computation time of the underlying physical models. At the microscopic scale, the AAR model employed is that developed by Multon, Sellier and Cyr in 2009, initially comprising about twenty potential random variables. At the end of a Morris sensitivity analysis, the surrogate model enables to reproduce the expansion curve over time of the representative elementary volume as a function of nine random variables. The use of the built-in surrogate model in predicting the mechanical effects of AAR expansion on a concrete core required to take into account the anisotropy of these effects by improving the weight functions proposed by Saouma and Perotti in 2006. The core's scale being validated by the comparison of the predictions with the experimental data of Multon's thesis work, an application at the scale of the Song Loulou dam was undertaken. The computation of the thermo-chemo-mechanical behavior of a spillway stack, whose results in displacement could be compared with the auscultation data provided by the company AES-SONEL (now ENEO), was realized. Surrogate models were then constructed at the scale of the structure to obtain displacements at the points of interest, related to the operating limit states of the spillways, and thus to estimate the residual reliability of the dam. The sensitivity analysis computations as well as the construction of the surrogate models were implemented in Fortran, Java and OpenTURNS. Computations on concrete cores and Song Loulou dam spillway were performed under Cast3M.

Ce travail allie une approche théorique, basée sur la mécanique des milieux poreux réactifs, à une approche expérimentale importante, afin de mieux comprendre le fonctionnement d'un béton atteint d'alcali-réaction (plus précisément, de réaction alcali-silice). L'intérêt de la modélisation se manifeste dès la conception du programme d'essais, en orientant le choix des principaux paramètres - apports d'eau, température et contraintes - et en induisant une méthodologie d'étude qui établit un parallèle entre les effets macroscopiques et les causes microscopiques de l'alcali-réaction. Le volet expérimental a porté sur les déformations, fissurations, variations de poids et caractéristiques mécaniques de plus de six cents éprouvettes, en gonflement libre ou sous contrainte uniaxiale. Parallèlement, l'évolution de la microstructure du matériau a été étudiée par différentes techniques: microscope électronique à balayage, visualisation des produits de réaction par fluorescence des ions uranyle, calculs minéralogiques. Les principaux résultats expérimentaux ont été établis sur des bétons ordinaires à base de granulats calcaires (réactifs ou non) et de ciment Portland artificiel. Ils concernent principalement : - l'absence d'influence de l'état de contrainte du matériau sur l'évolution des processus physico-chimiques constituant l'alcali-réaction, ce qui permet d'envisager un calcul d'ouvrage par une approche de type 'déformations chimiques imposées', - le caractère secondaire, sur le plan du gonflement macroscopique, des phénomènes de nature osmotique, et la prépondérance de l'effet de la localisation des produits de réaction, - le rôle primordial, vis-à-vis du gonflement, de la quantité d'eau disponible au moment de la formation des produits de réaction, - la possibilité d'obtention de déformations atteignant 0,1% à partir de la seule eau de gâchage non utilisée par l'hydratation du ciment, - l'indépendance des phénomènes de transport d'eau par rapport à la présence d'alcaliréaction, - l'existence d'un seuil de dessiccation en dessous duquel l'alcali-réaction est bloquée jusqu'à l'arrivée de nouveaux apports d'eau, - la quantification de l'hétérogénéité intrinsèque, justifiant l'introduction d'un aléa sur le gonflement asymptotique, - le suivi de l'évolution des caractéristiques mécaniques, montrant le maintien des résistances en compression et en traction par fendage et une chute de l'ordre de 30% du module d'Young, liée à la fissuration des éprouvettes, - l'explication de l'origine de l'anisotropie du gonflement libre, due au sens du coulage et à l'anisotropie du béton, indépendamment de l'alcali-réaction, - la compréhension des causes de la forme sigmoïdale des courbes de gonflement, résultant de l'augmentation de l'espace poreux au fur et à mesure du développement de l'alcali-réaction et donc de la plus grande facilité de diffusion, - la mise en évidence de l'importance de la phase d'accélération des phénomènes (notion de temps de latence), dont la durée dépend des apports d'eau extérieurs, mais surtout de la température (dont l'effet est essentiellement cinétique). Ces résultats ont permis d'identifier les ordres de grandeur des paramètres fondamentaux d'une loi de comportement décrivant l'évolution d'un béton du même type que celui de plusieurs ouvrages atteints d'alcali-réaction, dans le Nord de la France.

Le problème d'attaque des bétons par sulfates demeure d'actualité dans le domaine du stockage des déchets radioactifs, parce que certains déchets contiennent des sulfates. Le présent rapport contribue à l'étude des mécanismes de dégradation des enrobés de déchets radioactifs par sulfate. Les systèmes expansifs CaO-Al2O3-SO3-H2O sans et avec alcalins ont été étudiés. Dans le système sans alcalins, c'est la formation de l'ettringite secondaire par apport d'eau externe qui conduit à l'expansion importante par effet stérique. Dans le système avec alcalins, les comportements d'expansion sont complètement différents. Un nouveau minéral baptisé "phase U", de type AFm incorporant du sodium, a été mis en évidence. Il semble être le responsable de l'expansion observée. Les conditions de formation, le produit de solubilité, les méthodes de synthèse et les distances interréticulaires de la phase U ont été discutés. Les différentes configurations des enrobés réels ont été ensuite étudiées, le comportement étant lié notamment à la phase U, très peu étudiée jusqu'à présent en milieu de ciment. Nous avons retenu comme mécanismes expansifs possibles soit la formation de la phase U secondaire, soit la transformation de la phase U en ettringite, soit la transformation de la thénardite en mirabilite. La première hypothèse a été validée sur un système simplifié, la modélisation de toutes les configurations des enrobés par les bilans massique et volumique nous permet de déterminer théoriquement la répartition massique des hydrates et d'estimer l'expansion par formation de la phase U secondaire. La deuxième hypothèse a été aussi parfaitement vérifiée : l'observation de l'expansion et l'analyse minéralogique des échantillons contenant la phase U et subissant la lixiviation dans différentes solutions nous permettent de supposer que l'expansion est provoquée par la répulsion électrique interparticulaire d'ettringite colloïdale, issue de la transformation de la phase U initiale et formée en présence de chaux. La cinétique de transformation de la phase U en ettringite a été suivie expérimentalement et analysée avec la théorie de la diffusion. La troisième hypothèse n'a pas été validée. En conclusion, la phase U peut provoquer une expansion par deux principaux mécanismes se manifestant individuellement ou simultanément : la formation de la phase U secondaire et la transformation de îa phase U en ettringite colloïdale en présence de chaux. Le présent travail constitue une première étape importante et nécessaire pour prédire la durabilité d'une structure du stockage de déchets radioactifs sulfatés.