La Réaction Sulfatique Interne (RSI) est une pathologie du béton pouvant affecter les matériaux soumis à un échauffement au-delà de 65°C. Elle consiste en une formation d'ettringite dans le matériau durci et conduit à son gonflement. Il s'en suit une fissuration et une dégradation des performances mécaniques pouvant poser des problèmes d'intégrité structurelle à l'instar de la Réaction Alcali-Granulat (RAG) à laquelle elle est fréquemment couplée in situ. Lorsqu'un ouvrage est atteint, il convient de poser un diagnostic, évaluer son aptitude au service, prédire son évolution et mettre en uvre des méthodes de réparation. Ceci nécessite une compréhension fine des effets de la RSI à l'échelle microscopique et à l'échelle de l'ouvrage. De nombreuses études expérimentales et théoriques ont été menées pour déterminer les mécanismes mis en uvre et les paramètres influençant la RSI. Toutefois, la complexité des phénomènes rend délicate la transposition de ces connaissances à l'échelle de la structure. Les approches macroscopiques semblent donc plus adaptées à ce type de problème. Pour mettre au point ces approches, il est nécessaire de comprendre en détail les effets de la pathologie à l'échelle du matériau et de la structure. Cette thèse décrit les résultats d'une étude de laboratoire basée sur des essais sur éprouvettes pour caractériser les couplages entre les gonflements et l'humidité, la température et l'état de contraintes. Ces travaux ont également été l'occasion d'étudier les couplages entre RAG et RSI. En parallèle, des suivis dimensionnels et hydriques de poutres soumises à des conditions d'exposition à l'humidité contrôlées ont permis de constituer une base de données des effets structurels de la RSI. La confrontation de ces essais menés conjointement à l'échelle du matériau et de la structure fournit des données permettant de mettre au point des méthodes de re-calcul des ouvrages et de les valider en confrontant leurs prédictions aux résultats expérimentaux / Delayed Ettringite Formation (DEF) is a reaction that can affect concretes exposed to temperatures higher than 65°C. The corresponding formation of ettringite in the hardened material leads to swellings, cracking and decrease of the mechanical properties. Thus it gives serious concern in terms of structural integrity and serviceability. DEF is often coupled with Alkali-Aggregate Reaction (AAR) in the field. For a structure manager, it is necessary to be able to diagnose the reaction, to assess the serviceability of the structure, to predict its evolution and to repair it. To reach these objectives, it is necessary to understand DEF effects both at the microscopic scale and the structure scale. In the literature, a lot of theoretical and experimental researches have been reported and deal mainly with the chemo-physical mechanisms. These results emphasize the complexity of the microscopic features of DEF and thus can hardly be used to model its structural effects. Thus, macroscopic approaches seem to be more adapted. To develop such approaches, it is necessary to understand the effect of the deleterious process at the scale of the material and of the structure. In this context, this research proposes to quantify the couplings between DEF-induced swellings and moisture, temperature and mechanical loadings thanks to material tests on concrete cylinders. The couplings between DEF and AAR are as well investigated. Moreover the monitoring of dimensions and water content of concrete beams is also performed while being exposed to various controlled water supply conditions. The corresponding results provide a database useful to analyse quantitatively the mechanical effects of DEF (for the material and for the structures) and to validate the numerical models by comparing their predictions to the experimental behaviour

La société LTF (Lyon Turin Ferroviaire), filiale de RFF (Réseau Ferré de France) et de RFI (Réseau Ferré Italien) est le promoteur de la section transfrontalière de la future liaison ferroviaire entre Lyon et Turin. LTF souhaite valoriser une grande partie des 16 millions de m3 de déblais qui seront générés par les chantiers du futur tunnel de base en granulats à béton pour le revêtement du tunnel. Cette solution est proposée dans le cadre d'une démarche de développement durable. Cependant, pour une partie des matériaux qui doivent être valorisés en granulats à béton, la teneur en sulfates est comprise entre 1,61 et 4,30% en masse (exprimé en SO3). Ces matériaux se démarquent alors par rapport au contexte réglementaire qui limite la teneur en sulfates dans les granulats à béton à 0,2% pour ce type d'ouvrage. Cette prescription est appliquée pour éviter les risques de dégradation du béton par réaction des sulfates apportés par les granulats avec certains composants présents dans le ciment. Ce phénomène est connu sous le terme de réaction sulfatique interne. Les travaux de recherche ont porté dans un premier temps sur la lixiviation des sulfates issus des matériaux d'excavation. Les résultats ont montré que les sulfates sont rapidement accessibles dans les fractions granulométriques inférieures à 4 mm. Un possible traitement des matériaux par lavage avant leur utilisation dans le béton peut être une solution pour limiter l'attaque sulfatique interne. Dans un second temps, pour définir un liant adapté à ce type de granulats, une étude comparative de différents ciments supposés résistants aux sulfates a été mise en place. Trois essais accélérés ont été développés afin de prendre en compte le risque de dégradation des matériaux cimentaires par formation d'ettringite et de thaumasite. Seuls deux ciments présentent un bon comportement vis-à-vis de la réaction sulfatique interne engendrée par des granulats contenant une forte teneur en sulfates. Il s'agit d'un ciment Portland à très faibles teneur en alcalins et ne contenant quasiment pas d'aluminates tricalciques ainsi qu'un ciment sursulfaté. Enfin, une dernière solution innovante a été proposée et réside dans l'utilisation des sulfates apportés par les matériaux d'excavation pour réaliser le gypsage du ciment. Les sulfates provenant du sable excavé permettent de réguler correctement la prise du matériau cimentaire au même titre que les sulfates de calcium ajoutés au clinker dans le ciment / The construction of a 57 km length base tunnel for the future railway link between Lyon (France) and Turin (Italy) promoted by Lyon Turin Ferroviaire (LTF), subsidiary of Réseau Ferré de France (RFF) and Rete Ferroviaria Italiana (RFI), will result in the production of 16 millions of m3 of excavated materials. In order to promote efficient and sustainable management of natural resources and to reduce greenhouse gas emission and environmental impact, one wish of LTF is to use the most part of these materials as concrete aggregates. However, a part of the excavated materials from LTF tunnel has a sulphate content between 1.46 and 4.30% (expressed in mass of SO3) and cannot be used considering the European standards, which drastically limit the sulphate content in order to avoid structural damages resulting from internal sulphate attack. The sulphate content is limited to 0.2% for this type of construction. The first study, carried out in order to define solutions for the use of these excavated materials, focuses on the behaviour of sulphates, more particularly on their leaching in solution in order to determine the sulphate content that could be released in the concrete. The results show that the sulphates are quickly available for the particles size lower than 4 mm. The washing of excavated materials before their use in concrete can be a solution to limit the internal sulphate attack. The second study has been conducted in order to define a suitable cement for the use of excavated materiels as aggregates. A comparative study of different cements supposed to be resistant to sulphates has been carried out. Three accelerated tests have been developed to assess the risk of degradation of cementitious materials by formation of ettringite and thaumasite. Only two cements show a good behavior against the internal sulphate attack resulting from sulphated aggregates. These cements are a Portland cement with a very low calcium aluminates and alkaline contents and an over sulphated cement.In the frame of a third study, an innovative solution has been proposed and concerns the using of excavated materials as a source of sulphates for regulating the hydration of cement. Sulfates from the excavated sand can regulate the cement hydration and then cancel any further damage due to sulphates

La réaction sulfatique interne est une pathologie qui affecte certains bétons hydrauliques ayant subi une élévation de température excessive au jeune âge. La formation tardive d'ettringite provoque un gonflement du béton, incompatible avec la rigidité du matériau et sa faible capacité en extension, ce qui engendre des fissurations dans la structure et des déformations différentielles incompatibles avec le fonctionnement en service de l'ouvrage. Le mécanisme de la réaction est assez complexe et il ne fait pas encore l'objet d'un accord complet dans la littérature. La description phénoménologique des gonflements nécessite la prise en compte de nombreux paramètres (composition du béton, conditions environnementales, histoire thermique et hydrique du béton...). Les modélisations proposées sont peu nombreuses, elles cherchent surtout à estimer l'amplitude finale maximale des gonflements et ne permettent pas de calculer l'état actuel d'un ouvrage où la réaction progresse plus ou moins en fonction du couplage avec les différents paramètres influents. S'appuyant sur ces constats et la nécessité de gérer les ouvrages atteints en prévoyant leur évolution, la présente recherche vise à développer une modélisation des effets mécaniques de la formation différée d'ettringite qui permette d'estimer l'état mécanique d'une structure atteinte. On présente donc une modélisation chimico-mécanique, formulée à l'échelle macroscopique. Le modèle est basé sur une approche thermodynamique décrivant la formation d'un cristal à l'intérieur d'un milieu poreux. Le comportement mécanique se trouve couplé à l'évolution d'une variable chimique décrivant l'avancement de la réaction, ce qui se traduit à chaque pas de temps par une déformation chimique imposée. L'amplitude et l'évolution de cette déformation sont décrites par une loi sigmoïdale modifiée dont les paramètres sont liés à la composition du béton et peuvent être identifiés expérimentalement dans des conditions standardisées. La valeur de calcul de la déformation chimique imposée tient également compte de l'histoire thermique au jeune âge du béton (qui a un effet sur le gonflement potentiel) et des conditions environnementales (température et humidité) qui ont un effet sur l'amplification des gonflements à chaque pas de temps. Un programme expérimental spécifique a permis de confirmer quantitativement le couplage proposé entre le potentiel d'expansion et l'histoire thermique au jeune âge. Le modèle est également écrit pour tenir compte de l'effet de la contrainte sur l'anisotropie du gonflement, qui constitue un phénomène important à l'échelle des ouvrages atteints, du retrait de séchage et de l'endommagement du module de Young en fonction de la déformation chimique induite par la réaction. Ce modèle a été implémenté dans le code de calcul CESAR-LCPC sous le nom RGIB, en intégrant et élargissant les fonctionnalités du module ALKA destiné aux structures atteintes d'alcali-réaction et constituant ainsi un nouveau module destiné au recalcul des structures atteintes de réaction de gonflement d'origine interne. On a appliqué ce module au recalcul de deux ouvrages ou parties d'ouvrages réels, afin de prédire leur comportement. On a adopté dans notre présentation des résultats une démarche progressive qui permet d'illustrer les différentes fonctionnalités du module. Les résultats trouvés sont satisfaisants et leur comparaison aux résultats in-situ montre une bonne coïncidence. Si le modèle proposé dans ce module RGIB rend compte des connaissances actuelles sur la RSI et ses effets, il met aussi en évidence les manques de connaissance quantitative sur cette réaction et les couplages qui l'influencent et l'importance de calibrages appropriés pour un recalcul précis des ouvrages atteints.

La société LTF (Lyon Turin Ferroviaire), filiale de RFF (Réseau Ferré de France) et de RFI (Réseau Ferré Italien) est le promoteur de la section transfrontalière de la future liaison ferroviaire entre Lyon et Turin. LTF souhaite valoriser une grande partie des 16 millions de m3 de déblais qui seront générés par les chantiers du futur tunnel de base en granulats à béton pour le revêtement du tunnel. Cette solution est proposée dans le cadre d'une démarche de développement durable. Cependant, pour une partie des matériaux qui doivent être valorisés en granulats à béton, la teneur en sulfates est comprise entre 1,61 et 4,30% en masse (exprimé en SO3). Ces matériaux se démarquent alors par rapport au contexte réglementaire qui limite la teneur en sulfates dans les granulats à béton à 0,2% pour ce type d'ouvrage. Cette prescription est appliquée pour éviter les risques de dégradation du béton par réaction des sulfates apportés par les granulats avec certains composants présents dans le ciment. Ce phénomène est connu sous le terme de réaction sulfatique interne. Les travaux de recherche ont porté dans un premier temps sur la lixiviation des sulfates issus des matériaux d'excavation. Les résultats ont montré que les sulfates sont rapidement accessibles dans les fractions granulométriques inférieures à 4 mm. Un possible traitement des matériaux par lavage avant leur utilisation dans le béton peut être une solution pour limiter l'attaque sulfatique interne. Dans un second temps, pour définir un liant adapté à ce type de granulats, une étude comparative de différents ciments supposés résistants aux sulfates a été mise en place. Trois essais accélérés ont été développés afin de prendre en compte le risque de dégradation des matériaux cimentaires par formation d'ettringite et de thaumasite. Seuls deux ciments présentent un bon comportement vis-à-vis de la réaction sulfatique interne engendrée par des granulats contenant une forte teneur en sulfates. Il s'agit d'un ciment Portland à très faibles teneur en alcalins et ne contenant quasiment pas d'aluminates tricalciques ainsi qu'un ciment sursulfaté. Enfin, une dernière solution innovante a été proposée et réside dans l'utilisation des sulfates apportés par les matériaux d'excavation pour réaliser le gypsage du ciment. Les sulfates provenant du sable excavé permettent de réguler correctement la prise du matériau cimentaire au même titre que les sulfates de calcium ajoutés au clinker dans le ciment

La Réaction Sulfatique Interne (RSI) est une pathologie du béton pouvant affecter les matériaux soumis à un échauffement au-delà de 65°C. Elle consiste en une formation d'ettringite dans le matériau durci et conduit à son gonflement. Il s'en suit une fissuration et une dégradation des performances mécaniques pouvant poser des problèmes d'intégrité structurelle à l'instar de la Réaction Alcali-Granulat (RAG) à laquelle elle est fréquemment couplée in situ. Lorsqu'un ouvrage est atteint, il convient de poser un diagnostic, évaluer son aptitude au service, prédire son évolution et mettre en uvre des méthodes de réparation. Ceci nécessite une compréhension fine des effets de la RSI à l'échelle microscopique et à l'échelle de l'ouvrage. De nombreuses études expérimentales et théoriques ont été menées pour déterminer les mécanismes mis en uvre et les paramètres influençant la RSI. Toutefois, la complexité des phénomènes rend délicate la transposition de ces connaissances à l'échelle de la structure. Les approches macroscopiques semblent donc plus adaptées à ce type de problème. Pour mettre au point ces approches, il est nécessaire de comprendre en détail les effets de la pathologie à l'échelle du matériau et de la structure. Cette thèse décrit les résultats d'une étude de laboratoire basée sur des essais sur éprouvettes pour caractériser les couplages entre les gonflements et l'humidité, la température et l'état de contraintes. Ces travaux ont également été l'occasion d'étudier les couplages entre RAG et RSI. En parallèle, des suivis dimensionnels et hydriques de poutres soumises à des conditions d'exposition à l'humidité contrôlées ont permis de constituer une base de données des effets structurels de la RSI. La confrontation de ces essais menés conjointement à l'échelle du matériau et de la structure fournit des données permettant de mettre au point des méthodes de re-calcul des ouvrages et de les valider en confrontant leurs prédictions aux résultats expérimentaux

La réaction sulfatique interne (RSI) est une pathologie conduisant au gonflement et à la dégradation du béton de certains ouvrages. En tant que gestionnaire d'ouvrages, VINCI doit assurer la sécurité des usagers et des biens. Pour cela, une évaluation de l'aptitude au service des ouvrages concernés est nécessaire. Ce travail a pour but d'améliorer la modélisation des phénomènes mécaniques induits par la formation d'ettringite différée, notamment sous contrainte. Une campagne expérimentale a été réalisée sur éprouvettes prismatiques en béton réactif libres de contraintes, armées uniaxialement, armées triaxialement et soumises à un chargement uniaxial de compression de 14,5 MPa. Les phénomènes expansifs sont relativement isotropes en l'absence de contraintes et atteignent 0,6 % en fin de réaction. Le bridage induit par la présence des armatures conduit à une diminution importante des déformations dans les directions concernées, sans impact majeur sur le gonflement dans les directions libres : les déformations du béton initiées par la RSI sont de fait anisotropes sous chargement anisotrope. Une fissuration préférentielle est observée parallèlement à la direction gênée. L'application d'un chargement uniaxial de compression à hauteur de 14,5 MPa entraine un raccourcissement du béton dans la direction chargée, les déformations de fluage masquant les éventuelles expansions. La décharge de ces corps d'épreuve après environ 420 jours d'immersion a provoqué une reprise des gonflements de l'ordre de 0,10 % en 3 jours dans la direction chargée, sans effet visible dans les autres directions. Au cours des 200 jours suivants, des gonflements longitudinaux et transversaux similaires en termes de cinétique et d'amplitude ont été observés. Ce phénomène a été attribué au renouvèlement de l'eau de conservation ayant eu lieu au moment de la décharge, en particulier à une réaccélération du lessivage des alcalins. L'endommagement induit par la RSI sur le béton a été caractérisé par le biais d'essais de compression, traction par fendage et mesures de module d'Young avant et après gonflement. [...] / Delayed ettringite formation is a pathology leading to swelling and degradation of the concrete of certain structures. As structure manager, VINCI must ensure the safety of users and goods. To do so, an assessment of the serviceability of affected structures is necessary. This work aims to improve the modeling of mechanical phenomena induced by delayed ettringite formation, especially under stress. An experimental campaign was carried out on prismatic reactive concrete specimens. Some were plain, uniaxially reinforced, triaxially reinforced and subjected to an uniaxial compressive loading of 14.5 MPa. Expansions appeared fairly isotropic in stress-free conditions and reached 0,6 %. Restraint due to reinforcements led to decreased strains in the restrained directions. Expansions were only slightly impacted in transversal free directions. Therefore, DEF expansion under uniaxial stress is anisotropic. Cracks were observed parallel to the restrained direction. For prestressed concrete, creep strains hid possible strains induced by DEF. These specimens were unload after 420 days of immersion in water. It led to a strain increase of about 0,10 % in 3 days in the loaded direction, without any effect on transversal directions. Similar kinetic and range of expansion was measured in both longitudinal and transversal throughout the 200 following days. This phenomenon was understood as the consequence of an alkali leaching acceleration after storage water renewal that occurred during specimens unloading. DEF induced damage on concrete was characterize through compressive tests, brazilian tensile tests and Young modulus measurements before and after expansions. DEF effect on steel-concrete bond behavior was also measured through pull-out tests. Maximal steel-concrete bond stress appears slightly impacted by longitudinal expansions of about 0.25 %, but the bond shear modulus decreases significantly after DEF. All collected experimental data were used to fit a poromechanical model of DEF taking into account all the phenomena involved in the of reinforced concrete behavior (plasticity, damage, creep, shrinkage, distributed reinforcements...). [...]