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Contexte

Le projet DEMCOM prône une approche d'éco-conception des structures en béton armé en milieu marin alliant des modèles de durabilité à des modèles d'Analyse de Coût et de Cycle de Vie (ACCV). Le rôle du modèle de durabilité est de fournir à l'ACCV une estimation du temps d'initiation de la corrosion à partir de paramètres technologiques contrôlables (formulation du béton, épaisseur d'enrobage), en lien avec des incertitudes stochastiques sur les conditions environnementales (météorologie, salinité, ...). Les modèles de durabilité qui seront utilisés pour simuler la pénétration des chlorures à l'échelle de la structure [Baroghel-Bouny 2011, Ben Fraj 2012, Achour 2018a] impliquent un éventail de phénomènes physico-chimiques. En conséquence, leur application requiert classiquement la connaissance d'un nombre important de propriétés du béton : porosité, coefficient de diffusion en conditions saturée et partiellement saturée, isothermes de fixation des ions chlorure, isothermes de sorptiondésorption d’humidité, perméabilités intrinsèques et relatives à l'eau, facteur de résistance à la vapeur d'eau, tortuosité. Tous ces paramètres dépendent de la composition du béton voire de la nature du liant, et certains d'entre eux impliquent des lois empiriques pour lesquelles plusieurs paramètres doivent être calibrés au préalable. Au vu de la variété des formulations de béton qui devra être couverte par l'ACCV, une approche purement empirique pour la détermination de chacune de ces propriétés est inadaptée dans le cadre de l'approche d'écoconception promue par le projet DEMCOM

Objectifs

Ainsi l'intégration des modèles de durabilité dans ceux d'ACCV rencontre une difficulté majeure qui réside dans l'incompatibilité des données d'entrée. Le défi est alors de modéliser fidèlement les propriétés du béton à partir de leurs paramètres de formulation pour combler cet écart. L'idée est de mettre en œuvre une démarche de modélisation multi-échelles. Les modèles d'homogénéisation ont en effet montré leur capacité à obtenir certaines propriétés mécaniques et de transport de bétons à partir des données de de formulation [Achour 2018b,2020, Bernard 2003, Damrongwiriyanupap 2017, Lavergne 2018]. Ce type de modélisation repose sur trois ingrédients clés :

1) des schémas d'homogénéisation soigneusement mis en œuvre pour homogénéiser en cascade les propriétés macroscopiques d'intérêt à partir de celles de chacune des phases constituant le béton aux échelles microscopiques (différents types d'hydrates, anhydres et porosités) [Bernard 2003, Lavergne 2018, Achour 2018b]

2) un modèle d'hydratation approprié pour déterminer l'évolution des quantités de chacune de ces phases au cours du temps à partir de la composition initiale du béton. Cette étape sera réalisée en tenant compte des travaux de différents auteurs sur l’hydratation du clinker [Chen and Brouwers 2007] et de ciments avec substitutions en laitiers [Kolani et al. 2012]

3) un modèle morphologique pour décrire leur organisation géométrique et répartition aux différentes échelles de longueur, du nanomètre au centimètre [Achour 2020].

Un atout de la stratégie proposée est que les paramètres d'entrée du modèle ont un sens physique clairement identifié et ne requièrent pas de calibration hormis quelques paramètres géométriques. Ces derniers sont partagés pour les différentes propriétés et indépendants de la formulation donc en nombre limité.

Le doctorant s'appuiera sur et enrichira un modèle multi-échelle [Achour 2018b,2020] récemment développé dans l'équipe IEG du laboratoire GeM. Ce modèle présente l'avantage que la même description morphologique de la microstructure permet de déterminer deux propriétés très différentes : la raideur élastique et le coefficient de diffusion, ce qui apporte confiance sur la description de la microstructure. Concernant les propriétés de transport, un point clé est que la porosité est répartie à trois différentes échelles afin de mieux gérer la connectivité des différents types de pores. Cependant ce modèle est actuellement limité, pour les propriétés de transport, au coefficient de diffusion des ions chlorures dans des bétons saturés à base de CEM-I.

Les obstacles scientifiques à dépasser sont alors, par ordre de difficulté croissante :

1. Adaptation du modèle du modèle multi-échelle aux ciments avec substitutions en laitiers, qui impacte grandement les propriétés de transfert [Ben Fraj 2019]. Ce point requiert l'adoption d'un modèle d'hydratation qui prend en compte la réactivité des laitiers

2. Extension du modèle multi-échelle aux conditions partiellement saturées. Ce point requiert la description précise de la répartition de la phase liquide dans les différents types et tailles de pores. À cet effet, le modèle multi-échelle incorporera des éléments du modèle de [Ranaivomanana et al. 2011, 2013] qui permet de décrire les processus de sorption/désorption de la vapeur d'eau, les perméabilités relatives et le facteur de résistance à l'eau à partir d'une distribution idéalisée de la distribution de taille de pores.

3. Modélisation de la perméabilité relative. Les modèles multi-échelles analytiques précités ont déjà permis la modélisation de la perméabilité de certains géomatériaux [Bignonnet 2016, Jeannin 2018]. Cette stratégie sera transposée aux extensions ci-dessus du modèle multi-échelle de béton.

Profil recherché

Il est attendu que les candidat-e-s à ce sujet de thèse aient des connaissances sur les modèles de pénétration des chlorures, sur les modèles d’hydratation analytiques et sur les méthodes d’homogénéisation (à minima dans un des deux domaines). Des compétences effectives en programmation (langage Python) sont fortement souhaitées.

Pour postuler, remplissez le questionnaire au lien ci-dessous avant le 28 mars 2021 :
https://surveys.ifsttar.fr/limesurvey/index.php/663336?lang=fr