Risques de réactions de gonflement interne dans les bétons de structure d’ouvrages stratégiques

Responsable

Othman Omikrine-Métalssi (Ifsttar/MAST/EMMS)

Enjeux et objectifs

Grâce à son parc nucléaire et ses barrages, qui représentent des investissements considérables, la France dispose d’une grande autonomie pour sa production d’électricité. 

Même si la part d’électricité à base d’énergie renouvelable est appelée à augmenter dans les prochaines années, en accord avec l’objectif du Grenelle de l’Environnement (20 % d’énergies renouvelables dans la consommation finale d’énergie d’ici 2020), l’énergie nucléaire conservera une place prépondérante dans le dispositif français. Les centrales nucléaires ont été construites initialement pour des durées d’exploitation limitées. Augmenter leur durée de vie représente donc un enjeu financier et stratégique majeur.

Parmi les pathologies pouvant limiter la durée de vie des ouvrages en béton, figurent les réactions de gonflement interne du béton qui, pour certaines, ont tendance à affecter en priorité les pièces massives, particulièrement fréquentes dans les structures de production d’énergie, à l’exemple des barrages.

S’appuyant sur des connaissances acquises dans la prévention et la maîtrise de ces phénomènes pour des ouvrages traditionnels, cette opération vise à mieux connaître l’effet sur les réactions de gonflement des conditions spécifiques aux structures de production d’énergie et à proposer des méthodes de prévention et de gestion permettant d’augmenter la durée d’exploitation.

Sujets traités

1 – Etude des paramètres impliqués dans la réaction sulfatique interne des bétons

Les études à mener dans ce sujet ont pour objectif de clarifier l’impact de paramètres déjà identifiés sur le mécanisme de gonflement de la RSI.
Le rôle de l’eau apparaît déterminant sans que l’on sache précisément expliquer son impact sur des pièces de grande taille. Il s’agit notamment d’expliquer pour quelles raisons des structures de dimensions importantes sont sensibles à l’hygrométrie de l’environnement extérieur et susceptibles de développer une pathologie à cœur (là où l’échauffement a pu être important au jeune âge) dans un environnement humide alors que le risque semble fortement réduit dans un environnement sec : il n’existe pas d’ouvrage ou pièce d’ouvrage ayant développé une RSI dans ce dernier cas. Ces études visent à préciser quel est le seuil d’hygrométrie relative limite au-delà duquel le risque de développement d’une RSI devient important. Il est communément admis par exemple que ce seuil est voisin de 80% pour la RAG.

D’autre part, ces études se sont intéressées à comprendre l’effet du squelette granulaire sur le développement de la RSI ainsi que les conséquences de cette dernière sur les propriétés mécaniques des bétons.

Résultats obtenus
L’objectif des travaux réalisés au cours de la thèse a consisté, d’une part à l’évaluation de la possibilité de développement d’une RSI dans les ouvrages nucléaires en prenant en compte les spécificités de ce domaine (présence de structures massives dans lesquelles un échauffement du béton au jeune âge peut être rencontré) et en se limitant au cas des enceintes de confinement et, d’autre part, au recensement de quelques paramètres influençant le phénomène qui ne sont pas parfaitement connus à ce jour : l’humidité relative environnante et le squelette granulaire. Les effets du gonflement par RSI sur les propriétés du béton ont également été étudiés, notamment ses performances mécaniques et ses propriétés de transfert.

Pour le cas des ouvrages nucléaires, des simulations numériques ont été menées afin de prédire les élévations de température durant les premières heures qui suivent le coulage du béton lors de la phase de construction du radier général d’une enceinte de confinement d’une centrale nucléaire. Les résultats obtenus ont montré que la température à cœur du radier, dans certaines levées, subit des élévations importantes au jeune âge par la combinaison de l’exothermie de l’hydratation du ciment et de faibles conditions d’échange thermiques. Ces élévations de températures appliquées ont été suffisantes pour déclencher une réaction sulfatique interne dans des bétons immergés dans l’eau avec une influence directe de la durée d’échauffement et la température maximale atteinte sur l’amplitude et la cinétique d’expansion.

D’autre part, une campagne d’essais a été consacrée à l’étude du couplage qui existe entre les expansions par RSI et l’humidité relative environnante du béton. Les résultats montrent que le déclenchement de la RSI dépend fortement de l’humidité relative. Des gonflements très importants sont observés dans des corps d’épreuve immergés dans l’eau ou conservés en hygrométrie saturée. Par contre, une conservation dans des atmosphères dont l’humidité relative est inférieure ou égale à 98% a conduit, contrairement à certains résultats dans la littérature, à l’absence de gonflement (Figure 1). Une lixiviation des alcalins plus importante dans le cas d’une immersion et d’une conservation sous HR de 100% que dans le cas d’une exposition à 98% d’HR a été mise en évidence, et peut expliquer la différence de gonflements observés.

Figure 1. Effet de l’humidité relative sur l’expansion

Enfin, une dernière campagne d’essais a eu pour objectif d’évaluer l’impact du squelette granulaire sur le gonflement par RSI. Différents matériaux formulés de mélanges de pâte de ciment et de granulats de type calcaire de différentes granulométries et fractions volumiques ont été caractérisés. À partir des résultats obtenus, nous avons constaté que les expansions sont d’autant plus rapides et plus importantes que la taille et la fraction volumique des inclusions sont importantes (Figure 2).

Figure 2. Effet du squelette granulaire sur l’expansion

2 – Risques et impacts des réactions de gonflement sur les structures énergétiques

Pour des raisons de sécurité, les structures nucléaires doivent répondre à des exigences de durabilité spécifiques et pérennes. Les propriétés de transfert  (perméabilité, porosité), les propriétés mécaniques (élasticité, comportement vis-à-vis du fluage, résistance à la compression) doivent rester conformes à leur usage pour des durées de vie plus ou moins importantes.

Le risque de développement d’une RSI sur des bétons exposés à un échauffement de longue durée fait l’objet d’études spécifiques compte tenu de la durée de vie exigée pour les éléments de stockage de matériaux radioactifs et dont l’exposition à de l’eau n’est pas exclue.

L’analyse expérimentale et la modélisation des ces phénomènes sont traitées dans le cadre d’une thèse au sein de l’unité EMMS et financée par EDF. Cette thèse qui a comme titre « Etude des risques de développement d’une réaction sulfatique interne dans des structures subissant un échauffement tardif » pourrait montrer qu’un béton qui serait susceptible de générer un gonflement important attribué à la formation différée de l’ettringite à la suite d’un échauffement au jeûne âge peut générer un gonflement important attribué à une attaque sulfatique interne si ce même échauffement lui est appliqué de manière tardive.

Précisons que l’étude d’impact d’un échauffement tardif ne se limite pas aux structures nucléaires. Cette étude pourra alimenter les méthodologies de gestion des risques pour des bétons de structures exposées au feu.

D’autre part, une campagne expérimentale corresponde aux travaux déjà initiés par EMMS en partenariat avec EDF dans le cadre d’expérimentations sur des corps d’épreuve de grande taille est en phase de finalisation. L’objectif étant de cerner l’influence des apports hydriques et de l’état de contrainte sur le gonflement induit par formation différée d’ettringite, et de vérifier la capacité de prédire ces effets sur des structures soumises à un état de contrainte variables et apports hydriques différentiels. Il s’agit aussi de caractériser l’impact du développement de la RSI seule et de la RSI et de la RAG présentes simultanément sur les propriétés du béton.

Résultats obtenus
Les campagnes d’essais effectués dans ce sujet ont fournies des résultats expérimentaux issus de l’étude des couplages existant entre les conditions d’exposition à l’humidité d’un matériau et les expansions pouvant se développer sous les effets d’une Réaction de Gonflement Interne. Une analyse détaillée des données confrontant les estimations de gonflement volumique sur la base des suivis massiques et des suivis dimensionnels semble indiquer que durant la phase de gonflement intense caractérisant les phénomènes sigmoïdes typiques des RGI, cette hypothèse de prise de masse par remplissage des fissures nouvellement créées est vérifiée.

Cette partie du programme expérimental a mis également en évidence une correspondance entre les gonflements et les prises de masse : le gonflement au delà de 1 ‰ semble correspondre à une augmentation du volume poreux se remplissant d’eau au fur et à mesure de sa formation. Ceci implique une modification du comportement hydrique du matériau durant la phase d’expansion qu’il convient très probablement de prendre en compte dans les méthodes de re-calcul.

D’autre part, la comparaison des expansions et des degrés de saturation correspondants met en évidence l’existence d’un seuil nécessaire au développement des expansions. Ceci conforte les données disponibles dans la littérature ne mettant en évidence aucune expansion pour des humidités relatives d’exposition trop faibles. En effet, le seuil évalué pourrait correspondre à un degré de saturation de 0,93 à 0,95 qui pourrait se rapprocher d’un seuil de percolation de l’eau liquide au sein du réseau poreux.

Par ailleurs, le cas de la concomitance entre RSI et RAG a ainsi montré qu’en fonction de la quantité d’alcalins disponibles dans le matériau et de la température d’exposition, les couplages entre ces deux pathologies évoluent. Ainsi, à titre d’exemple, il pourrait se révéler utile à terme d’intégrer aux outils de recalcul une analyse de la lixiviation des alcalins dans les structures atteintes afin d’affiner la réponse des modèles développés.

Enfin, la méthodologie d’essai d’expansion résiduelle développée par l’Ifsttar a été mise en œuvre à différentes profondeurs afin d’établir une « cartographie » de l’effet du gradient hydrique. La méthode s’est avérée bien adaptée à ces investigations (Figure 3)

Figure 3. Variation du gonflement en fonction de la hauteur de prélèvement

3 – Développement et optimisation des méthodes d’essai

Nous disposons d’un essai d’expansion résiduelle pour les structures atteintes par la RAG (mlpc n°44). Des résultats récents laissent à penser que la phase d’immersion de cet essai provoque un lessivage des alcalins dont l’impact n’a pas été clairement caractérisé. Des essais ont été mis en œuvre pour vérifier les premiers résultats obtenus, pour identifier l’impact d’un éventuel lessivage en fonction de paramètres liés à la formule du béton (teneur en alcalins, réactivité des granulats) et à ses propriétés de transfert.

En ce qui concerne la RSI, il existe deux méthodes d’essai. La méthode d’essai n°66 dont l’objectif est de qualifier un couple « traitement thermique & échauffement » vis-à-vis de la RSI et la méthode mlpc n°67 applicable à des carottes prélevées sur ouvrage en vue de quantifier un potentiel de gonflement résiduel. Pour la méthode mlpc n°66, des résultats d’essais croisés semblent montrer l’importance de l’hygrométrie du béton au cours du traitement thermique (simulation de l’échauffement du béton). Ce point est étudié dans la mesure où il constitue une voie d’amélioration importante. Enfin, au même titre que pour l’alcali-réaction (mlpc n°44), le risque de lessivage des alcalins et son impact sur la réponse de l’essai devront être caractérisés pour ces deux méthodes.

Résultats obtenus
L'objectif de ce sujet est de mettre en évidence le rôle de la lixiviation des alcalins sur le développement de la RSI. L'application de traitements thermiques longs à 70 et 80°C, sur des formulations de béton réactives et non réactives, avec différents modes de conservation en eau, n'a pas permis d'illustrer le rôle de la lixiviation des alcalins sur la cinétique de développement de la RSI. Seule l'application d'un traitement thermique long à 80°C sur la formule réactive déclenche des expansions significatives, mais sans distinction selon le mode de conservation.

D’autre part, l'absence de renouvellement d'eau engendre une lixiviation des alcalins plus importante à terme et par conséquent une conductivité élevée. Avec renouvellements d'eau, les cinétiques de lixiviation peuvent être élevées les premières semaines de suivi mais il y a ensuite stabilisation des échanges ioniques. L'origine de cette stabilisation n'a pas été déterminée : équilibre ionique en solution ou arrêt de la lixiviation par épuisement de la ressource en ions ?

Par ailleurs, avec renouvellements d'eau, il a été constate des phénomènes de re-alcalinisation du béton en ions Na+ avec le traitement long à 70°C et les formules témoins. L'application d'un traitement thermique court à 80°C engendre des expansions plus lentes que par l'intermédiaire d'un traitement long, mais l'influence de la lixiviation des alcalins sur la cinétique de développement des expansions n'est pas probante pour le moment. La lixiviation des ions K+ est plus importante avec renouvellements d'eau sans pour autant qu'une influence quelconque soit détectée sur les expansions du béton.
Les différentes fréquences de renouvellement d'eau ne permettent donc pas de confirmer qu'une lixiviation plus importante des alcalins engendre des expansions plus importantes.

Nous pouvons toutefois confirmer, que limiter la lixiviation des alcalins par le biais d'un mortier d'étanchéité, permet de ralentir les gonflements.
A l'analyse des dosages alcalins effectues en solution, il semble que la nature du traitement thermique (durée de traitement et température atteinte) ait plus d'influence sur les quantités d'ions lixiviés que la fréquence des renouvellements d'eau.

4 – Développement de codes de calculs aux éléments finis

Dans ce sujet s’intègre les travaux visant à compléter le code de calcul CESAR-LCPC pour prendre en compte les spécificités des phénomènes étudiés dans les sujets 1 et 2 de l’opération.

Dans le cadre d’un contrat de courte durée de type post doctorat, les codes de calcul disponibles sous CESAR-LCPC sont adaptés pour prendre en compte l’ensemble des données acquises au cours des travaux de thèse de R-P Martin.
De plus, des modifications sont apportées aux codes de calcul de CESRA-LCPC pour prendre en compte l’impact des phénomènes de gonflement sur le fluage et la libération des contraintes. Ce programme fait l’objet d’un financement par le bureau d’études STUCKY.

Enfin, ce sujet est l’occasion d’une première prise en main des modules développés sous CESAR-LCPC (RGIB et ALKA) par le CETE Ouest dans le cadre d’expertises sur ouvrages d’Art en compagnonnage avec l’IFSTTAR.

Résultats obtenus
Le module RGIB actuel permet de fournir aux gestionnaires d’ouvrages un outil permettant d’évaluer l’ampleur des conséquences présentes et futures du gonflement du béton en terme de sécurité et durabilité des structures. Il permet également de fournir une aide dans le choix des méthodes de traitement des ouvrages atteints de cette pathologie. En effet, Le couplage entre le champ de température et d'humidité de la structure, l’évolution de la température au jeune âge du béton et les cinétiques de la réaction sulfatique interne, associé aux nombreuses possibilités de conditions aux limites qu'offre le module DTNL, permet de simuler une large gamme de solutions de traitement des structures affectées par cette pathologie dans des projets de réparation (Figure 4).

Figure 4. Exemple de résultat de calcul avec les modules TEXO et RGIB

D’autre part, la version actuelle de ce module comporte l’intégration de quelques lois de couplages qui permettent d’élargir le module et de tenir compte de plusieurs paramètres intrinsèques et extrinsèques qui peuvent influencer la cinétique de la réaction sulfatique interne. Parmi ces lois de couplages nous citons :

  • Potentiel de gonflement – histoire thermique au jeune âge,
  • Degré de saturation – expansion de RSI,
  • Contrainte – Anisotropie du gonflement,
  • Endommagement – Avancement réaction,
  • Retrait – Degré saturation,
  • Fluage,
  • Calcul des structures présentant des discontinuités (éléments de contact) (Figure 5).
Figure 5. Modélisation de la création d’un trait de scie dans un barrage atteint de RAG

Malgré l’intégration de toutes ces lois de couplages dans le module RGIB, ce dernier pourra être encore amélioré pour une modélisation plus réaliste des structures atteintes de RGI. En effet, le travail futur consistera plus particulièrement à intégrer l’effet de quelques phénomènes sur l’évolution des cinétiques de gonflement du béton. Dans ce contexte, il est notamment envisagé de :

  • modéliser le couplage mécanique-hydrique pour chaque incrément (calcul hydrique puis mécanique puis hydrique,…jusqu’au dernier incrément).
  • modéliser le couplage RAG-RSI car plusieurs structures peuvent être atteintes à la fois de RAG et RSI.
  • prendre en compte la lixiviation des alcalins dans la modélisation de la RSI.

Partenariats

STUCKY, ALPIQ, IRSN, EDF, LMDC, Université de Sherbrooke, CETE de Lyon, CETE Nord Picardie, CETE Ile de France, CETE Ouest, GeM St-Nazaire,

Produits principaux

  • Rapport final - thèse sur l’étude du risque du développement d’une réaction sulfatique interne et de ses conséquences dans les bétons de structures des ouvrages nucléaires.
  • ERLPC - thèse sur l’étude expérimentale des effets mécaniques de la réaction sulfatique interne – Thèse IFSTTAR/EDF.
  • Base de données sur les effets mécaniques de la Réaction Sulfatique interne.
  • Base de données pour le développement de modèles (chimiques et mécaniques) dédiés aux phénomènes de gonflement.
  • Avancée de recherches pour la révision des méthodes d’essai LPC 44, 66 et 67 vis-à-vis de la RAG et de la RSI.
  • Mise au point d’une campagne expérimentale dans le cadre d’une thèse dédiée au gonflement des structures dû un échauffement tardif et/ou de longue durée.
  • Nouveaux modules de CESAR-LCPC pour le recalcul d’ouvrages avec rajout de nouvelles fonctionnalités pour des simulations plus réalistes des ouvrages atteints de RGI.
  • Rapports sur l’application du module RGIB à plusieurs structures atteintes de RGI.
  • Rédaction de plusieurs publications de Rang A et des rapports d’étapes.