APProche Intégrée expérimentale/numérique et multi-niveaux pour le Développement Durable

Nouveaux matériaux et nouveaux outils prédictifs pour des structures à faible impact environnemental et à haute durabilité

Responsable

Véronique Baroghel-Bouny (Ifsttar/MAST/FM2D)

Enjeux et objectifs

Le champ d’action de ce projet entre dans la thématique "construire la ville durable". Il concerne la durabilité des matériaux de construction et de réparation, ainsi que la prédiction de la durée de vie des structures les utilisant.

L'intégration du développement durable dans la démarche de formulation des matériaux et de conception des structures (de génie civil ou de bâtiment) constitue désormais une priorité, et suppose un virage ou au moins une adaptation importante des méthodologies existantes.

Face aux enjeux environnementaux, économiques et de sécurité que représente la maîtrise de la durabilité (et des risques) dès la conception des structures et tout au long de leur vie, l'objectif ici est d'abord de comprendre puis de prédire le comportement à long terme des matériaux utilisés. Il s'agit notamment de nouveaux matériaux, tels que les bétons environnementaux (à faible empreinte CO2 et/ou issus du recyclage), ceux issus de la nouvelle chimie des systèmes cimentaires ou non (par ex. géopolymères), ou encore les différents matériaux composites utilisés dans le domaine de la construction ou de la réparation (par ex. associations béton - mortier de réparation), soumis à divers agents agressifs issus de l'environnement (eau, ions tels que chlorures, alcalins ou sulfates, CO2, ...) et/ou à des conditions particulières de conservation/stockage (agressions chimiques spécifiques, fortes températures ou pressions).

En effet, le développement de l’usage de nouveaux matériaux ne doit pas se faire au détriment de l'ensemble qualité / durabilité / cycle de vie global de la structure concernée.

L'approche adoptée dans cette opération de recherche sera une approche intégrée expérimentale/numérique, multi-échelles (nano-micro-macro) et multi-niveaux (de sophistication). Des outils utilisables en laboratoire et in situ, destinés à l'ingénieur et au chercheur, et notamment une plateforme de modélisation les regroupant, seront développés sur la base de cette approche.

Une attention particulière sera portée aux :

  • interactions fluide-matrice (par ex. capacité de fixation de l'eau, du CO2, ou des ions chlorures, alcalis et sulfates) et aux zones interfaciales (pâte-granulat, matrice-fibre, béton-armature, substrat - mortier de réparation, béton de peau - environnement, ...),
  • couplages des processus (par ex. : transport d'humidité - transport d'ions - carbonatation, pénétration simultanée d'ions chlorures et sulfates, transport - réactions chimiques, transport - déformations, ...),
  • conséquences des conditions de conservation & cure / sollicitations au jeune âge sur le comportement à long terme (par ex. dessiccation précoce des matériaux cimentaires, particulièrement préjudiciable dans le cas des systèmes à forte teneur en additions minérales),
  • interactions entre chimie, physique et également mécanique par le biais de la fissuration, susceptibles d'intervenir au jeune âge ou à long terme,
  • structures composites (multi-couches) pour ce qui concerne la durabilité et l'approche performantielle, avec par exemple les structures béton avec enduite de façade, l'isolation thermique par l'extérieur et les réparations.

Partenariats

  • Marie Curie Initial Training Networks (MC-ITN) MC-ITN TRANSCEND (2010-2014)
  • NanoCem European Consortium (par ex. EPFL (Suisse), Univ. de Lund (Suède), Univ. de Leeds (UK))
  • Equipex Sense-City (2011-2020)
  • Projet ANR ECOREB (ECOconstruction par le REcyclage du Béton) (2012-2015)
  • PN PERFDUB (Approche performantielle de la durabilité des ouvrages en béton)
  • PN GEDI (GEstion Durable des Infrastructures)
  • GeM, LERM, Ecole des Mines (Paris & Nantes), SETRA et CSTB

Sujets proposés

  1. Caractérisation et modélisation du transport couplé multi-espèces (eau, CO2, ions) et des réactions chimiques dans les matériaux de construction (éventuellement fissurés), ainsi que des dégradations associées
  2. Couplage hydratation-transport dans les matériaux cimentaires ou les systèmes composites au jeune âge. Application à la réparation des structures et à la construction des dalles de sol de bâtiment
  3. Fixation du CO2 en conditions extrêmes. Application à la carbonatation des matériaux à très faible teneur en portlandite
  4. Durabilité des bétons environnementaux : influence des additions, des fibres et des granulats (par ex. recyclés)
  5. Durabilité des géopolymères et autres (nano)composites
  6. Conception de bétons environnementaux à durabilité prédéfinie : approche intégrée expérimentale/numérique
  7. Comportement des nouveaux bétons à haute température
  8. Initiation de la corrosion des armatures dans le béton armé en milieu marin
  9. Vers un optimum "matériau" entre performance énergétique (propriétés thermiques) et durabilité (propriétés de transport de masse) pour les bâtiments
  10. Contrôle non destructif des structures en béton - Nanocapteurs immergés de pH et d'humidité et autres techniques

Produits principaux visés

Les produits de cette opération de recherche seront des matériaux nouveaux, des méthodes d'essais, des normes, des outils d'aide à la conception et des méthodologies (par exemple, Recommandations complémentaires au guide AFGC "Indicateurs de durabilité" pour les matériaux non couverts par ce guide tels que bétons à fort volume de pâte (BAP), bétons avec granulats particuliers (recyclés, légers, SAP, poreux ou de faibles dimensions) et géopolymères).

Une plateforme de modélisation multi-niveaux utilisable aussi bien dans la pratique (modèles simples dédiés aux études et expertises) que pour la recherche (modèles explicatifs plus sophistiqués) sera constituée.

De même, un panel "d'indicateurs de développement durable" sera proposé (élargissement du panel initial d'indicateurs de durabilité).

Compte tenu de la nouveauté des sujets traités, ces recherches pourront donner lieu à la fois à des brevets et à des publications scientifiques.