Étude expérimentale et modélisation des effets de la précontrainte sur le développement des réactions de gonflement interne des bétons

Les réactions de gonflement interne (RGI), réaction sulfatique interne (RSI) ou réaction alcali-granulats (RAG) peuvent se développer dans le temps dans les structures massives en béton comme les enceintes de confinement des réacteurs nucléaires. Ces réactions physico-chimiques provoquent une expansion du béton conduisant à sa fissuration. 

Pour améliorer leur capacité résistante et leur étanchéité, les enceintes de confinement sont précontraintes biaxialement à l'aide des câbles en acier. L'état de contrainte de compression biaxiale engendre des déformations différées de fluage dans le béton et limite les expansions des RGI dans les directions chargées. L'évolution des déformations dans la 3ème direction, libre de chargement, est en revanche peu étudiée. 

L'objectif de cette étude est de caractériser les évolutions dans le temps des déformations suivant les directions chargées et libres de bétons susceptibles de développer des RGI. 

Ce travail de recherche, réalisé dans le cadre du projet européen H2020/ACES et du consortium CONCRETE, s'appuie sur un programme expérimental dans des conditions représentatives de celles des enceintes de confinement pour fournir des données représentatives de la situation opérationnelle, afin de mieux appréhender les phénomènes et d'améliorer les modèles de simulations numériques disponibles. 

Plusieurs configurations de chargement sont réalisées avec des cas de chargement de compression uniaxiale et biaxiale avec des contraintes de 8,5 MPa et 12 MPa correspondant à celles induites dans les enceintes de confinement. Deux températures sont également appliquées, à savoir 20°C température de référence, et 38°C température représentative de celle du fonctionnement des enceintes et qui permet d’accélérer les phénomènes de fluage et des pathologies. Huit bâtis de fluage biaxial ont été conçus pour appliquer un état de contrainte de compression biaxiale. 

Compte tenu de ces conditions d'essais et de la fiabilité requise durant la longue durée des essais, le choix du système d'extensométrie s'est porté sur la mesure par fibre optique. Les mesures sont ensuite analysées et des simulations avec le modèle de couplage fluage/RGI sont réalisées pour vérifier la capacité de ce dernier à reproduire les comportements observés. 

Quatre bétons ont été testés : une formulation B11 représentative de celle des enceintes, le même béton B11 + TT ayant subi un traitement thermique à 80°C au jeune âge pour initier la RSI, une formulation T11 avec granulats potentiellement réactifs vis-à-vis de la RAG, et la même formulation T11 + TT avec traitement thermique similaire au B11 + TT pour développer la RSI en complément de la RAG. Les essais réalisés dans le cadre de ce travail ont permis une caractérisation complète du comportement de fluage d’un béton témoin sans pathologie et conservé en immersion. 

L’analyse numérique réalisée sur ces résultats ont montré la capacité d’un modèle poro-mécanique, considérant le couplage entre déformation hydrique et fluage, à prédire le fluage en condition biaxiale à 20 et 38 °C à partir des données de gonflement hydrique aux deux températures et du fluage uniaxial à 20 °C. 

Cette étude a également apporté des résultats originaux sur le développement de la RSI dans des bétons à différentes températures et sous contrainte. A 20 °C, toutes les éprouvettes ont montré des gonflements dans les directions libres de contraintes. A 38 °C, seules les éprouvettes avec les états de contraintes les plus forts ont montré des expansions dans les directions libres. Ce béton a montré un fluage plus important que le béton B11. 

Concernant les bétons atteints de RAG ou par le couplage de la RAG et de la RSI, la fissuration progressive a conduit à des difficultés dans l’évaluation des expansions par fibre optique. Finalement, une première analyse numérique du couplage entre fluage et RSI a été proposée. Elle suggère une dépendance de la porosité connectée aux sites réactifs à l’état de contrainte dans le béton.