Vieillissement du béton de chaux: évaluation en vue de son renforcement par injection de coulis au niveau de fondations en milieu aquatique

Topic description De nombreux ouvrages sont fondés sur des sols en milieux aquatiques comme les piles de ponts (notamment ferroviaires) construits au début du 20ème siècle. Le béton constitutif de ces fondations de piles de pont est le plus souvent du béton de chaux qui n’est plus utilisé à l’heure actuelle. Des prélèvements effectués sur ce matériau dans des études assez anciennes et peu nombreuses, montrent qu’il subit une dégradation au cours du temps via des phénomènes de dissolution ce qui entraine la formation de fissures et cavités qui menacent l’intégrité de la structure sus jacente à la fondation. Le contexte particulier des fondations des ponts dans un environnement subaquatique est propice à ce mode de dégradation, dégradation impactée par le changement climatique avec la succession de sécheresses (déshydratation/séchage) et de crues (érosion) plus intenses et plus fréquentes. Selon SNCF Réseau, on estime qu’en France plus de 70 % des fondations des ouvrages de type fondations en milieu aquatique seraient concernées par des phénomènes de dégradation entrainant l’apparition de vides ou de porosité. Pour illustration, sur les ouvrages ferroviaires d'Île-de-France, ont été construits avant et ont été réalisés selon des techniques intégrant le béton de chaux, ce qui représente un travail important en terme de surveillance et d’organisation de chantiers de confortement. Pour éviter ou réduire le risque de tassement ou d'effondrement de l’infrastructure soutenue par la fondation en béton de chaux concernée par des phénomènes de dégradation, une maintenance avec des traitements préventifs ou curatifs par injection est nécessaire. Ces diagnostics et traitements permettent de réduire à terme le risque d'interruption sur une longue période des lignes de transport lorsque l’ensemble de l’ouvrage doit être réparé et de réduire par conséquent les coûts associés à de telles réparations ou associés à l’impact sur la mobilité des biens et des personnes notamment dans les régions densément peuplées comme l’Ile de France. Or les traitements par injection de coulis sont actuellement réalisés avec des coulis de ciment (mais aussi possiblement des gels ou de résines) qui constituent des techniques de renforcement/étanchement des sols/structures en place très utilisées dans le domaine du génie civil. Dans le cas du béton de chaux, des traitements par injection de coulis de ciment à base de clinker et de laitier de hauts fourneaux sont réalisés couramment mais ces traitements restent relativement difficiles à contrôler et leur efficacité reste complexe à évaluer faute d’une bonne visualisation 3D de la structure en béton à traiter. De plus la localisation du coulis injecté reste complexe compte tenu de l’absence de méthode adaptée pour vérifier et leur localisation et la prise cimentaire effective post injection, excepté par des techniques destructives comme un recarottage. Objectifs de la thèse En approfondissant les connaissances sur la durabilité du béton à base de chaux et sa dégradation dans différents environnements (en particulier en milieu subaquatique avec cycles d’humidification/dessiccation possibles, compte tenu des variations climatiques), le projet vise à élaborer une méthodologie d’étude des fondations anciennes. Cette méthodologie permettra de formuler des recommandations aux ingénieurs concernant le diagnostic des fondations puis le choix d’un coulis d’injection adapté et compatible pour une réparation efficace. Aussi ce travail poursuivra un double objectif : une approche multi-échelle du béton de chaux et de l’évolution de ses propriétés lors d’altérations dans diverses conditions, notamment en milieu subaquatique y compris via de la modélisation; et la proposition d’un coulis compatible pour la réparation de massif de béton de chaux granulaire/fissuré via des techniques d’injection et l’étude de ces dernières pour optimiser les paramètres. Les étapes du travail de thèse - caractériser l’état de dégradation des bétons de chaux ancien via une collecte de matériau sur site pour élaborer une base de données couplant observations micro/macro et propriétés mesurées au laboratoire (micro/macrostructure, minéralogie, chimie, propriétés mécaniques globales et locales, nanoindentation et propriétés hydrauliques). Des recherches historiques sur le mode d’élaboration et de mise en œuvre du béton de chaux ancien complèteront cette étape de caractérisation, ainsi que la recherche des conditions de vieillissement sur site. Une modélisation hydro-mécanique-chimique couplée, pourra être explorée pour mieux appréhender la formation de fissures et de cavités dans les fondations en béton de chaux, modélisation alimentée et validée par une approche expérimentale en cellule de percolation, - formuler un coulis d’injection de réparation possiblement à base de chaux (sans clinker) compatible avec le matériau encaissant dégradé et définir les conditions/paramètres d’injection optimum (étude rhéologique et comportement des injections en milieu poreux). Le béton de chaux dégradé est considéré en effet à tort par les géotechniciens comme de simples massifs rocheux. Le matériau encaissant à base de chaux plus ou moins dégradée va avoir un impact fort sur la prise (durcissement) du coulis injecté et sa propension à remplir les vides dans la structure injectée. La compatibilité coulis/matériau encaissant est également gage d’une réparation de qualité, sans développement de pathologie secondaire rapprochée. Ce travail sera réalisé avec une cellule instrumentée d’injection de laboratoire (à coupler avec des observations par tomographie de RX, avec la caractérisation micro/macro des éprouvettes injectées post prise (dont des tests de cohésion d’interfaces via une boite de cisaillement) et des mesures non destructives (mesure de vitesse du son à confronter aux mesures potentiellement applicables sur site comme la tomographie sismique appliquée par des spécialistes, le challenge à cette échelle résidant dans la taille pluri-métrique des massifs de béton de chaux injectés à tester). Le doctorant sera amené à faire des visites de sites appartenant à SNCF Reseau pour mieux appréhender la problématique de terrain et guider la collecte de matériaux d’étude pour alimenter les recherches engagées. Valorisation scientifique Des publications dans des revues scientifiques ainsi que dans des congrès seront effectués au cours du travail de thèse. Ces travaux de recherche seront utilisés par la profession dans le domaine du renforcement des fondations anciennes mais aussi des méthodes d’injection adaptées aux spécificités des sites ainsi des méthodes de diagnostic. Starting date -10-01 Funding category Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant) Funding further details