Modélisation et simulation des effets mécaniques d'expansions internes dues à la corrosion d'inclusions métalliques dans des matrices cimentaires.

par Mohamed amine Benaimeche

Projet de thèse en Génie Civil

Sous la direction de Julien Yvonnet et de Qi-Chang Hé.

Thèses en préparation à Paris Est , dans le cadre de École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....) , en partenariat avec MSME - Laboratoire de Modélisation et Simulation Multi Echelle (laboratoire) et de Equipe de Mécanique (MECA) (equipe de recherche) depuis le 01-10-2018 .


  • Résumé

    Ce sujet de thèse s'intéresse à l'étude de l'évolution de la tenue mécanique de colis de déchets cimentés contenant des inclusions de graphite, ainsi que des inclusions d'uranium métal en faible quantité. On observe que ces inclusions métalliques en environnement cimentaire se corrodent, provoquant notamment la formation de produits fortement expansifs pouvant potentiellement entrainer une microfissuration du matériau préjudiciable pour le comportement du colis. On se propose alors dans un premier temps de mettre en place une modélisation basée sur des approches multi-échelles pour estimer les propriétés mécaniques viscoélastiques macroscopiques du matériau soumis au développement d'expansions internes liées à la corrosion de ces inclusions. Cette modélisation prendra en compte les principales hétérogénéités du matériau, ainsi que les interfaces entre inclusions et matrice et leur potentielle décohésion. La modélisation des transformations de phase métal /oxydes sera investiguée. En parallèle, une approche numérique 3D sera utilisée afin de simuler le comportement d'échantillons représentatifs du matériau. Plusieurs aspects seront investigués notamment les effets de la forme et de l'arrangement spatial des inclusions et des phases expansives sur la réponse mésoscopique et sur l'initiation et la propagation de la microfissuration. En outre, nous proposerons de modéliser l'endommagement de la matrice par la méthode de champ de phase appliquée aux microstructures 3D. Ces études permettront de caractériser et identifier le modèle macroscopique qui sera utilisé pour la simulation et l'analyse de la réponse mécanique à long terme des colis.

  • Titre traduit

    Modeling and simulation of the mechanical effects of internal expansions due to the corrosion of metallic inclusions in cementitious matrices.


  • Résumé

    This research work focuses on the study of mechanical behavior of a heterogeneous materials containing nuclear wastes, in particular graphite and metal uranium inclusions. We observe that metallic inclusions develop a corrosion products (rust layer) highly expansive in contact with water in the cement matrix. This rust layer could generate a prejudicial microcracks in the cement matrix and affect the global behavior of the heterogeneous structure. At first, we propose in this work to develop an analytical model to estimate the viscoelastic mechanical properties of a representative elementary volume subject to the internal expansion of the corrosion product. This model takes into account different shapes of inclusions and their volume fraction as well as the interfaces between different inclusions and the matrix and the possibility of their separation. Secondly, we focus on the numerical modeling of 3D microstructures to validate our analytical approaches, we investigate the effect of the orientation of inclusions and their distribution on the global behavior and the initialization of cracks. In addition, the matrix damage will be modelled with the phase field method applied on 3D microstructures. These studies allow the characterization of the macroscopic model which will be used in the simulation at long term.