Soutenance de thèse : Sofiane Ait Hamadouche

Développement d'une méthode diélectrique RF pour le suivi de l'hydratation des matériaux cimentaires

Le contrôle santé intégré, ou SHM (Structural Health Monitoring), appliqué au génie civil (GC) et consistant à suivre, au moyen de capteurs, l’évolution des caractéristiques THMC (thermiques, mécaniques, hydriques et chimiques) des matériaux cimentaires est un moyen de contribuer à l’analyse de la sûreté des ouvrages, à l’amélioration de leur maintenance et à l’optimisation de leur durée de vie.
S’agissant d’ouvrages en béton, la caractérisation hydrique est particulièrement importante car l’eau agit sur les propriétés mécaniques et l’apparition de pathologies telles que la corrosion ou l’agression chimique. C’est dans cette optique que s’inscrit cette thèse portant sur le développement d’une méthode de suivi de l’hydratation du ciment bombinant mesures électromagnétiques radiofréquences et modélisation diélectrique multi-échelle. Suivre le processus d’hydratation du ciment (réaction chimique entre le ciment et l’eau) c’est suivre le développement de la microstructure du matériau au jeune âge, lequel est responsable du développement des propriétés mécaniques du matériau. D’où l’importance d’un tel suivi. Les méthodes historiques utilisées à cette fin sont calorimétriques : elles reposent sur la mesure de la chaleur dégagée par la réaction. Leur inconvénient est d’être destructives. Or, il serait utile de disposer d’une méthode non destructive, applicable in situ (i.e. sur des ouvrages). Pour cela les mesures électromagnétiques RF paraissent pertinentes. En effet, la grandeur intermédiaire mesurée, à savoir la permittivité diélectrique du matériau cimentaire, dépend fortement des caractéristiques hydriques, rendant les mesures diélectriques fortement sensibles à ces dernières. En outre, il est possible de réaliser des mesures RF non destructives grâce à des sondes de réflectométrie, c.a.d. mesurant le coefficient de réflexion des ondes à l’interface sonde matériau sous test. Telle est l’approche instrumentale que nous adoptons.
Instrumentation allant de pair avec la modélisation − si l’on veut pouvoir interpréter les mesures et progresser dans la compréhension des phénomènes en jeu (ici l’hydratation) −, outre le développement d’un approche expérimentale, cette thèse s’attache à modéliser les variations de la permittivité diélectrique du ciment en cours d’hydratation.
Nous développons donc une approche de réflectométrie RF, large bande (50 MHz-3 GHz) afin d’enrichir les données mesurées. Ceci recouvre notamment la conception et le dimensionnement de sondes à effet de bout, la conception d’un banc de mesure et d’une méthode de calibration adaptée aux matériaux visés. L’approche est appliquée au suivi, sur 28 jours, de l’hydratation d’échantillons de pâte de ciment dans différentes conditions initiales (ratios eau/ciment). D’autre part, à titre de comparaison, nous appliquons une méthode standard de calorimétrie isotherme pour suivre le degré d’hydratation.
Côté modélisation, nous développons une approche multi-échelle afin de prédire la permittivité diélectrique d’une pâte de ciment en fonction de son degré d’hydratation. Nous utilisons des simulations de dynamique moléculaire (échelle microscopique) notamment pour tenir compte de la dispersion en fréquence due à l’eau confinée dans le C-S-H (silicates de calcium hydratés). Obtenant ainsi des données que nous exploitons dans un modèle d’homogénéisation afin d’estimer la permittivité du gel de C-S-H à l’échelle mésoscopique. Puis, via un second modèle d’homogénéisation, nous passons à l’échelle macroscopique de la pâte de ciment.
Enfin, nous confrontons données expérimentales et modèle, lesquelles s’avèrent en bon accord sur la
bande de fréquence considérée.

Le jury sera composé des membres suivants :

• Ouali AMIRI, Professeur des universités, Nantes Université, Rapporteur.
• Pierre SABOUROUX, Maitre de conférences HDR, Aix Marseille Université - Institut Fresnel, Rapporteur.

• Jean-François LATASTE, Professeur des universités, Université de Bordeaux, Examinateur.

• Avelines DARQUENNES, Professeure des universités, INSA Rennes, Examinatrice.

• Pierre-Yves JOUBERT, Professeur des université, Université Paris-Saclay, Examinateur.

• Frédérice TAILLADE, Chercheur sénior HDR, EDF, Invité.