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 545 ouvrages ferroviaires d'Île- de-France, 246 ont été construits avant 1900 et 222 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 actuellement réalisés sont 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 de plus en plus utilisée 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 de la localisation des injections et de méthode adaptée pour vérifier une prise cimentaire effective compte tenu des possibles effets de filtration lors de l’injection.

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, inspirée des recherches approfondies sur la maçonnerie aérienne. Cette méthodologie permettra de formuler des recommandations aux ingénieurs concernant le choix d’un coulis adapté et compatible pour une réparation efficace. Aussi ce travail poursuivra un double objectif : (1) 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 ; (2) un développement numérique, par modélisation hydro- mécanique-chimique couplée, pour une meilleure compréhension de la formation de fissures et de cavités dans les fondations en béton à la chaux.

Les étapes du travail de thèse

(1) caractériser l’état de dégradation des bétons de chaux via une collecte de matériau sur site pour élaborer une base de données couplant images macro/micro et propriétés associées - plusieurs méthodes d’apprentissage pourront être testées pour améliorer les méthodes de prévision). Des recherches historiques sur le mode d’élaboration et de mise en œuvre du béton de chaux ancien complèteront cette étape de caractérisation. Si les ouvrages de maçonnerie aérienne incorporant des bétons romains à base de chaux vive et de pouzzolane rassemblent une communauté de chercheurs du patrimoine à haute valeur culturelle, les matériaux de fondations « cachées » enterrées / immergées assurant la pérennité des ouvrages restent peu étudiés. Mieux appréhender le passé permettra également de préparer l’avenir dans un contexte de construction bas carbone.

(2) formuler un coulis d’injection de réparation à base de chaux (sans clinker) compatible avec le matériau encaissant dégradé et définir les conditions/ paramètres d’injection optimum (étude rhéologique et propriétés des injections en milieu poreux). En effet, le béton de chaux immergé subit une altération lente via le passage de l’eau, formant fissures et cavités représentant une menace pour la structure. Or ces matériaux sont considérés à tort par les géotechniciens comme de simples massifs rocheux sans autres spécificités. 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 gage d’une réparation de qualité et qui ne serait pas l’origine de pathologie secondaire.

En fonction des opportunités de chantier, le doctorant pourrait participera aux phases de diagnostic et de réparation des fondations ainsi qu'à la validation d'une méthode de diagnostic non destructive comme la tomographie sismique pour vérifier que les injections de réparation sont efficaces (localisation et prise hydraulique) pour éviter de nouvelles interventions.  

Valorisation scientifique

Des publications dans des revues scientifiques ainsi que dans des congrès seront effectués au cours du travail de thèse. Une partie des données expérimentales et numériques de ce projet seront publiées sous forme de Datapaper et seront diffusées à la communauté scientifique. Ces travaux de recherche seront utilisés par la profession dans le domaine du renforcement des fondations anciennes et sur les méthodes d’injection adaptées aux spécificités des sites ainsi que les méthodes de diagnostic. C’est le cas notamment pour SNCF Reseau qui pourra fournir des cas d’étude et des matériaux de site pour alimenter les recherches engagées.