Chemo-mechanical modeling of low-pH concretes: Application to the calculation of storage facilities for radioactive waste
Modélisation chemo-mécanique du béton bas-ph : application au calcul des structures de stockage des déchets radioactifs
Résumé
The purpose of this work concerns to design a tool able to simulate the chemo-mechanical behavior of low-pH concretes used in radioactive waste storage, from early age to a long-term. This tool consists of a phenomenological hydration model and an original chemical evolution model. The first model is used for short-term. It can predict the development of hydration at early age and its consequences. But taking into account that this model has been developed for applications at a young age, it is based on a fixed stoichiometry of hydrates and does not take into account the specificities of low-pH
cements (chemical evolution at the long-term by reaction of residual silica). Thus, a chemical evolution model at the long-term is proposed. This model is based on a variable stoichiometry of hydrates. For this, it uses the calcium mass balance for describing calcium exchange between the various hydrates and anhydrous. This equation includes the kinetics of exchanges which are based on the difference in the thermodynamic equilibrium, of the microstructure and temperature. Finally, a coupling with mechanical properties evolution was performed to simulate the mechanical behavior of the radioactive waste storage facility.
L’objectif de ce travail de thèse était de concevoir un outil capable de simuler le comportement chemo-mécanique des bétons bas-pH employés dans les structures de stockage des déchets radioactifs, du jeune âge à très long-terme. Cet outil est constitué d’un modèle d’hydratation phénoménologique et d’un modèle d’évolution chimique original. Le premier modèle est utilisé à court-terme. Il permet de prédire le développement de l’hydratation au jeune âge et ses conséquences. Mais compte-tenu que ce modèle a été développé pour des applications au jeune âge, il est basé sur une stoechiométrie fixe des hydrates créés et ne permet pas de prendre en compte les spécificités des liants bas-pH (évolution chimique à long-terme par réaction de la silice résiduelle). Ainsi, un modèle d’évolution chimique adapté pour prédire l’évolution chimique à long-terme est proposé. Ce modèle « long-terme » est basé sur une stoechiométrie évolutive des hydrates. Pour cela, il utilise l’équation de conservation de la masse calcium, qui permet de décrire les échanges de calcium entre les différents hydrates et anhydres. Cette équation intègre les cinétiques d’échanges qui sont fonction de l’écart à l’équilibre thermodynamique, de la microstructure et de la température. Enfin, un couplage de l’évolution chimique et l’évolution des propriétés mécanique a été effectué dans le but de simuler le comportement mécanique de la structure de stockage des déchets radioactifs.
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