Recherche & Innovation : la FNTP s’engage pour l’avenir des infrastructures

Collaboration : Eiffage Génie Civil, le laboratoire GeM (Centrale Nantes) et le Comité Matériaux de la FNTP

Mots clès : Matériaux, bas carbone, Milieux poreux, Auto-cicatrisation, Transferts, Etanchéité

Dans un contexte de dérèglement climatique, le secteur de la construction est appelé à mettre en œuvre des solutions ambitieuses pour réduire ses émissions de gaz à effet de serre tout en s’adaptant à de nouvelles contraintes. L’approvisionnement en eau potable constitue un enjeu majeur, notamment pour les ouvrages de production, de traitement et de stockage, largement construits à partir de matériaux cimentaires.
Le recours à des liants à faible empreinte carbone ouvre des perspectives intéressantes, mais soulève également des questions sur leur durabilité, en particulier dans les environnements hydrauliques où l’étanchéité des structures est critique. La fissuration, phénomène fréquent dans les ouvrages en béton, doit être maîtrisée pour préserver leurs performances mécaniques et leur imperméabilité, notamment dans les réservoirs ou enceintes de confinement.
Ces dernières années, la capacité d’auto-cicatrisation des matériaux cimentaires – leur aptitude à refermer spontanément les fissures – a fait l’objet de nombreuses recherches. Elle est principalement liée à la précipitation de nouvelles phases solides au sein des fissures. Les résultats obtenus montrent que ce phénomène peut contribuer à une amélioration de la durabilité, mais ses mécanismes dépendent de nombreux paramètres : âge du matériau, nature du liant, conditions mécaniques et environnementales, notamment l’agressivité chimique de l’eau.

Cette thèse vise à évaluer le potentiel d’auto-cicatrisation de matériaux cimentaires intégrant des additions minérales à faible empreinte carbone. L’objectif est de mieux comprendre leur comportement à long terme dans des ouvrages de génie civil de l’eau, exposés à des conditions complexes (variations de pH, ions agressifs, fissuration).

Le travail portera notamment sur :

• la caractérisation physico-chimique et mécanique des matériaux auto-cicatrisants,
• l’analyse des performances d’étanchéité dans des conditions simulées d’exploitation,
• la définition d’un essai représentatif pour modéliser le comportement des structures fissurées.

L’ambition est de proposer des recommandations pour l’intégration de ces matériaux dans les pratiques de conception et de maintenance des infrastructures hydrauliques, en lien avec les enjeux de durabilité et de transition écologique.

Collaboration : La Société TRACTEBEL, École des Ponts ParisTech, Terrassiers de France, Comité Sols de la FNTP

Mots clès : Cycles humidification/séchage, Digues, Stabilité des ouvrages, Talus, Durabilité

Dans une logique de sobriété environnementale et d’optimisation des ressources locales, le recours aux sols en place pour la réalisation d’infrastructures géotechniques — telles que digues, remblais ou routes — s’impose de plus en plus. Toutefois, les sols naturels présentent souvent des caractéristiques mécaniques insuffisantes pour répondre aux exigences de stabilité, de durabilité ou de perméabilité imposées par les ouvrages, notamment dans le domaine hydraulique.
Le traitement des sols fins à la chaux ou aux liants hydrauliques, déjà éprouvé en infrastructures routières et ferroviaires, constitue une solution performante mais encore peu appliquée aux digues immergées, notamment maritimes. Ces ouvrages sont soumis à des sollicitations mécaniques et environnementales complexes : cycles d’humidification/séchage, charges variables, contraintes de stabilité et d’étanchéité, exposition à la salinité…

La compréhension fine du comportement à long terme des sols traités, soumis à ces sollicitations couplées, devient donc cruciale pour garantir la pérennité de ces ouvrages.

Cette thèse vise à étudier le comportement hydromécanique des sols traités à la chaux ou aux liants hydrauliques, dans des conditions représentatives de digues immergées, afin d’en caractériser les performances à long terme et d’en déduire des recommandations opérationnelles.

L’étude portera en particulier sur :

• Le comportement mécanique et hydraulique initial de deux types de sols (sol A2 et craie) traités à différents dosages,
• L’endommagement sous sollicitations mécaniques et cycles d’humidification/séchage,
• L’évolution de la microstructure et de la perméabilité en conditions dégradées,
• Le couplage entre contraintes mécaniques et transferts hydriques, incluant l’effet de la salinité.

Les résultats permettront de mieux comprendre les mécanismes de dégradation et d’identifier des conditions optimales de mise en œuvre pour une utilisation durable des sols traités dans la construction et la maintenance des digues hydrauliques.

Collaboration : , le laboratoire LOMC (Université Le Havre), Comité Sols de la FNTP, Région Normandie

Mots clès : Parois moulées, Athologies géotechniques, Boue bentonitique, Interaction sol-fluide, Cake

Les parois moulées sont aujourd’hui largement utilisées pour la construction d’ouvrages géotechniques profonds, que ce soit pour les fondations, les soutènements ou l’étanchéité, dans des contextes urbains denses comme ceux du Grand Paris. Leur exécution obéit à des règles strictes définies notamment dans la norme NF EN 1538+A1 et le fascicule 68. Si la rentabilité de cette technique est reconnue, elle repose toutefois sur la réussite d’une mise en œuvre rigoureuse garantissant l’étanchéité et la qualité des surfaces excavées.

Cependant, des désordres localisés — tels que les pathologies de matelassage ou l’apparition d’armatures visibles à l’air libre — sont régulièrement constatés après excavation. Ces défauts remettent en question la durabilité des parois, augmentent les coûts de réparation, et posent un réel enjeu pour la profession. Le phénomène de matelassage, en particulier, reste mal compris malgré plusieurs décennies de recherche.

Un facteur central dans ce processus est la boue de forage utilisée pour stabiliser les tranchées. Son comportement rhéologique complexe, influencé par de nombreux paramètres (quantité d’argile, pH, température, type de bentonite, salinité, nature du sol excavé…), impacte directement l’efficacité du « cake de filtration » formé à l’interface sol-boue. La perméabilité du sol et sa granulométrie conditionnent également la formation du cake, qui joue un rôle essentiel dans la stabilité et la qualité de la paroi.

L’objectif principal de cette thèse est d’identifier les mécanismes responsables des pathologies observées dans les parois moulées, en lien avec le comportement des boues de forage à base de bentonite. Le travail visera à :

Analyser les interactions complexes entre sol, béton, armatures et boue de forage ;

• Étudier la formation du cake de filtration et son rôle dans la qualité d’exécution des parois ;
• Comprendre les conditions d’apparition des défauts de matelassage ;
• Caractériser les propriétés rhéologiques des boues selon les sols rencontrés et les paramètres d’injection ;
• Proposer une méthodologie expérimentale (boucle de filtration) et un modèle numérique d’écoulement des fluides dans milieu poreux.

Ce projet de recherche s’inscrit dans une démarche collaborative, avec le soutien de la FNTP, et vise à produire des recommandations concrètes pour limiter les pathologies liées aux boues bentonitiques et sécuriser l’exécution des ouvrages géotechniques profonds.

Collaboration : Soletanche Bachy International, Université d’Artois, Comité Sols de la FNTP

Mots clès : Parois moulées, Béton de fondation, Boue bentonitique, Cake de filtration, Interface béton/cake/sol

La réalisation des parois moulées constitue une étape critique dans la construction d’ouvrages souterrains profonds. Ces parois sont mises en œuvre en maintenant les tranchées noyées dans une boue bentonitique thixotrope, destinée à assurer leur stabilité avant bétonnage. Lors du coulage, le béton doit se substituer à la boue, en remontant à travers la cage d’armature et dans l’espace réduit entre la cage et le sol.
Cependant, des défauts récurrents sont observés sur les chantiers : à l’extérieur de la cage, le béton est souvent de moins bonne qualité, en raison de la présence résiduelle de boue emprisonnée, affectant la protection des armatures et la durabilité des ouvrages. Ce phénomène, associé à la formation de « cheminées de remontée d’eau », traduit une hétérogénéité de mise en œuvre encore mal comprise. Malgré le respect des normes NF EN 1538 et NF EN 206/CN, les désordres liés à la remontée incomplète du béton subsistent et posent un réel enjeu de performance pour les entreprises de fondation.
Comprendre les interactions complexes entre le béton, la boue et le sol à l’interface des parois est donc essentiel pour maîtriser ces pathologies et proposer des solutions robustes, validées à la fois en laboratoire et sur le terrain.

L’objectif de cette thèse est d’étudier en profondeur les mécanismes à l’origine des cheminées de remontée d’eau et d’identifier les paramètres influençant la qualité du béton à l’interface avec le sol et la boue. La recherche s’appuie sur un dispositif expérimental innovant développé au sein du LGCgE.

La thèse visera à :

• Analyser les interactions béton/boue/sol lors de la mise en œuvre ;
• Étudier la formation, la structure et les propriétés du cake bentonitique (perméabilité, viscosité, conductivité hydraulique) ;
• Caractériser les écoulements de l’eau à travers l’interface béton/cake/sol ;
• Identifier les effets du sol (nature, humidité), de la formulation du béton (rhéologie, prise retardée), et des conditions d’exécution ;
• Mettre au point un nouveau dispositif expérimental multi-échelle ;
• Établir des recommandations techniques fondées sur des essais en laboratoire et des observations terrain.

Ce travail est conduit en lien étroit avec la FNTP (Comité Sols) et l’entreprise Botte Fondations, avec l’ambition de fournir des outils pratiques pour fiabiliser la mise en œuvre des parois moulées dans les contextes exigeants.

Collaboration : SEFI-INTRAFOR, CY Fondation, L2MGC CY Cergy Paris Université, Comité Sols de la FNTP

Mots clès : Sol-ciment, Deep Soil Mixing (DSM), Bas Carbonne, Durabilité, Perméabilité, Vieillissement

Impact environnemental multicritère

Dans un contexte de transition écologique et de limitation des impacts environnementaux du secteur de la construction, les techniques de malaxage en place du sol (Deep Soil Mixing) apparaissent comme des solutions adaptées. En évitant l’excavation massive des terres, en réduisant les transports et en limitant la consommation de ressources naturelles, cette méthode contribue à la réduction de l’empreinte carbone des projets de fondation d’infrastructure.

Traditionnellement employé pour des ouvrages provisoires (écrans étanches, renforcements de sols), le sol-ciment issu du malaxage en place est envisagé pour des ouvrages permanents et structuraux. Cette évolution requiert une compréhension approfondie des performances mécaniques, hydrauliques et de durabilité de ces matériaux, ainsi qu’une maîtrise des formulations en fonction des types de sols et des liants utilisés.

Cette thèse a pour double ambition d’optimiser les formulations sol-ciment pour une meilleure performance et durabilité, tout en développant des outils de dimensionnement fiables pour les ouvrages réalisés in situ. Les principaux axes de recherche seront :

• Caractérisation des performances mécaniques, physiques (perméabilité) et de durabilité des mélanges sol-ciment, en tenant compte de la variabilité des sols et des conditions d’exécution ;
• Optimisation environnementale des formulations, en comparant différentes familles de liants (CEM III-C, CEM V, métakaolin) et en évaluant les bilans carbone par rapport à des solutions en béton classique ;
• Étude des adjuvants pour améliorer la rhéologie des mélanges argileux et réduire les besoins en eau ;
• Analyse physico-chimique des interactions eau–argile–liant pour prédire plus finement le comportement des mélanges ;
• Précision du dimensionnement, via l’étude des cinétiques d’évolution des propriétés mécaniques, de l’endommagement dans le temps et de la sensibilité aux variations de la nappe phréatique ;
• Validation terrain, grâce à des chantiers tests, avec essais mécaniques et de vieillissement sur corps d’épreuve issus de colonnes réelles (DSM), intégrant l’effet des hétérogénéités et des gradients thermo-hydriques.

Les résultats attendus devront permettre d’aboutir à des référentiels de formulation et de dimensionnement, adaptés aux enjeux actuels de performance, de durabilité et d’impact environnemental utiles à la profession.

Cet axe vise à développer des approches multi-échelles, couplant caractérisation expérimentale, modélisation physique et simulations numériques, afin de construire des modèles prédictifs fiables. L’objectif est d’anticiper les phénomènes de dégradation liés aux sollicitations mécaniques, hydriques et climatiques, et d’intégrer la variabilité des matériaux recyclés pour garantir la durabilité et la résilience des ouvrages structurants.

Cet axe vise à explorer de nouvelles stratégies de traitement et de transformation des déchets générés par les chantiers de travaux publics, en s’appuyant sur des analyses physico-chimiques, des protocoles de recyclage avancés et des méthodes de caractérisation environnementale. Il s’agit de développer des solutions de valorisation performantes et compatibles avec les exigences techniques des infrastructures, tout en intégrant les contraintes réglementaires et les objectifs de réduction d’impact environnemental. L’approche adoptée cherche à optimiser l’économie circulaire à l’échelle des territoires et à promouvoir l’usage raisonné de ressources alternatives dans une logique de durabilité opérationnelle.

Cet axe vise à analyser et à réduire les impacts environnementaux et sociaux des chantiers sur leur environnement immédiat, en s’appuyant sur des approches pluridisciplinaires combinant mesures physiques, modélisations d’exposition et enquêtes sociologiques. Il s’agit d’identifier les sources de nuisances bruit, qualité de l’air, gestion des eaux et d’en évaluer la perception par les riverains et les usagers, afin d’orienter les pratiques vers une meilleure acceptabilité sociale. Cette démarche permet de renforcer la qualité d’intégration des travaux publics dans les territoires et de soutenir l’émergence de solutions techniques et organisationnelles à faible empreinte locale.

Résumé 
Dans un contexte environnemental en pleine évolution, l’utilisation de techniques comme le deep soil mixing (DSM) apparaît comme une solution intéressante. Cette méthode consiste à mélanger le sol en place avec un liant hydraulique, permettant ainsi d’exploiter les matériaux naturels sur site pour construire des ouvrages tels que des murs de soutènement, des barrières d’étanchéité ou d’autres éléments de fondation. En réduisant le besoin d’apport de matériaux, cette technique contribue à une approche plus durable pour les fondations. Le deep soil mixing utilise donc des sols naturels dont la composition peut varier et influencer les propriétés mécaniques et physiques du mélange final. Cependant, bien que couramment employée, la compréhension des interactions complexes entre les sols et les liants, notamment durant les phases d’hydratation, demeure limitée. Ces recherches ont donc pour objectif d’étudier ces interactions avec divers types de sols naturels prélevés sur des chantiers réels et en utilisant différents types de liants. Ces formulations ont été caractérisées mécaniquement et physiquement, et des observations à l’échelle microscopique ont permis d’identifier les impacts sur les propriétés du matériau. Les différents types de caractérisations comprennent la porosimétrie au mercure, la perméabilité, des essais de compression, des tests de durabilité et d’autres types d’analyses à différentes échelles (XPS, MEB, DRX, RMN, EDX, ATG, …).Les résultats de cette étude révèlent des performances hétérogènes selon les types de liants utilisés. Les liants riches en clinker et ceux constitués d’autres matériaux cimentaires comme les laitiers de hauts fourneaux, montrent des performances opposées, autant sur le plan mécanique que sur celui de la durabilité. Les résultats de l’étude montrent également qu’en fonction du contexte d’utilisation du béton de sol, le type de liant et son dosage nécessitent une attention particulière, notamment dans le cas de sols pollués ou riches en matière organique. La porosité et la nature des liaisons formées au cours de l’hydratation varient également en fonction de la composition du liant, influençant directement les propriétés du matériau final.

Résumé 
L’impact environnemental de la production de ciment souligne la nécessité d’alternatives bas carbone, telles que les ajouts cimentaires (SCMs). Cependant, leur comportement en milieu marin nécessite davantage de recherches. L’estimation de la durabilité à long terme dépend de notre capacité à évaluer l’évolution des propriétés de transport. Notre étude examine quatre mortiers éco-responsables intégrant des laitiers, de la fumée de silice, des cendres volantes et du métakaolin. Le transport des chlorures est influencé par les propriétés du béton et les conditions d’exposition. Les ajustements de formulation et l’extension de la durée de cure peuvent densifier la microstructure et augmenter la fixation des chlorures, réduisant ainsi leur pénétration. Pour dissocier ces phénomènes, nous avons conçu notre étude de manière à séparer les effets de l’hydratation de ceux de l’exposition à travers deux campagnes expérimentales distinctes menées simultanément. La première évalue l’impact des SCMs sur les propriétés mécaniques, de durabilité et de microstructure lors de la cure en eau à différents stades d’hydratation. La seconde examine l’effet de la diffusion de l’eau de mer sur la microstructure et la pénétration des chlorures, en tenant compte de la nature multi-ionique de l’eau de mer sur des périodes de 6, 12, 19 et 28 mois. Une innovation clé consiste à quantifier les effets de l’exposition à l’eau de mer en fonction de la profondeur, permettant des calculs précis des propriétés de transport et améliorant les prédictions de durabilité. La modélisation numérique, en simulant l’évolution des espèces solides à l’aide d’un modèle de transport réactif physico-chimique basé sur le code thermochimique Toughreact, complète les expériences en simulant le transport et les interactions chimiques des ions dans le matériau, renforçant ainsi les capacités de prédiction pour la durabilité à long terme.

Philippe GOTTELAND
Directeur adjoint délégué à la Recherche
philippe.gotteland@fntp.fr

Massinissa BENABDELLOUAHED
Chef du Service Recherche
benabdellouahedm@fntp.fr