Modélisation multi-échelle et étude expérimentale de l'endommagement par attaque sulfatique interne dans les matériaux cimentaires PDF Download
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Author: Alexandre Yammine
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Book Description
La dégradation des bétons par attaque sulfatique (RSI) connue également par la formation de l'ettringite différée (DEF) est un endommagement expansif du béton qui se développe suite à une exposition à des températures élevées. La nature des granulats impact le développement de la DEF notamment lorsqu'ils apportent des éléments chimiques favorisant la formation de l'ettringite différée. L'utilisation de granulats de béton recyclé (GBR) comme une alternative aux granulats de carrière dans l'objectif de diminuer l'impact environnemental de la production de béton est un sujet actuel majeur qui heurte à des difficultés techniques notamment la détérioration de la durabilité des bétons. Par conséquent, cette thèse propose une étude expérimentale de la susceptibilité des mortiers et des bétons fabriqués avec de GBR à développer la DEF. Les résultats expérimentaux montrent un risque faible dans les bétons et les mortiers à base de GBR. Une modélisation physico-chimique de la DEF est appliquée pour les mortiers montre une tendance analogue à celle des résultats expérimentaux. Enfin, un modèle poromécanique à multi-échelle qui comporte une description de l'endommagement par une progression de la microfissuration est proposé. Une comparaison du modèle avec des données expérimentales est effectuée sur des mortiers formulés avec du ciment CEM I.
Author: Alexandre Yammine
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La dégradation des bétons par attaque sulfatique (RSI) connue également par la formation de l'ettringite différée (DEF) est un endommagement expansif du béton qui se développe suite à une exposition à des températures élevées. La nature des granulats impact le développement de la DEF notamment lorsqu'ils apportent des éléments chimiques favorisant la formation de l'ettringite différée. L'utilisation de granulats de béton recyclé (GBR) comme une alternative aux granulats de carrière dans l'objectif de diminuer l'impact environnemental de la production de béton est un sujet actuel majeur qui heurte à des difficultés techniques notamment la détérioration de la durabilité des bétons. Par conséquent, cette thèse propose une étude expérimentale de la susceptibilité des mortiers et des bétons fabriqués avec de GBR à développer la DEF. Les résultats expérimentaux montrent un risque faible dans les bétons et les mortiers à base de GBR. Une modélisation physico-chimique de la DEF est appliquée pour les mortiers montre une tendance analogue à celle des résultats expérimentaux. Enfin, un modèle poromécanique à multi-échelle qui comporte une description de l'endommagement par une progression de la microfissuration est proposé. Une comparaison du modèle avec des données expérimentales est effectuée sur des mortiers formulés avec du ciment CEM I.
Author: Thi Thu Huong Le
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L'étude du comportement du béton en température est un problème majeur qui vise in fine à évaluer le niveau de sécurité des structures sous des sollicitations thermiques sévères, lors d'incendies par exemple. Pour cela, de nombreux modèles sont développés dans un cadre de couplage thermo-hydro-mécanique (THM), pour prendre en compte les différents processus physico-chimiques et mécaniques mobilisés par ces sollicitations et conditionnant la stabilité du matériau béton.Cependant, ces modélisations ne prennent souvent pas en compte explicitement la nature hétérogène du matériau. En effet, le béton est un matériau constitué d'inclusions noyées dans une matrice cimentaire pouvant être schématisée comme un milieu poreux ouvert partiellement saturé en eau. Les inclusions sont caractérisées par leurs natures minéralogiques, leurs morphologies et leurs tailles classées en fuseaux granulaires. Cette hétérogénéité introduit une complexité supplémentaire : la nécessité de prendre en compte la microstructure pour quantifier l'effet de l'incompatibilité (thermique, hydrique et mécanique) inclusion-matrice sur le comportement THM du béton. Ce travail constitue une première avancée dans ce sens. A ce titre, une modélisation élément fini multi-échelle tridimensionnelle (3D) est développée permettant d'affecter des comportements spécifiques à la matrice et aux inclusions. Pour la matrice, siège des transports de masse dans son réseau poreux connecté, une approche thermo-hydrique à trois fluides (eau, vapeur et air sec) est adoptée et est couplée à une loi de comportement poro-mécanique endommageable. Les inclusions (granulats) sont considérées hydriquement inertes, une approche thermo-mécanique avec endommagement est alors retenue.Une analyse, par simulations numériques, des effets de la nature minéralogique des granulats (calcaires ou silico-calcaires) de leurs distributions et de leurs morphologies a été menée sur des configurations 2D et 3D. Les effets étudiés ont notamment concerné l'influence de ces paramètres sur les fluctuations locales des champs de température, de pression de gaz et d'endommagement au regard de la dispersion des mesures expérimentales. L'analyse est limitée à l'échelle mésoscopique, celle où les granulats de taille caractéristique supérieure à 5 mm sont considérés, le reste (stable et pâte de ciment) étant une matrice homogène. Enfin, cette analyse a mis en évidence le besoin de mettre en œuvre une approche expérimentale cohérente avec une analyse mutli-échelle, à la fois pour la caractérisation des propriétés (thermiques, hydriques et mécaniques) de chaque constituant et pour l'étude des évolutions des champs lors des changements d'échelles. Un protocole expérimental a été définit et des premiers résultats d'essais sont présentés et analysés au travers de résultats obtenus dans la partie modélisation.
Author: Khalil Haidar
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Les travaux effectués dans le cadre de la thèse porte sur l'étude des effets du changement microstructurel des matériaux sous sollicitations environnementales (non mécaniques) pour lesquels il importe de décrire les conséquences mécaniques en terme d'endommagement, de résistance et de propriétés d'usage des structures. L'objectif principal du travail est de contribuer à la quantification des effets de la microstructure sur les propriétés mécaniques des matériaux hétérogènes quasi-fragiles du génie civil (mortier, béton). Afin d'éviter la complexité liée à la cinétique de dégradation, nous menons notre étude sur un exemple académique : un matériau modèle à microstructure contrôlée, qui consiste en un mortier dans lequel nous incorporons, des inclusions de caractéristiques mécaniques faibles (billes de polystyrène). Dans un premier temps, nous avons constitué une base de données expérimentales de laboratoire, sur des corps d'épreuves différents : cylindres, poutres de différentes tailles pour étudier les effets d'échelle.Puis nous avons montré comment, à partir de la base de données, nous avons identifié les paramètres du modèle d'endommagement de Mazars (1984) en non local. Cette étude a permis de dégager les limites d'utilisation des modèles non locaux, où l'évolution de la longueur interne en fonction de l'état d'endommagement du matériau n'est pas prise en compte. Nous proposons des modifications à apporter au modèle de Mazars en non-local, afin de prendre en compte ces effets en se basant sur des arguments micro-mécaniques. Enfin, nous développons une technique numérique simplifiée de calcul multi-échelle des ouvrages fissurés, afin de surmonter les problèmes numériques liés à l'utilisation du modèle proposé dans le contexte d'une application réelle.
Author: Megbeme Komla Atiezo
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Dans cette thèse, la modélisation de l'endommagement et de la rupture dynamique des matériaux quasi-fragiles est proposée en utilisant une approche double-échelle basée sur la méthode d'homogénéisation asymptotique. Des lois d'endommagement dynamique sont établies et des simulations numériques du comportement associé sont effectuées dans les cas de sollicitations correspondants aux trois modes classiques de la Mécanique de la Rupture. Le premier modèle d'endommagement dynamique est proposé pour le chargement en mode de cisaillement antiplan (mode III). La loi d'endommagement est déduite à partir d'un critère énergétique de type Griffith décrivant la propagation des microfissures, en utilisant la méthode de changement d'échelle basée sur des développements asymptotiques. Une étude locale de la réponse macroscopique prédite par ce nouveau modèle est faite pour mettre en évidence l'influence des paramètres, comme la taille de la microstructure et la vitesse de chargement, sur l'évolution de l'endommagement. Les résultats des simulations macroscopiques de rupture dynamique et les instabilités de branchement associées sont présentés et comparés à ceux des observations expérimentales. Le modèle est implémenté dans un code Éléments finis/Différences finies en utilisant le logiciel de calcul Matlab. Des simulations numériques de rupture rapide en mode d'ouverture (mode I) en utilisant une loi d'endommagement dynamique sont ensuite présentées. Le modèle utilisé pour ces simulations, est déduit à partir d'un critère microscopique de type Griffith en mode I en utilisant la méthode d'homogénéisation asymptotique. La loi d'endommagement obtenue est sensible à la vitesse de chargement qui influence le mode de rupture macroscopique. Des simulations numériques sont effectuées afin d'identifier les prédictions du modèle et les résultats obtenus sont comparés aux résultats expérimentaux. Différents tests, comme ceux de traction directe et de l'échantillon en forme de L pour les bétons, les essais d'impact sur des échantillons CCS en PMMA et le test d'impact de Kalthoff pour des roches calcaires sont reproduits numériquement. Ces simulations montrent que la vitesse de chargement détermine essentiellement la trajectoire de rupture macroscopique et la formation des branches associées, en accord avec les résultats expérimentaux. La loi a été implémentée dans le code d'éléments finis Abaqus/Explicit via une sub-routine VUMAT. Un troisième modèle d'endommagement est obtenu pour le mode de cisaillement plan (Mode II) par une démarche de modélisation double-échelle similaire à celle utilisée dans les deux premiers modèles, en tenant compte du contact unilatéral avec frottement sur les lèvres des microfissures. Une étude locale concernant l'effet du chargement de compression et du coefficient du frottement sur les fissures est faite. L'influence des paramètres comme la taille de la microstructure et la vitesse de déformation sur l'évolution de l'endommagement sont étudiés. Ces études sont complétées par des simulations des essais de rupture/frottement sur des échantillons en PMMA en utilisant le logiciel Abaqus/Explicit.
Author: Yasser Amine
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Comparativement à d'autres mécanismes de dégradation tels la carbonatation ou la diffusion d'ions chlorures, le gonflement par réaction sulfatique interne (RSI) reste encore un mécanisme très peu étudié. Le champ d'investigation reste donc très large et de nombreux verrous scientifiques restent encore ouverts notamment dans les bétons formulés avec additions minérales telles que les cendres volantes, le métakaolin et la pouzzolane. L'objectif de ce travail de thèse est d'apporter de nouveaux éléments pour la compréhension des effets des additions sur la RSI en mélange binaire et ternaire. Tout d'abord, en mélange binaire, il a été montré que l'ettringite est plus présente dans les mortiers que dans les bétons. Pour les mélanges ternaires, nous avons montré que la présence de filler calcaire permet de se combiner à l'aluminate de calcium ce qui favorise la formation du (hémi/mono) carbonate. Le filler réduit ainsi la formation de monosulfoaluminate, ce qui va stabiliser la formation d'ettringite et ainsi diminuer à plus long terme la DEF (Delayed ettringite formation). Quant à l'influence du type d'addition sur la RSI, la présence de sulfate dans l'addition est un facteur déterminant visà- vis de cette pathologie notamment dans le cas des Pouzzolanes et Metakaolins contrairement aux Cendres volantes. Cette étude a permis également de montrer que la quantité d'ettringite différée a tendance à augmenter avec l'augmentation des sollicitations mécaniques en compression par contre la période de déclenchement de RSI reste peu sensible à l'endommagement mécanique.
Author: Jérôme Kodjo
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Les matériaux à changement de phase (MCP) constituent une alternative prometteuse pour l'amélioration de l'inertie thermique des matériaux de construction. Grâce à leur chaleur latente, ces matériaux permettent de stocker des quantités importantes d'énergie thermique, ce qui permet de réduire la consommation d'énergie liée au chauffage et à la climatisation. Cependant, leur incorporation dans les matériaux cimentaires entraine une baisse de la résistance mécanique du nouveau matériau composite ainsi obtenu. Durant ces dernières décennies, les composites MCP/bétons ont suscité un grand intérêt conduisant à un grand nombre de travaux expérimentaux. Cependant, les modèles théoriques et numériques pour prédire les comportements de ces matériaux complexes sont aujourd'hui très peu développés en raison de la complexité du comportement thermique avec changement de phase, de la séparation d'échelle et de la difficulté que représente la prédiction de l'endommagement par fissuration à l'échelle des hétérogénéités microscopiques. L'objectif de cette thèse est précisément de développer des outils de modélisation numériques pour prédire le comportement thermomécanique effectif du matériau en vue de calculs de structures. Pour cela, des modèles numériques sont développés pour simuler le transfert de chaleur, le comportement mécanique, la fissuration ainsi que la fuite du MCP liquide à travers les fissures, à l'échelle d'un Volume Elémentaire Représentatif du matériau. Après avoir étudié les effets des changements de phase dans le MCP sur le comportement mécanique effectif, une approche multi-échelle (méthode EF2) est proposée afin de réaliser des calculs de structures en tenant compte des phénomènes à l'échelle des micro capsules. Des caractérisations expérimentales thermo-physiques sont menées afin de prouver l'utilité des MCP dans les matériaux de construction et de faire des comparaisons avec les outils d'homogénéisation développés. Enfin, nous proposons une étude dans le but de comprendre et d'évaluer les effets du MCP dans la dégradation des propriétés mécaniques de ces nouveaux matériaux.
Author: Bing Qi
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Pages : 131
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Le sujet de la thèse consiste à étudier l'endommagement de matériaux modèles hétérogènes. Dans la partie expérimentale, plusieurs nuances de matériaux modèles biphasés ont été élaborés. L'endommagement se présente au sein de ces matériaux dû au différentiel de dilatation thermique entre les phases. L'évolution du module d'Young de ces matériaux durant un cycle thermique E=f(T) a été mesurée par technique ultrasonore, qui témoignent également l'évolution d'endommagement au sein des matériaux. Dans la partie numérique, la simulation de l'évolution de l'endommagement a été effectuée à l'aide du code des éléments finis ABAQUS. Deux méthodes ont été utilisées et comparées pour modéliser la propagation et la fermeture des fissures. Des modèles numériques mono-inclusion et multi-inclusions avec des conditions aux limites spécifiques ont également été développés. Les résultats numériques ont fourni une corrélation assez satisfaisante vis à vis des résultats expérimentaux
Author: Hamid Ghorbanbeigi
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The objective of this thesis is to model the mechanical behavior of cement based materials, such as cement paste and concrete, which are subject to carbonation and leaching. These chemical reactions between the cementitious material and the surrounding aggressive environment lead to changes in the material microstructure and consequently on the mechanical behavior, and can have a significant impact on the durability of structures. To characterize the mechanical behavior of these chemically influenced materials, two different approaches are proposed in this thesis: the macroscopic and microscopic approach. In the first part, a macroscopic approach is used. The interest is to use a classical elastoplastic model to see the effect of carbonation and lixiviation on the elastic and plastic parameters. This model is then coupled with an interface model to describe the mechanical behavior and the failure process of cementitious materials, taking into account the localization of deformations on a shear band. In the second part, by taking advantage of micro-macro models, it is possible to explicitly link the microstructure evolution during the degradation to the mechanical behavior of the material. Two or three homogenization steps based on the modified secant method are needed to reach the macroscopic criterion. The predictive capabilities of micro-macro models proposed here have been demonstrated through a wide experimental validation.
Author: LOUENDI. FATMI
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Pages : 220
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Book Description
DANS LE CADRE DE L'ETUDE APPROFONDIE DES MECANISMES DE RUPTURE ET D'ENDOMMAGEMENT DES MATERIAUX HETEROGENES DE TYPE BETON, NOUS AVONS MIS AU POINT UNE PROCEDURE DE REANALYSE LOCALE, PERMETTANT DE DECRIRE LE COMPORTEMENT ET L'EVOLUTION DE L'ENDOMMAGEMENT AU COURS DU CHARGEMENT D'UNE STRUCTURE. LE MODELE PROPOSE EST BASE D'UNE PART SUR UNE REPARTITION STATISTIQUE DES CRITERES DE RUPTURE ET SUR UN COMPORTEMENT LOCAL DE TYPE ELASTIQUE-FRAGILE. LE MODELE PREND EN COMPTE CERTAINS DES RESULTATS OBTENUS AU COURS DE L'ETUDE DE L'ENDOMMAGEMENT PAR EMISSION ACOUSTIQUE DU BETON ET DES ROCHES COLMATEES. POUR LES ESSAIS DE TRACTION, LA PREMIERE RUPTURE CORRESPOND A UNE CONTRAINTE MOYENNE MESUREE EGALE A LA BORNE INFERIEURE #M#I#N DE LA DISTRIBUTION DES CONTRAINTES DANS L'EPROUVETTE. DANS LE CAS D'UN ENDOMMAGEMENT DIFFUS, APRES UNE PREMIERE RUPTURE, LA RIGIDITE DE L'EPROUVETTE DECROIT PROGRESSIVEMENT. CETTE DECROISSANCE SE POURSUITE JUSQU'A LA PROGRESSION LOCALISEE DE L'ENDOMMAGEMENT. DANS LE CAS D'UN ENDOMMAGEMENT LOCALISE, LA CONTRAINTE A LA RUPTURE MESUREE SUR LES COURBES CHARGES-DEPLACEMENTS CORRESPOND A LA VALEUR LA PLUS FAIBLE DES CONTRAINTES A LA RUPTURE DES HETEROGENEITES. LES VALEURS RELEVEES SUR LES COURBES CHARGES-DEPLACEMENTS DES CONTRAINTES A LA RUPTURE VARIENT DE #M#I#N A 1,4 #M#I#N SUIVANT LES CONDITIONS (REPARTITION DES CONTRAINTES A LA RUPTURE, ECHELLE DE L'EPROUVETTE, CONDITIONS SUR LES MORS). L'ANALYSE DE L'ENDOMMAGEMENT A ENSUITE ETE MENEE DANS LE CAS DES ESSAIS DE FLEXION 3-POINTS. CONTRAIREMENT A L'ESSAI DE TRACTION, L'ESSAI DE FLEXION CONDUIT A UN ETAT DE CONTRAINTES FORTEMENT INHOMOGENE. L'INITIATION ET LA PROPAGATION SONT LES RESULTATS DE L'INTERACTION ENTRE LE GRADIENT DU CHAMP DES CONTRAINTS INDUIT PAR L'ESSAI ET LA REPARTITION DES CONTRAINTES A LA RUPTURE. L'INITIATION SE PRODUIT AINSI EN UN OU PLUSIEURS ENDROITS DE LA FACE OPPOSEE AU CHARGEMENT, CONDUISANT PEU A PEU A LA PROGRESSION D'UNE OU PLUSIEURS MACROFISSURES AU SEIN DE L'EPROUVETTE. LES CONTRAINTES A LA RUPTURE MAXIMALES MESUREES SUR LES COURBES D'ESSAIS VARIENT DE 1,60 A 3,20 #M#I#N SELON L'INTERVALLE DE DISTRIBUTION DES CONTRAINTS A LA RUPTURE. DANS LE CAS DES ESSAIS CT L'ENDOMMAGEMENT EST D'ABORD INITIE EN TETE D'ENTAILLE. LA PROGRESSION SE FAIT ENSUITE SUIVANT QUATRE SCHEMAS EXTREMES: UN ENDOMMAGEMENT DIFFUS, UN ENDOMMAGEMENT LOCALISE, UNE PROGRESSION SYMETRIQUE, UNE PROGRESSION ASYMETRIQUE. LES COURBES CHARGES-DEPLACEMENTS SONT FORTEMENT TRIBUTAIRES DE LA DISTRIBUTION DES CONTRAINTES A LA RUPTURE AU SEIN DES EPROUVETTES. DANS LE CAS DE L'INCLUSION DE MORTIER DANS UNE ROCHE SOUMISE A UNE COMPRESSION. L'INCLUSION PRODUIT UNE CONCENTRATION DE CONTRAINTES. IL EN RESULTE UNE INITIATION DE L'ENDOMMAGEMENT PAR RUPTURE EN TRACTION DE L'INTERFACE MORTIER-ROCHE ET PAR RUPTURE EN CISAILLEMENT DE LA ROCHE PRES DE L'INTERFACE DE PART ET D'AUTRE DE L'INCLUSION. LES RUPTURES, ESSENTIELLEMENT EN CISAILLEMENT DE LA ROCHE N'AFFECTENT PAS DE MANIERE SENSIBLE LA RIGIDITE EN COMPRESSION.
Author: Jean-Luc Adia
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Book Description
Dans les structures en béton précontraint, les phénomènes de fluage et de retrait tendent à réduire les efforts de précontrainte initialement prévus pour maintenir le béton dans un état minimisant les forces de traction et donc la fissuration. La compréhension et la prédiction de ces phénomènes par le biais de modèles sont donc primordiales pour la conception et la maintenance à long terme des ouvrages du génie civil tels que les enceintes de confinement des centrales nucléaires.L'objectif de cette thèse est d'élaborer un cadre de modélisation micromécanique pour décrire de manière unifiée le retrait et le fluage dans les matériaux cimentaires. Pour cela, l'étude se base sur l'échelle de la microstructure poreuse du gel de C-S-H où les mécanismes intrinsèques de ces déformations différées du béton opèrent. Une approche d'homogénéisation numérique modélisant ces phénomènes dans des microstructures poreuses à morphologies quelconques est développée. Une description explicite du réseau poreux ainsi que de la phase liquide de l'eau pendant les processus de séchage/humidification est prise en compte. Les mécanismes concernant lesdéformations différées dans la phase solide sont modélisés par la théorie de la microprécontrainte-solidification (MPS). Les simulations à l'échelle microscopique sont réalisées par une approche originale couplant la méthode de Lattice Boltzmann (LBM) et la méthode des éléments finis (FEM). La LBM est utilisée pour décrire la distribution du liquide capillaire à l'échelle du pore,tandis que la FEM est employée pour simuler la déformation du squelette solide sous l'action combinée de l'eau dans l'espace poreux et d'un chargement macroscopique.La démarche proposée permet, au travers des simulations, de mieux comprendre les mécanismes liés à la non saturation et aux effets capillaires dans les milieux poreux. En particulier, la prise en compte de morphologies réalistes de microstructures et des ménisques formés conduit à différents régimes de retrait/gonflement. Ainsi les effets de l'intensité de la pression capillaire,de la tension de surface et des surfaces de chargement sur la réponse élastique du squelette solide sont évalués. Enfin, nous proposons une extension des approches précédentes au cas d'un squelette viscoélastique se déformant sous les effets de la pression capillaire et des tensions de surface. A partir des observations numériques réalisées, nous proposons un modèle pour décrire le fluage et le retrait du gel de C-S-H de manière unifiée.
