Physics and mechanics of cementitious media submitted to frost action
Physico-mécanique des matériaux cimentaires soumis au gel-dégel
Résumé
Frost defacement of buildings, and bridges costs hundreds millions of Euros to Europe every year. Hence, undertaking better prediction and prevention of frost damage will be beneficial to civil engineering.
Frost damage is a combination of internal micro-cracks and scaling (bits of material peeling away of the surface down to a depth of some millimetres). The latter is enhanced by de-icer salts used to keep roads and highways good practicability.
Most of the physico-chemical mechanisms leading to frost damage are well known. However it still lacks a holistic physically-based quantitative assessment of the stress and strain fields in porous materials submitted to freezing-thawing cycles with salts.
To cope with this difficulty, both experimental and theoretical approaches are conducted. Experimental studies aim at improving the quantification of amount of ice formed within a partially frozen porous medium. Indeed this relation is found to be sufficient to characterize the material state at the macroscopic scale in case of a reversible evolution.
The measurement was performed through a novel experimental device based on capacitive method. This technique relies upon the dielectric properties of liquid water, ice, air, and mineral substrate in the radio-frequency range. A semi-empirical method based upon the Lichtenecker model and combining drying and freezing tests, provides an accurate estimation of the liquid water content versus the temperature in freezing cement pastes. This estimation is further analysed with the help of thermoporometry concepts in order to characterize the pore size distribution and the specific surface area. The results range in the same order of magnitude as those assessed from gravimetric sorption/desorption isotherms.
Such information allowed predicting the material thermo-mechanical behaviour through poromechanics. Then the occurrence of surface scaling without de-icing salts was proofed and explained while the effect of air-voids on the frost resistance of a porous structure is quantified.
Frost damage is a combination of internal micro-cracks and scaling (bits of material peeling away of the surface down to a depth of some millimetres). The latter is enhanced by de-icer salts used to keep roads and highways good practicability.
Most of the physico-chemical mechanisms leading to frost damage are well known. However it still lacks a holistic physically-based quantitative assessment of the stress and strain fields in porous materials submitted to freezing-thawing cycles with salts.
To cope with this difficulty, both experimental and theoretical approaches are conducted. Experimental studies aim at improving the quantification of amount of ice formed within a partially frozen porous medium. Indeed this relation is found to be sufficient to characterize the material state at the macroscopic scale in case of a reversible evolution.
The measurement was performed through a novel experimental device based on capacitive method. This technique relies upon the dielectric properties of liquid water, ice, air, and mineral substrate in the radio-frequency range. A semi-empirical method based upon the Lichtenecker model and combining drying and freezing tests, provides an accurate estimation of the liquid water content versus the temperature in freezing cement pastes. This estimation is further analysed with the help of thermoporometry concepts in order to characterize the pore size distribution and the specific surface area. The results range in the same order of magnitude as those assessed from gravimetric sorption/desorption isotherms.
Such information allowed predicting the material thermo-mechanical behaviour through poromechanics. Then the occurrence of surface scaling without de-icing salts was proofed and explained while the effect of air-voids on the frost resistance of a porous structure is quantified.
Un des défis de la recherche appliquée au génie civil est l'optimisation de la durée de vie des matériaux et structures ainsi que la mise au point de méthodes de certification rapides, peu coûteuses et sûres. Dans ce contexte, la politique de surveillance des ouvrages d'art instaurée en France à partir du début des années 1980 a mis en évidence des dégradations dues à l'action du froid dans plusieurs régions et notamment en montagne. Par conséquent, un bon nombre de gestionnaires d'ouvrages sont confrontées aux conséquences, quelquefois très pénalisantes, des cycles de gel-dégel sur la durabilité du béton.
L'endommagement par le froid est une combinaison d'une micro-fissuration interne et d'un écaillage de surface. Ce dernier est largement augmenté en présence des sels de déverglaçage couramment utilisés afin de permettre une bonne praticabilité des routes en période hivernale.
L'objectif des travaux de recherche présentés dans ce mémoire est l'approfondissement de nos connaissances sur le comportement au gel-dégel de surface d'une structure poreuse en vue d'une prédiction de son comportement et de l'identification de paramètres matériaux clés relatifs à sa pérennité hivernale.
Pour cela, nous avons tout d'abord mené une étude à l'échelle du matériau afin de déterminer la (ou les) relation(s) permettant de caractériser à l'échelle macroscopique l'état de gel du milieu poreux à une température donnée. Dans le cas d'un système réversible, la relation mesurable entre la proportion de glace de glace formée et la température, identifiable à une fonction d'état thermodynamique, est suffisante. Afin de la mesurer, un dispositif basé sur une méthode capacitive a été mis au point. L'utilisation de cette méthode repose, dans le cas d'un matériau poreux partiellement gelé, sur le contraste entre la constante diélectrique réelle de l'eau (entre 80 et 100) et de la glace Ih (environ 3) dans le domaine des hautes fréquences radio (entre 10 et 100 MHz) et pour des températures comprises entre -40°C et 0°C. Ainsi, tout changement de phase en milieu poreux se traduit par une variation sensible de la constante diélectrique globale du matériau testé et la proportion volumique de glace formée peut être estimée par un schéma d'homogénéisation multi-échelles.
La comparaison entre les résultats de gel-dégel obtenus par ce dispositif et ceux provenant de tests de sorption-désorption permet de conclure sur la prédictibilité de l'état de solidification d'un milieu poreux par des tests routiniers de sorption-désorption d'eau.
Etant en mesure de caractériser l'état de gel du milieu poreux soumis au froid, il devient possible d'étudier, par une approche macroscopique de type poromécanique des milieux continus, son comportement mécanique. Le scénario de comportement retenu est basé sur le couplage entre l'augmentation volumique de 9% accompagnant la transformation de l'eau en glace, les transferts d'eau non gelée au sein du réseau poreux et le comportement thermomécanique de chaque constituant. L'étude menée se limite au problème linéarisé d'une structure unidimensionnelle soumise à l'action du froid en surface. De plus, l'hypothèse des petits déplacements et des petites déformations est adoptée, ce qui borne strictement cette étude à l'apparition de la première fissure.
L'utilisation de ce modèle permet : (1) d'identifier l'origine de l'endommagement de surface (ou écaillage) observé expérimentalement sur des échantillons de ciments soumis à des cycles de gel-dégel sous fort gradient thermique, (2) de quantifier le rôle protecteur des vides d'air vis-à-vis de la résistance à l'écaillage.
L'endommagement par le froid est une combinaison d'une micro-fissuration interne et d'un écaillage de surface. Ce dernier est largement augmenté en présence des sels de déverglaçage couramment utilisés afin de permettre une bonne praticabilité des routes en période hivernale.
L'objectif des travaux de recherche présentés dans ce mémoire est l'approfondissement de nos connaissances sur le comportement au gel-dégel de surface d'une structure poreuse en vue d'une prédiction de son comportement et de l'identification de paramètres matériaux clés relatifs à sa pérennité hivernale.
Pour cela, nous avons tout d'abord mené une étude à l'échelle du matériau afin de déterminer la (ou les) relation(s) permettant de caractériser à l'échelle macroscopique l'état de gel du milieu poreux à une température donnée. Dans le cas d'un système réversible, la relation mesurable entre la proportion de glace de glace formée et la température, identifiable à une fonction d'état thermodynamique, est suffisante. Afin de la mesurer, un dispositif basé sur une méthode capacitive a été mis au point. L'utilisation de cette méthode repose, dans le cas d'un matériau poreux partiellement gelé, sur le contraste entre la constante diélectrique réelle de l'eau (entre 80 et 100) et de la glace Ih (environ 3) dans le domaine des hautes fréquences radio (entre 10 et 100 MHz) et pour des températures comprises entre -40°C et 0°C. Ainsi, tout changement de phase en milieu poreux se traduit par une variation sensible de la constante diélectrique globale du matériau testé et la proportion volumique de glace formée peut être estimée par un schéma d'homogénéisation multi-échelles.
La comparaison entre les résultats de gel-dégel obtenus par ce dispositif et ceux provenant de tests de sorption-désorption permet de conclure sur la prédictibilité de l'état de solidification d'un milieu poreux par des tests routiniers de sorption-désorption d'eau.
Etant en mesure de caractériser l'état de gel du milieu poreux soumis au froid, il devient possible d'étudier, par une approche macroscopique de type poromécanique des milieux continus, son comportement mécanique. Le scénario de comportement retenu est basé sur le couplage entre l'augmentation volumique de 9% accompagnant la transformation de l'eau en glace, les transferts d'eau non gelée au sein du réseau poreux et le comportement thermomécanique de chaque constituant. L'étude menée se limite au problème linéarisé d'une structure unidimensionnelle soumise à l'action du froid en surface. De plus, l'hypothèse des petits déplacements et des petites déformations est adoptée, ce qui borne strictement cette étude à l'apparition de la première fissure.
L'utilisation de ce modèle permet : (1) d'identifier l'origine de l'endommagement de surface (ou écaillage) observé expérimentalement sur des échantillons de ciments soumis à des cycles de gel-dégel sous fort gradient thermique, (2) de quantifier le rôle protecteur des vides d'air vis-à-vis de la résistance à l'écaillage.
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