Experimental study and modeling of the evolution of mechanical properties at early-age in cement-based materials
Étude expérimentale et modélisation de l'évolution des propriétés mécaniques au jeune âge dans les matériaux cimentaires
Résumé
The purpose of the present work is to develop an easy to use tool that is able to predict the early age evolution and the behavior of cementitious material. The program was developed under a Matlab environment. Hydration laws found in literature were implemented, in order to generate discrete microstructures that evolve from the moment of water - cement contact until the final degree of hydration is reached. The need of modeling an intrinsic characteristic of cementitious materials - setting - arises. An approach, based on percolation and on the so-called "burning" algorithm, which takes into account explicitly the bonding role of hydrates and reveals a degree of hydration threshold below which the rigidity of the material is negligible, is therefore proposed. Analytical calculations, based on existing homogenization models and finite element calculations, are applied on a discrete hydrating microstructure, and more precisely on the percolation cluster given by the burning algorithm, in order to predict the elastic properties of the material. It is shown that as long as the cohesive role played by the hydrates is not taken into account, results at early age remain inaccurate, especially for low water - cement ratios. An experimental campaign was especially designed in order to assess the predictive capacity of the numerical simulations. A part of the measures that were performed serve as input data for the model, other are used to validate the model. Several types of measurements of the evolution of the properties at early age were tested and evaluated for their capacity to seize the needed phenomenon.
L'objectif du présent travail est de développer un outil facile à utiliser qui est capable de prédire l'évolution au jeune âge et le comportement de matériaux cimentaires. Le code de calcul a été développé sous un environnement MATLAB. Des lois d'hydratation trouvées dans la littérature ont été implémentées, afin de générer des microstructures discrètes qui évoluent à partir du moment de l'eau - contact ciment jusqu'au moment auquel le degré d'hydratation final est atteint. La nécessité de modéliser une caractéristique intrinsèque des matériaux cimentaires - la prise - s'impose. Une approche, basée sur l'utilisation d'un algorithme de vérification de la connectivité de la partie solide dans les microstructures numériques est proposée. L'algorithme prend en compte explicitement le rôle de "colle" des hydrates et révèle un seuil du degré d'hydratation en dessous duquel la rigidité du matériau est négligeable. Des calculs analytiques, basés sur des modèles existants d'homogénéisation et des calculs par éléments finis, sont appliqués sur une microstructure hydratante discrète, et plus précisément sur le cluster de percolation donné par l'algorithme de percolation, afin de prédire les propriétés élastiques du matériau. Il est montré que tant que le rôle de cohésion joué par les hydrates n'est pas pris en compte, les résultats obtenus au jeune âge restent imprécis, en particulier pour faibles rapports eau - ciment. Une campagne expérimentale a été spécialement conçue afin d'évaluer la capacité prédictive des simulations numériques. Une partie des mesures qui ont été effectuées sont utilisées comme données d'entrée pour le modèle, d'autres sont utilisées pour valider le modèle. Plusieurs types de mesures de l'évolution des propriétés mécaniques et des déformations au jeune âge ont été testés et évalués pour leur capacité à capturer phénomène recherché.