Effets de la température, du chargement mécanique et de leurs interactions sur la perméabilité du béton de structure
Résumé
Concrete permeability may influence the durability of structures indirectly by controlling the penetration rate of aggressive agents, but also directly if the structure has a confinement role, like containment vessels of nuclear power plants for instance. In the industrial background on the safety of these structures, the objective of this study is to characterize the evolution of concrete permeability under the effects of temperature and mechanical loading.
The permeability tests are performed on hollow concrete cylinders, subjected to temperature up to 150 °C and compressive loading up to failure. Experimental results reveal that the effects of temperature and damage may be decoupled for the estimation of permeability and enable us to propose a relation between permeability, damage and temperature. However, this relation may only be applied in the prepeak phase as concrete remains microcracked. In order to overcome this limit to be able to model also permeability increase in the postpeak phase, another parameter, which is crack opening, is introduced in the relation between permeability and damage.
This problem, investigated by modelling, is exploited according to two approaches. The first one is based on the definition of a matching law between existing relations of permeability evolution with damage and with crack opening. With this approach the tendencies are similar to the observed ones on the experimental results. The second approach consists in linking from a mechanical point of view damage with crack opening in order to apply the Poiseuille?s law for permeability determination. Experimental validation of this approach, emerging towards a continuous model capable to reproduce permeability variations of a concrete structure, constitutes a major perspective of this work.
The permeability tests are performed on hollow concrete cylinders, subjected to temperature up to 150 °C and compressive loading up to failure. Experimental results reveal that the effects of temperature and damage may be decoupled for the estimation of permeability and enable us to propose a relation between permeability, damage and temperature. However, this relation may only be applied in the prepeak phase as concrete remains microcracked. In order to overcome this limit to be able to model also permeability increase in the postpeak phase, another parameter, which is crack opening, is introduced in the relation between permeability and damage.
This problem, investigated by modelling, is exploited according to two approaches. The first one is based on the definition of a matching law between existing relations of permeability evolution with damage and with crack opening. With this approach the tendencies are similar to the observed ones on the experimental results. The second approach consists in linking from a mechanical point of view damage with crack opening in order to apply the Poiseuille?s law for permeability determination. Experimental validation of this approach, emerging towards a continuous model capable to reproduce permeability variations of a concrete structure, constitutes a major perspective of this work.
La perméabilité du béton influence la durabilité des structures indirectement en gouvernant la vitesse de pénétration d'agents agressifs, mais aussi directement dans le cas où la structure joue un rôle d'étanchéité, ce qui est le cas des enceintes de confinement des centrales nucléaires. Dans le contexte industriel de la sûreté de ces structures, nous avons entrepris des travaux dont l'objectif est de caractériser l'évolution de la perméabilité du béton sous l'effet de la température et du chargement mécanique.
Les mesures de la perméabilité au gaz sont effectuées sur des éprouvettes cylindriques en béton soumises à des températures allant jusqu'à 150 °C et à une compression uniaxiale jusqu'à la rupture. Les résultats expérimentaux révèlent que les effets de la température et de l'endommagement peuvent être découplés pour l'estimation de l'évolution de la perméabilité. Ils nous ont permis de proposer une relation reliant la perméabilité à l'endommagement et à la température. Cependant, cette relation ne peut s'appliquer que dans le domaine pré-pic du comportement du béton où le béton demeure microfissuré. Afin de dépasser cette limite pour pouvoir modéliser également l'accroissement de la perméabilité en phase post-pic, un autre paramètre, qui est l'ouverture de fissure, est intégré dans la relation entre la perméabilité et l'endommagement.
Cette problématique, faisant l'objet d'une modélisation, est exploitée selon deux approches. La première se base sur la définition d'une loi de raccordement entre les lois existantes d'évolution de la perméabilité avec l'endommagement et l'ouverture de fissure. Avec cette approche les tendances observées expérimentalement sont retrouvées. La deuxième approche consiste à relier d'un point de vue mécanique l'endommagement avec l'ouverture de fissure puis d'appliquer la loi de Poiseuille pour déterminer la perméabilité. La validation expérimentale de cette approche, permettant de déboucher vers un modèle continu capable de reproduire les variations de perméabilité d'une structure, constitue une des perspectives de notre travail.
Les mesures de la perméabilité au gaz sont effectuées sur des éprouvettes cylindriques en béton soumises à des températures allant jusqu'à 150 °C et à une compression uniaxiale jusqu'à la rupture. Les résultats expérimentaux révèlent que les effets de la température et de l'endommagement peuvent être découplés pour l'estimation de l'évolution de la perméabilité. Ils nous ont permis de proposer une relation reliant la perméabilité à l'endommagement et à la température. Cependant, cette relation ne peut s'appliquer que dans le domaine pré-pic du comportement du béton où le béton demeure microfissuré. Afin de dépasser cette limite pour pouvoir modéliser également l'accroissement de la perméabilité en phase post-pic, un autre paramètre, qui est l'ouverture de fissure, est intégré dans la relation entre la perméabilité et l'endommagement.
Cette problématique, faisant l'objet d'une modélisation, est exploitée selon deux approches. La première se base sur la définition d'une loi de raccordement entre les lois existantes d'évolution de la perméabilité avec l'endommagement et l'ouverture de fissure. Avec cette approche les tendances observées expérimentalement sont retrouvées. La deuxième approche consiste à relier d'un point de vue mécanique l'endommagement avec l'ouverture de fissure puis d'appliquer la loi de Poiseuille pour déterminer la perméabilité. La validation expérimentale de cette approche, permettant de déboucher vers un modèle continu capable de reproduire les variations de perméabilité d'une structure, constitue une des perspectives de notre travail.