Behaviour of concrete under high confinement : Study in triaxial compression and extension at the mesoscopic scale

Comportement du béton sous fort confinement : Étude en compression et en extension triaxiales à l'échelle mésoscopique

Fabrice Dupray (1)

1 3SR - Laboratoire sols, solides, structures - risques [Grenoble]

This Ph.D. thesis aims at characterising and modeling the mechanical behaviour of concrete under high confinement at the mesoscopic scale. This scale corresponds to that of the large aggregates and the cementitious matrix. The more general scope of this study is the understanding of concrete behaviour under dynamic loading. A dynamic impact can generate mean pressures around 1GPa. But the characterisation of a material response, in an homogeneous state of stress, can only be achieved through quasi-static tests. The experimentations led in 3S-R Laboratory have underlined the importance of the aggregates in the triaxial response of concrete. Modeling concrete at the mesoscopic level, as a composite of an aggregates phase and a mortar phase, permits a representation of the aggregates effect. An experimental study of the behaviour of mortar phase is performed. Usual tests and hydrostatic and triaxial high confinement tests are realised. The parameters of a constitutive model that couples plasticity with a damage law are identified from these tests. This model is able to reproduce the nonlinear compaction of mortar, the damage behaviour under uniaxial tension or compression, and plasticity under high confinement. The biphasic model uses the finite element method with a cubic and regular mesh. A Monte-Carlo method is used to place quasi-spherical aggregates that respect the given granulometry of a reference concrete. Each element is identified by belonging either to the mortar or to the aggregate phase. Numerical simulations are compared with the experimental tests on this concrete. The parameters for these simulations are only identified on the mortar. The simulations reproduce the different phases observed in hydrostatic compression. The evolution of axial moduli under growing confinement is shown, as is the good reproduction of the limit-states experimentally observed under high confinement. The fracture aspect of numerical simulations is comparable with that of experimental tests. The triaxial extension loading shows the limits of this numerical model.

Ce mémoire de thèse a pour objectif de caractériser et de modéliser le comportement mécanique du béton sous fort confinement, à l'échelle mésoscopique, celle des granulats et de la matrice cimentaire. Le cadre plus général de cette étude est la compréhension du comportement du béton sous chargement dynamique de type impact, pouvant générer des pressions moyennes de l'ordre du GPa. Mais la caractérisation de la réponse d'un matériau, dans un état de contraintes homogène, ne peut se faire que par des essais quasi-statiques. Les essais déjà réalisés au laboratoire 3S-R ont mis en évidence l'importance des granulats dans la réponse en compression triaxiale du béton. La modélisation du béton à l'échelle mésoscopique, sous la forme d'une phase mortier et d'une phase granulats, permet une représentation de l'effet des granulats. Une étude expérimentale du comportement de la phase mortier est réalisée. Des essais usuels et des essais hydrostatiques et triaxiaux entre 60 et 650MPa de confinement permettent d'identifier les paramètres d'un modèle de comportement de type plasticité couplée à l'endommagement. Celui-ci reproduit la compaction non-linéaire du mortier, l'endommagement des essais de compression ou de traction simple et la plasticité sous fort confinement. Le modèle biphasique utilise la méthode des éléments finis, en utilisant un maillage cubique régulier. Une méthode de Monte-Carlo est utilisée pour placer sur cette grille des granulats quasi-sphériques selon la granulométrie mesurée sur le béton de référence. Les simulations numériques sont comparées aux essais expérimentaux sur ce béton. Ces simulations, dont les paramètres sont identifiés par les essais expérimentaux sur mortier, reproduisent les différentes phases observées lors de la compaction hydrostatique. L'évolution des raideurs axiales avec le confinement est soulignée, ainsi que la bonne reproduction des états-limites des essais triaxiaux sous fort confinement. Les faciès de rupture des essais numériques sont comparables à ceux des essais expérimentaux. Les chargements d'extension triaxiale mettent en évidence les limites du modèle biphasique

Mots clés: Concrete; Mortar; Triaxial tests; Numerical concrete; Damage-plasticity model

Mots clés: Béton; Mortier; Essai triaxial; Béton numérique; Modèle couplé plasticité-endommagement

Domaines: Sciences de l'ingénieur [physics]

Fabrice Dupray. Comportement du béton sous fort confinement : Étude en compression et en extension triaxiales à l'échelle mésoscopique. Sciences de l'ingénieur [physics]. Université Joseph-Fourier - Grenoble I, 2008. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00365786v2⟩