Experimental and numerical investigations of cementitious materials under hydro-mechanical loadings
Etudes expérimentales et numériques des matériaux cimentaires sous sollicitations hydro-mécaniques
Résumé
Cementitious materials are the most used material in civil engineering fields. Whether in the areas of housing, transport or energy, they are used heavily and have to face a varied and sometimes aggressive environment. Concrete, especially when it is reinforced, is a material which by its operation is caused to crack. In addition to the visual aspect that can attract the attention of users, cracking impacts, primarily the mechanical strength but also the durability of the structure. A better characterization of this cracking (quantity, path, tortuosity) is therefore a major issue.To answer this problem, it is necessary to predict the long-term behavior of structures. Nevertheless, this task remains arduous. The great heterogeneity of the material combined with multiple stresses (thermal, chemical, hydric, mechanical) makes the work complex. If one is interested more specifically in the hydric solicitations, one finds that any structure tends to equilibrate with its environment causing a phenomenon of drying.The aim of this thesis is to take into account the effects of drying on the mechanical properties and the macroscopic behavior of concrete structures (at the laboratory sample scale) in order to set up a predictive finite element modelling framework taking into account drying and associated phenomena. Conventionally, when the mechanical properties of concrete are characterized, internal stresses are not considered and drying phenomena are not taken into account. Nevertheless, the hydric gradient between the surface and the core of a concrete structure can lead to a state of heterogeneous stress and generate a consequent micro-cracking. In some cases (durability, tightness), this phenomenon may be of major importance.Although it seems remarkable, the impact of drying and micro-cracking on mechanical properties is poorly studied. In addition, the results obtained are sometimes contradictory which does not allow to reach consensus. It is notable that in the description of the phenomenon, three overriding factors can be identified. One of them, the capillary pressure, improves the resistance of the material and the two others, the water gradient as well as the incompatibility of deformation between the paste and the aggregates, will decrease the mechanical characteristics in the long term.Few studies compare the influence of desiccation on mechanical properties by comparing the results obtained using different standard characterization methods. This thesis work develops experimental campaigns investigating the effects of drying under relative humidity, temperature and drying time varied. It continues with the implementation of the numerical simulation framework based on the experiments carried out.These are modelled mechanically taking into account the drying process. Taking into account the withdrawal of desiccation, the development of clean creep and desiccation as well as the contribution of the capillary pressure makes it possible to recover the experimental mechanical results. These mechanical simulations, facies and crack openings are extracted from the continuous model based on the crack band theory. Finally, identification tools are developed in this context to determine the properties of different numerical models.
Les matériaux cimentaires sont les plus utilisés dans les ouvrages du génie civil. Que ce soit dans les domaines de l'habitation, des transports ou bien encore de l'énergie, ils sont utilisés massivement et doivent faire face à un environnement varié et parfois agressif. Le béton, particulièrement lorsqu'il est armé, est un matériau qui de part son fonctionnement est amené à fissurer. Outre l'aspect visuel qui peut attirer l'attention des utilisateurs, la fissuration impacte, en premier lieu la résistance mécanique mais aussi la durabilité de l'ouvrage. Une meilleure caractérisation de cette fissuration (quantité, trajet, tortuosité) est donc un enjeu majeur. Pour répondre à cette problématique, il est nécessaire de prédire le comportement à long terme des ouvrages. Néanmoins, cette tâche reste ardue. La grande hétérogénéité du matériau combinée aux sollicitations multiples (thermique, chimique, hydrique, mécanique) rend l'œuvre complexe. Si on s'intéresse plus spécifiquement aux sollicitations hydriques, on constate que toute structure tend à s'équilibrer avec son milieu ambiant entraînant un phénomène de dessiccation. L'objectif de ce travail de thèse est de prendre en compte les effets de cette dessiccation dans la détermination des propriétés mécaniques et du comportement macroscopique des ouvrages en béton (à l'échelle de l'échantillon de laboratoire) afin de mettre en place un cadre de modélisation éléments finis prédictif prenant en compte la dessiccation et les phénomènes associés. Conventionnellement, lorsque les propriétés mécaniques du béton sont caractérisées, les contraintes internes ne sont pas considérées et les phénomènes de dessiccation ne sont pas pris en compte. Néanmoins, le gradient hydrique entre la surface et le cœur d'une structure en béton peut mener à un état de contrainte hétérogène et engendrer une micro-fissuration conséquente. Dans certains cas (durabilité, étanchéité), ce phénomène peut-être d'une importance majeure. Bien qu'il semble remarquable, l'impact du séchage et de la micro-fissuration sur les propriétés mécaniques n'est que peu étudié. De plus, les résultats obtenus sont parfois contradictoires ce qui ne permet pas de dégager de consensus. Il est notable que dans la description du phénomène, trois facteurs prépondérants peuvent être dégagés. L'un d'eux, la pression capillaire, améliore la résistance du matériau et les deux autres, le gradient hydrique ainsi que l'incompatibilité de déformation entre la pâte et les granulats, vont diminuer les caractéristiques mécaniques à long terme. Peu d'études comparent l'influence de la dessiccation sur les propriétés mécaniques en mettant en regard les résultats obtenus suivant les différentes méthodes de caractérisations standards. Ce travail de thèse développe, des campagnes expérimentales investiguant les effets de la dessiccation sous humidité relative, température et temps de dessiccation variés. Il se poursuit par la mise en place du cadre de simulation numérique s'appuyant sur les expériences réalisées. Ces dernières sont modélisées mécaniquement en tenant compte du processus de dessiccation. La prise en compte du retrait de dessiccation, du développement du fluage propre et de dessiccation ainsi que l'apport de la pression capillaire permet de retrouver les résultats expérimentaux mécaniques. De ces simulations mécaniques, des faciès et des ouvertures de fissure sont extraits du modèle continu en se basant sur la théorie de la bande de fissuration. Enfin, des outils d'identification sont développés dans ce cadre afin de déterminer les propriétés des différents modèles numériques.
Origine : Version validée par le jury (STAR)