Étude expérimentale multi-échelles des couplages hydriques, mécaniques et chimiques dans les matériaux cimentaires

par Thomas Rougelot

Thèse de doctorat en Génie civil

Sous la direction de Jian-Fu Shao et de Nicolas Burlion.

Soutenue le 09-12-2008

à Lille 1 .


  • Résumé

    Les couplages hydro-mécaniques et chimiques des matériaux cimentaires revêtent une grande importance pour la durabilité d'un ouvrage soumis à des sollicitations complexes, tel que le stockage souterrain de déchets nucléaires. Les travaux présentés se focalisent sur des mortiers et des pâtes de ciment à deux rapports eau sur ciment. Les couplages entre des sollicitations hydriques par séchage, des sollicitations hydro-chimiques par lixiviation, et le comportement mécanique du matériau notamment d'un point de vue de l'endommagement et des variations dimensionnelles, sont traités. En outre, l'approche expérimentale s'attache à caractériser les phénomènes physiques à plusieurs échelles. Microscopiquement, la caractérisation du réseau poreux des matériaux est réalisée par isothermes de désorption et d'intrusion mercure. Puis une étude 4D des liens entre lixiviation et fissuration est menée par microtomographie par rayons X (résolution: 5 µm). L'effet du retrait empêché par déformations différentielles entre granulats et matrice cimentaire est mis en évidence dans l'apparition de la fissuration. En outre, la présence d'une préfissuration accélère la dégradation. Macroscopiquement, le retrait lié au séchage lent de matériaux a été quantifié et modélisé par approche poromécanique. De plus, une microfissuration, répartie au sein du matériau, engendre plus de perturbations sur la désorption que quelques macrofissures localisées. Enfin, la résistance en traction par fendage est modifiée par le séchage, par une compétition entre le confinement de l'éprouvette, la fissuration induite et les granulats. Le comportement en traction directe a fait l'objet d'études préliminaires.

  • Titre traduit

    Multi-scale experimental study on hydraulic, mechanical and chemical couplings of cementitious materials


  • Résumé

    To determine the hydro-mechanical and chemical behaviour in cementitious materials is a key point to predict the durability of a structure submitted to complex stresses, such as the radioactive waste underground disposaI. This work is performed on mortars and cement pastes, with two distinct water-to-cement ratios. Coupling between hydric stresses by drying, hydro-chemical effect of calcium leaching, and the mechanical behaviour of the material, with a focus put on damage and strains evolution, are studied. Moreover, the experimental approach tries to characterize the physical phenomenons with a multi-scale view. From microscopic aspects, the characterization of the porous network is obtained by means of desorption isotherms and mercury intrusion. The influence of the W/C ratio is highlighted. Then, in a 4D approach of coupling effects between calcium leaching and cracking is conducted with X-ray microtomography (resolution: 5 µm). The restrained shrinkage due to differential strains in aggregates and cementitious matrix is shown as the cause of microcracking. ln addition, a pre-cracking increases the chemical degradation of the material. From macroscopic aspects, the shrinkage due to a smooth drying is experimentally determined, and a poromechanical model is then proposed. The diffuse microcracking effects appear to have more importance on the desorption than several localized macrocracks. Finally, the decrease in the saturation of the material modifies the splitting tensile strength. This could be due to a competitive effect between shrinkage, stresses and the influence of the aggregates in the cracking energy. Some preliminary tests are also conducted in direct tension.


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