Étude multi-échelle du comportement thermo-hydro-mécanique des matériaux cimentaires : approche morphologique pour la prise en compte de la mésostructure

par Thi Thu Huong Le

Thèse de doctorat en Génie Civil

Sous la direction de Fekri Meftah.

Le président du jury était Adnan Ibrahimbegovic.

Le jury était composé de Fekri Meftah, Mohammed Hjiaj, Hocine Boussa.

Les rapporteurs étaient Hélène Dumontet, Alain Millard.


  • Résumé

    L'étude du comportement du béton en température est un problème majeur qui vise in fine à évaluer le niveau de sécurité des structures sous des sollicitations thermiques sévères, lors d'incendies par exemple. Pour cela, de nombreux modèles sont développés dans un cadre de couplage thermo-hydro-mécanique (THM), pour prendre en compte les différents processus physico-chimiques et mécaniques mobilisés par ces sollicitations et conditionnant la stabilité du matériau béton.Cependant, ces modélisations ne prennent souvent pas en compte explicitement la nature hétérogène du matériau. En effet, le béton est un matériau constitué d'inclusions noyées dans une matrice cimentaire pouvant être schématisée comme un milieu poreux ouvert partiellement saturé en eau. Les inclusions sont caractérisées par leurs natures minéralogiques, leurs morphologies et leurs tailles classées en fuseaux granulaires. Cette hétérogénéité introduit une complexité supplémentaire : la nécessité de prendre en compte la microstructure pour quantifier l'effet de l'incompatibilité (thermique, hydrique et mécanique) inclusion-matrice sur le comportement THM du béton. Ce travail constitue une première avancée dans ce sens. A ce titre, une modélisation élément fini multi-échelle tridimensionnelle (3D) est développée permettant d'affecter des comportements spécifiques à la matrice et aux inclusions. Pour la matrice, siège des transports de masse dans son réseau poreux connecté, une approche thermo-hydrique à trois fluides (eau, vapeur et air sec) est adoptée et est couplée à une loi de comportement poro-mécanique endommageable. Les inclusions (granulats) sont considérées hydriquement inertes, une approche thermo-mécanique avec endommagement est alors retenue.Une analyse, par simulations numériques, des effets de la nature minéralogique des granulats (calcaires ou silico-calcaires) de leurs distributions et de leurs morphologies a été menée sur des configurations 2D et 3D. Les effets étudiés ont notamment concerné l'influence de ces paramètres sur les fluctuations locales des champs de température, de pression de gaz et d'endommagement au regard de la dispersion des mesures expérimentales. L'analyse est limitée à l'échelle mésoscopique, celle où les granulats de taille caractéristique supérieure à 5 mm sont considérés, le reste (stable et pâte de ciment) étant une matrice homogène. Enfin, cette analyse a mis en évidence le besoin de mettre en œuvre une approche expérimentale cohérente avec une analyse mutli-échelle, à la fois pour la caractérisation des propriétés (thermiques, hydriques et mécaniques) de chaque constituant et pour l'étude des évolutions des champs lors des changements d'échelles. Un protocole expérimental a été définit et des premiers résultats d'essais sont présentés et analysés au travers de résultats obtenus dans la partie modélisation

  • Titre traduit

    On a morphological approach of the mesostructure for the multi-scale analysis of the thermo-hydro-mechanical behaviour of cementitious materials


  • Résumé

    The investigation of the behavior of heated concrete is a major research topic which concerns the assessment of safety level of structures when exposed to high temperatures, for instance during a fire. For this purpose, several modeling approaches were developed within thermo-hydro-mechanical (THM) frameworks in order to take into account the involved physic-chemical and mechanical processes that affect stability of heated concrete. However, existing models often do note account explicitly for the heterogeneity of the material : concrete is composite material that may be schematized as an assembly of inclusions (aggregates) embedded in a cementitious matrix (cement paste). This latter may be described as a partially saturated open porous medium. The aggregates are characterized by their mineralogical nature together with their morphology and size distribution. The material heterogeneity bring an additional complexity : the need to take into account the microstructure in order to quantify the effect of matrix-inclusion thermal, hygral and mechanical incompatibilities on the THM behavior of concrete. This work is a first step in this direction. For this purpose, a three-dimensional (3D) multi-scale finite element model is developed. It allows affecting specific behaviors to matrix and inclusions. For the former, where mass transports occur within the connected porous network, a three-fluids approach (liquid water, vapor and dry air) is adopted and is coupled to a poro-mechanical damage based approach. For inclusions (aggregates) no hygral component arises a pure thermo-mechanical model is considered. The developed model is then used to investigate, either by 2D or 3D numerical simulations, effects of mineralogical nature, morphology and distribution of aggregates. Studied effects have mainly concerned the influence of these parameters on local fluctuations of simulated temperature, gas pressure and damage fields with regard to experimentally observed dispersion. The analysis is here limited to the mesoscale, at which only aggregates with a characteristic size above 5 mm are meshed while the remaining inclusions together with the cement paste are considered to be a homogeneous matrix. Finally, the numerical analysis carries out the need to perform an experimental campaign that is consistent with a multi-scale approach of the THM behavior of concrete : an experimental campaign that allows to identify thermal, hygral and mechanical properties of each concrete constituent and that permit to assess evolution of fields during upscalling. An experimental protocol is then elaborated for this purpose and some obtained results are presented and analyzed with regard to results obtained in the modeling part


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