Modélisation morphologique et micromécanique 3D de matériaux cimentaires

par Julie Escoda

Thèse de doctorat en Morphologie mathématique

Sous la direction de Dominique Jeulin.

Le président du jury était Karen Scrivener.

Le jury était composé de Dominique Jeulin, Paul Acker, Julien Sanahuja, François Willot.

Les rapporteurs étaient Luc Dormieux.


  • Résumé

    Cette thèse porte sur la modélisation morphologique de matériaux cimentaires, et sur l'analyse de leurs propriétés linéaires élastiques. Dans cet objectif, des images 3D, obtenues par micro-tomographie, de matériaux cimentaires (mortier et béton) sont étudiées. Dans un premier temps, l'image de mortier est segmentée afin d'obtenir une image de microstructure réelle pour des calculs en élasticité linéaire. L'image de béton est utilisée, après traitement, pour la détermination des caractéristiques morphologiques du matériau. Un modèle aléatoire de béton est ensuite développé et validé par des données morphologiques. Ce modèle comporte trois phases qui correspondent à la matrice, les granulats et les pores. La phase des granulats est modélisée par implantation sans recouvrement de polyèdres de Poisson. Pour cela, un algorithme de génération vectorielle de polyèdres de Poisson est mis en place et validé par des mesures morphologiques. Enfin, les propriétés linéaires élastiques effectives de la microstructure de mortier et de microstructures simulées sont déterminées par méthode FFT (Fast-Fourier Transform), pour différents contrastes entre le module de Young des granulats et de la matrice. Cette étude des propriétés effectives est complétée par une analyse locale des champs dans la matrice, afin de déterminer l'arrangement spatial entre les zones de concentration de contraintes dans la matrice, et les différentes phases de la microstructure (granulats et pores). Une caractérisation statistique des champs est de plus réalisée, avec notamment le calcul du Volume Élémentaire Représentatif (VER). Une comparaison des propriétés élastiques effectives et locales obtenues d'une part sur une microstructure simulée contenant des polyèdres et d'autre part sur une microstructure contenant des sphères est de plus effectuée.

  • Titre traduit

    3D morphological and micromechanical modeling of cementitious materials


  • Résumé

    The goal of this thesis is to develop morphological models of cementitious materials and use these models to study their local and effective response. To this aim, 3D images of cementitious materials (mortar and concrete), obtained by micro-tomography, are studied. First, the mortar image is segmented in order to obtain an image of a real microstructure, to be used for linear elasticity computations. The image of concrete is used, after being processed, to determine various morphological characteristics of the material. A random model of concrete is then developed and validated by means of morphological data. This model is made up of three phases, corresponding to the matrix, aggregates and voids. The aggregates phase is modelled by implantation of Poisson polyhedra without overlap. For this purpose, an algorithm suited to the vector generation of Poisson polyhedra is introduced and validated with morphological measurements. Finally, the effective linear elastic properties of the mortar and other simulated microstructures are estimated with the FFT (Fast-Fourier Transform) method, for various contrasts between the aggregates and matrix' Young moduli. To complete this work, focused on effective properties, an analysis of the local elastic response in the matrix phase is undertaken, in order to determine the spatial arrangement between stress concentration zones in the matrix and the phases of the microstructure (aggregates and voids). Moreover, a statistical fields characterization, in the matrix, is achieved, including the determination of the Representative Volume Element (RVE) size. Furthermore, a comparison between effective and local elastic properties obtained from microstructures containing polyhedra and spheres is carried out.


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