A Meso-Macro Numerical Approach for Chloride Diffusivity Modeling Taking into Account Chloride Binding and Crack Evolution in Concrete

par Mohammed Naji Hammood

Thèse de doctorat en Sciences pour l’ingénieur

Sous la direction de Ouali Amiri et de Nathan Benkemoun.

Soutenue le 20-10-2017

à Nantes , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Nantes) , en partenariat avec Université Bretagne Loire (COMUE) et de Laboratoire de génie civil et génie mécanique (LGCGM) (laboratoire) .

Le président du jury était Abdelkarim Ait-Mokhtar.

Le jury était composé de Jean-Baptiste Colliat.

Les rapporteurs étaient Jean-Baptiste Colliat, Fabrice Bernard.


  • Résumé

    La pénétration des ions chlorure est la principale cause de la dégradation des structures en béton, par corrosion des armatures, entraînant un impact sévère sur leur durabilité et leur durée de vie. La pénétration de ces agents agressifs pourrait être favorisée davantage par la présence de fissures. Dans cet thèse, nous avons utilisé la méthode des éléments finis (EF) pour résoudre l'équation de la loi de Fick couplée à la capacité de fixation d’ions chlorure afin de modéliser la diffusion des ions chlorure à l’échelle mésoscopique. Dans un premier temps, nous avons considéré une représentation 3D d’un matériau, sain, hétérogène biphasé (comme le béton) ou les inclusions (granulats) sont noyées dans une matrice de mortier. Le problème des interfaces (inclusion/matrice) a été résolu en utilisant la méthode E-FEM (Embedded Finit Element Method). Au niveau de ces interfaces, nous avons introduit une discontinuité faible du champ de concentration de chlorures. Une approche d’homogénéisation par moyennes spatiales se basant sur les travaux de Pouya est également utilisée pour prédire les tenseurs de diffusivité macroscopiques des matériaux biphasiques. La comparaison avec l'équation de Maxwell et des résultats expérimentaux a été réalisée pour montrer la précision de l’approche numérique proposée. Dans un second temps, l’approche méso-macro est représentée pour introduire un modèle numérique capable de fournir des informations macroscopiques (tenseur de diffusion moyen) intégrant le niveau d’ouverture de fissure, le chemin de fissuration et l’hétérogénéité des matériaux quasi fragiles tels que les matériaux cimentaires (béton, mortier, ….). Dans ce cas, des points clés du processus de fissuration comme l’évolution d’une fissuration répartie vers une fissuration localisée (macro-fissure(s)), la tortuosité de la fissure et son anisotropie sont intégrées naturellement dans la diffusivité macroscopique. En fin, le tenseur défini est ensuite utilisé afin d'estimer la durée de vie des structures en béton, y compris l'effet de l'endommagement et de la mésostructure interne.


  • Résumé

    The penetration of chloride ions has an essential responsibility in the degradation of concrete structures caused by reinforcement corrosion leading to a severe impact on the durability and service life of concrete structures. The problem becomes more critical with the existence of cracking which accelerate the penetration of chloride ions into concrete cover. In this work, the FE formulation for the numerical modelling of chloride ions diffusion accounting for chloride binding capacity in mesoscale concrete is introduced. The mesostructure is based on a twophase 3D representation of heterogeneous materials, such as concrete, where stiff aggregates are embedded into a mortar matrix. For this purpose, we turn to the Embedded Finite Element Method (E-FEM). This is performed by introducing a weak discontinuity in the chloride concentration field for finite elements where the physical interface is present. Numerical spatial homogenization experiments based on Pouya’s works are also performed on 3D mesostructures to compute macroscopic diffusivity tensors accounting for two-phase material. Comparison with Maxwell's equation and experimental results are carried out to show the accuracy of the proposed numerical approach. Finally, the meso-macro approach is presented to introduce a numerical model capable of providing macroscopic information (mean diffusivity tensor) integrating the level of crack opening, crack path and heterogeneity of materials in quasi-brittle concrete. The mesoscale coupling with the mass transport part is based on Fick’s Law with a modified diffusion coefficient taking into account crack opening and aggregates. The macroscopic diffusivity tensor integrates more complex features such as the cracking evolution process, tortuosity of the crack’s path, inducedanisotropy and presence of aggregates. The defined tensor is used afterwards in order to estimate the service-life of concrete structures, including the effect of the cracking and the internal mesostructure.


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