A combined experimental and numerical approach to spalling of high-performance concrete due to fire

par Dorjan Dauti

Thèse de doctorat en Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie

Sous la direction de Stefano Dal Pont et de Benedikt Weber.

Le président du jury était Christian La Borderie.

Le jury était composé de Alain Millard, Matthieu Briffaut.

Les rapporteurs étaient Christian La Borderie, Roberto Felicetti.

  • Titre traduit

    Une approche expérimentale et numérique à l'écaillage du béton à haute performance exposé à haute température


  • Résumé

    Le béton est un matériau très utilisé dans l'industrie de construction. Une limite essentielle à un usage de ce matériau est sa dégradation par écaillage lorsqu’il est exposé au feu. Le phénomène d'écaillage consiste en une éjection du béton sous forme d'écailles à la surface du béton exposée à l'incendie. La section de béton s'en trouve progressivement réduite. De plus, ce phénomène expose les armatures et peut conduire à une rupture prématurée de structures telles que les tunnels, les gratte-ciels, les centrales nucléaires etc. De nombreuses recherches ont été consacrées à la mise au point de méthodes de prévention de l'écaillage et à la détermination des paramètres qui ont une influence sur ce phénomène. Cependant, la physique qui contrôle l'écaillage n'est pas encore entièrement comprise. L'objectif principal de la thèse est de fournir une meilleure compréhension des mécanismes impliqués dans l’écaillage du béton en utilisant une approche numérique-expérimentale, i.e., la tomographie neutronique couplée à la modélisation numérique avancée à une échelle adéquate.Dans ce travail, les premières mesures 3D de la teneur en eau du béton (grandeur locale indispensable au suivi du processus de déshydratation potentiellement responsable de l’écaillage) soumis à un chargement thermique sévère ont été réalisées à l'aide de tomographies neutroniques rapides. Le suivi de la déshydratation rapide du béton a été possible en réalisant un scan 3D toutes les minutes grâce à la source neutrons de l'Institut Laue Langevin (leader mondial), à Grenoble, France. Cette vitesse d'acquisition est dix fois plus rapide que toute autre étude tomographique rapportée dans la littérature. Un dispositif, adapté à l'imagerie neutronique et aux essais à haute température, a été développé pour réaliser de telles expériences. L'influence de la taille des agrégats sur la distribution de l'humidité au sein de l'échantillon est présentée. Les résultats quantitatifs sur l'accumulation d'humidité derrière le front de déshydratation, connue sous le nom de 'moisture-clog" et considérée comme un des facteurs principaux engendrant un excès de pression, sont également présentés et discutésEn parallèle, un modèle thermo-hydro-mécanique (THM) entièrement couplé a été mis en œuvre sur le logiciel élément fini Cast3M afin d'étudier et prédire le comportement du béton à haute température. Le code nouvellement implémenté est remarquablement plus rapide (20-30 fois) que le code existant sur lequel il est basé. Une approche mésoscopique a été adaptée au modèle pour prendre en compte l'hétérogénéité du béton. D'abord, le modèle est appliqué à des expériences de la littérature, qui étu-dient les paramètres standards tels que la température, la pression du gaz et la perte de masse. En-suite, des profils d'humidité 1D obtenus à partir d'expériences de radiographie neutronique sont utili-sés pour vérifier et améliorer le modèle en termes de lois de comportement critiques telles que les courbes de déshydratation et de rétention d'eau. Enfin, le modèle est utilisé pour prédire la distribution d'humidité 3D mesurée dans ce travail de doctorat par tomographie neutronique. Entre autres, des simulations THM mésoscopiques sont effectuées pour étudier l'influence d'un agrégat sur le front de séchage.


  • Résumé

    Concrete has been extensively used in the construction industry as a building material. A major drawback of this material is its instability at high temperature, expressed in the form of violent or non-violent detachment of layers or pieces of concrete from the surface of a structural element. This phenomenon, known as fire spalling, can lead to the failure of concrete structures such as tunnels, high rise buildings, nuclear power-plants, underground parkings etc. because the reinforcement steel is directly exposed to high temperature and the designed cross section of the concrete elements (e.g., columns, beams, slabs) is reduced. A lot of research has been dedicated on developing preventing methods for spalling and also on determining the parameters that have an influence on it. However, the physics behind this phenomenon is not yet fully understood.In this doctoral, the first 3D measurements of moisture content in heated concrete, which is believed to be one of the processes directly related to spalling, have been performed using in-situ neutron tomography. In order to follow the fast dehydration process of concrete, one 3D scan (containing 500 radiographs) per minute was captured thanks to the world leading flux at the Institute Laue Langevin (ILL) in Grenoble France. This acquisition speed, which is ten times faster than any other experiment reported in the literature, was sufficient to follow the dehydration process. A dedicated setup, adapted to neutron imaging and high temperature, has been developed for performing such kind of experiments. Concrete samples with different aggregate size have been tested. Quantitative analysis showing the effect of the aggregate size on the moisture distribution is presented. Results on the moisture accumulation behind the drying front, known as the moisture-clog, are also presented and discussed.In parallel, a numerically-efficient coupled thermo-hydro-mechanical (THM) model has been implemented in the finite element software Cast3M for understanding and predicting the complex behavior of concrete at high temperature in the context of spalling. The newly implemented code is remarkably faster (20-30 times) than an existing one, on which it is based. A mesoscopic approach has been adapted to the model for taking into account the heterogeneity of concrete. First the model is applied to experiments from literature monitoring standard parameters such as temperature, gas pressure and mass loss. Then, 1D moisture profiles obtained from neutron radiography experiments are used for verifying and improving the model in terms of some critical constitutive laws such as dehydration and water retention curves. Finally, the model is employed for predicting the 3D moisture distribution measured in this doctoral work via neutron tomography. Among others, mesoscopic THM simulations are performed for investigating the influence of an aggregate on the drying front.


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