Effets d'échelle statistiques sur la résistance à rupture en compression du béton

par Chi cong Vu

Projet de thèse en Sciences de la Terre et de l'Univers et de l'Environnement


Sous la direction de Jérôme Weiss et de Olivier Ple.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de Terre, Univers, Environnement , en partenariat avec Institut des Sciences de la Terre (laboratoire) depuis le 01-10-2015 .


  • Résumé

    Le problème des effets d'échelle sur la résistance mécanique des matériaux, i.e. le fait que plus un échantillon de matière est grand, plus sa contrainte à rupture sera faible, est un des plus anciens problèmes de mécanique. Mis en évidence expérimentalement il y a 500 ans par Leonardo da Vinci, ces effets d'échelle sont classiquement expliqués par la théorie du maillon le plus faible, conceptualisée pour la première fois par Edmée Mariotte au XVIIème siècle : plus le volume de matière considéré est grand, plus la probabilité d'y trouver un « défaut » pré-existant important sera grand, défaut à partir duquel une fracture est supposée s'initier et se propager pour mener à la ruine. Ceci implique qu'un système de taille infini aura une résistance nulle. Cette théorie repose sur des hypothèses fortes : absence d'interactions mécaniques entre défauts, rupture à l'échelle globale supposée suivre immédiatement l'initiation de la première fracture (fragilité extrême). Si ces hypothèses peuvent sembler raisonnables pour des matériaux peu désordonnés sollicités en traction, des chercheurs de l'OSUG et de l'ESPCI de Paris ont récemment démontré1 qu'elles ne sont pas respectées pour des matériaux naturels comme les roches sollicitées sous compression, c'est-à-dire dans des conditions correspondant aux situations géophysiques. Dans ce cas, la rupture est un processus complexe impliquant la nucléation de nombreuses microfissures qui interagiront entre elles pour former in fine une faille dont l'activation sera à l'origine de l'instabilité mécanique macroscopique. Il a été montré que ce processus pouvait s'interpréter comme une transition de phase critique1,2, ce qui permet d'en déduire des effets d'échelle qui contredisent la théorie du maillon le plus faible mais sont en excellent accord avec les données disponibles sur les roches. En particulier, un système de taille infinie conservera une résistance mécanique non nulle, ce qui a bien sûr d'importantes conséquences en géophysique. Bien des questions restent cependant posées, comme le rôle exact du désordre microstructural (grains, joints, ..), de l'anisotropie (p.ex. schistosité), de la cohésion (milieu granulaire ou cohésif), tant du point de vue théorique qu'expérimental. La réponse à celles-ci constituera le travail de thèse. La partie théorique aura lieu en collaboration étroite avec le laboratoire PMMH de l'ESPCI (Paris), alors que la partie expérimentale (essais de mécanique des roches, émission acoustique, ..) aura lieu à ISTerre (Grenoble) et au LOCIE (Chambéry).

  • Titre traduit

    Statistical size effects on compressive strength of concrete


  • Résumé

    The problem of scale effects on the mechanical strength of materials, i.e. the fact that the larger the volume of matter, the lower its mechanical strength, is one of the oldest problems of mechanics. Demonstrated experimentally 500 years ago by Leonardo da Vinci, these scale effects are classically explained by the so-called weakest link theory, conceptualized for the first time by Edmée Mariotte in the seventeenth century : the larger the volume of material, the greater the likelihood of finding a pre-existing defect from which a fracture is assumed to initiate and propagate until macroscopic breakdown. This implies that a system of infinite size will have a vanishing strength. This theory is based on strong assumptions: absence of mechanical interactions between fractures, macroscopic instability following immediately the initiation of the first fracture (hypothesis of extreme brittleness). If these assumptions may be reasonable for weakly disordered materials under tension, it has been recently shown1 that they are irrelevant for natural materials such as rocks stressed under compression, i.e. under conditions corresponding to geophysical situations. In this case, failure results from a complex process involving many nucleated microcracks which interact together to ultimately form a fault whose activation will cause the macroscopic mechanical instability. It has been shown that this process could be interpreted as a critical phase transition, allowing to derive scale effect formulations that are in contradiction with the weakest link theory but in excellent agreement with the available data on rocks. In particular, the strength of a system of infinite size does not vanish, which of course has important implications in geophysics. Many questions remain however, as the exact role of the microstructural disorder (grains , joints, ..), of the anisotropy (e.g. schistosity ), of cohesion (cohesive vs granular medium ), both from the theoretical and experimental point of view. These fundamental questions will constitute the backbone of the thesis. The theoretical part will take place in close collaboration with the laboratory PMMH at ESPCI (Paris), while the experimental part (rock mechanics testing, acoustic emission, ..) will be held at ISTerre (Grenoble) as well as at LOCIE (Chambéry).