Bétons anisotropes: Impression 3D de béton renforcé par fibres longues : process, caractérisation et modélisation.

par Nicolas Ducoulombier

Projet de thèse en Structures et Matériaux

Sous la direction de François Caron et de Michel Bornert.

Thèses en préparation à Paris Est , dans le cadre de SIE - Sciences, Ingénierie et Environnement , en partenariat avec NAVIER (laboratoire) et de Matériaux et structures architecturés (equipe de recherche) depuis le 03-10-2016 .


  • Résumé

    Dans de nombreux secteurs industriels, la réalisation par impression 3D de pièces ou de structures révolutionne la conception des objets. Ce procédé de fabrication « couche par couche » supprime théoriquement toute restriction formelle. Toutefois, dans le cadre de la construction de bâtiment, les méthodes traditionnelles relèvent bien souvent de ce type de construction. De nombreux bâtiments, notamment en béton armé présente une liberté de forme tout à fait remarquable, mais qui est tributaire de la capacité de réaliser des coffrages complexes en amonts. Se pose alors la question de l'intérêt d'imprimer du béton dans ce domaine. Celui-ci apparaît, à mon sens, dans la possibilité de repenser l'anisotropie du béton armé par l'utilisation d'un taux élevé de fibres longues orientées conformément aux besoins. L'enjeu de la thèse est alors d'élaborer un matériau composite de béton hautement fibré dont l'organisation de la microstructure puisse varier afin d'optimiser ses performances selon son utilisation. Le procédé d'impression de couche par couche permet alors de créer des éléments structurels à gradient de propriétés avec ce type matériau. L'élaboration du matériau prend appui sur une relation intime entre choix de matériau type de fibre et la matrice cimentaire complémentaire, forme et performance requise. Deux stratégies ont été mis en évidence, une stratégie de pré-imprégnation de fils multifibres et une stratégie de déroulement de plusieurs fils unitaires. Le choix de la composition de la matrice est alors primordiale pour assurer la faisabilité du processus de mélange fibre matrice. La deuxième étape est la caractérisation expérimentale du comportement mécanique du matériau à différentes échelles: paramètres élastiques, modes de rupture et défauts locaux, loi d'interface fibre /matrice. Pour cela, plusieurs méthodes destructives et non destructives vont être utilisées: les essais mécaniques, l'observation au microscope électronique et l'auscultation acoustique. Enfin la dernière étape est la modélisation multi-échelles du comportement par la définition d'une loi d'homogénéisation et d'un endommagement macroscopique qui s'appuie sur le mode de rupture microscopique. Une fois une version "satisfaisante" du matériau développée, des essais d'utilisation pour la construction de structure à taille humaine par le procédé d'impression 3D vont être mise en œuvre. Et on pourra alors qualifier le niveau de performance de ce type de construction. Cependant, une autre problématique apparaît et concerne la détermination de la loi d'interface entre des différentes couches imprimées. Ce qui pourra faire l'objet d'une étude en fin de thèse.

  • Titre traduit

    Anisotropic concrete: 3D priting of concrete reinforced by long fibers, process, characterisation et modelisation.


  • Résumé

    In many industries, 3D printing revolutionizes the design of objects. This manufacturing process "layer by layer" theoretically removes any restrictions of shape. However, in the context of building construction, traditional methods often fall under this type of construction. Many buildings, including reinforced concrete has a freedom of form quite remarkable. This raises the question of interest to print the concrete in that area. To my mind, it permits the possibility of rethinking the anisotropy of the reinforced concrete by using a high rate of long fibers oriented in accordance with needs. The aim of the thesis is then to develop a composite of highly fibrous concrete whose microstructure can be varied to optimize performance depending on its use. The layer by layer printing process is then used to create structural elements gradient properties with this type material. The development of the material takes into account an close relation between fibre and the complementary cimentious, shape of the structure to make and needed performance. Two strategies have been proposed depending on the type of long fibre packaging: pre-impregnation of multifibre rope (glass fibre, basalte) and simple mix of many unitary fibre and mortar. The composition of matrix is then essensial to assure the process feasibility of process and a good mix between fibre and matrix. The second step is the experimental characterization of the mechanical behavior of materials at different scales: elastic parameters, failure modes and local defects, fiber / matrix interface law. For this, several destructive and nondestructive methods will be used: mechanical testing, electron microscopic observation and sound auscultation. Finally, the last step is the multiscale modeling of the behavior by defining a homogenization and macroscopic damage law that take into account the microscopic fracture mode. By using this iterative procedure, we hope greatly reduce the number of iterations required for the development of our material. Once a "satisfactory" version of expanded material, testing the use for construction of the structure on a human scale by the 3D printing process will be implemented. And then we can qualify the level of perfomance of this type of construction. However, another problem appears and concerns the determination of the interface between different law printed layers. This may be a complementary work to achieve at the end of the thesis.