Modélisation du comportement élastoplastique d'une pâte cimentaire soumise à la dégradation chimique

Modelling of elastoplastic behaviour of cement based materials with chemical degradation

• Auteur / Autrice : Yan Zhang
• Direction : Jianfu Shao
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 30/01/2008
• Etablissement(s) : Lille 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lixiviation

Cinétique chimique

Contraintes (mécanique)

Élastoplasticité

Équilibre thermodynamique

Ciment

Mots clés libres

Couplage chemo-mécanique

Résumé

Dans cette thèse, nous présentons une modélisation numérique du comportement élastoplastique d'une pâte de ciment soumise à la dégradation chimique. Une courte synthèse bibliographique est d'abord présentée sur la composition minéralogique, la chimie, le comportement mécanique de base, les mécanismes de dégradation chimique et le couplage chimie-mécanique des matériaux cimentaires en général et de la pâte de ciment en particulier. En se basant sur cette synthèse et des données expérimentales, un modèle de comportement élastoplastique est ensuite formulé dans le chapitre 2, pour des pâtes de ciment soumises essentiellement à des contraintes de compression. Deux mécanismes de déformations plastiques sont identifiés, liés respectivement au cisaillement déviatorique et à la compaction des pores. En définissant la dégradation chimique par une variable d'endommagement chimique, les propriétés élastiques et plastiques sont affectées par cet endommagement. Les essais mécaniques effectués sur des échantillons sains et chimiquement dégradés sont simulés par le modèle proposé. La détermination de la cinétique de l'endommagement chimique est abordée dans le chapitre 3. En se basant sur un modèle phénoménologique de la lixiviation chimique, la cinétique de l'endommagement chimique est contrôlée par le processus de diffusion des ions calcium dans la solution interstitielle. La concentration en calcium de la solution interstitielle est alors considérée comme la variable d'état chimique. La variation de la teneur en calcium dans la matrice solide et celle de la porosité sont reliées à la concentration en calcium en fluide par la courbe d'équilibre thermodynamique. La méthode des éléments finis est utilisée par la résolution numérique de l'équation de diffusion généralisée. Le modèle proposé est enfin étendu pour inclure l'endommagement mécanique par microfissuration afin de décrire le comportement fragile des matériaux cimentaires. Un exemple d'application du modèle à une structure soumise à la dégradation chimique est présenté.

Thesis presents elastoplastic modelling of cement-based materials coupledwith chemical degradation and mechanical damage. The emphasis is put on cementpaste subjected to compressive stresses. A short literature review is first presented on the mineralogical composition, chemical degradation mechanisms, basic mechanical behaviour and chemical-mechanical coupling. Based on this analyses and a series of experimental data obtained from uncoupled and coupled tests, an elastoplastic constitutive model coupled with chemical damage is first formulated. Two plastic mechanisms are taken into account; respectivelyrelated to deviatoric shearing and pore collapse. The chemical damage is identified as relative variation of porosity. Elastic and plastic properties are affected by chemical damage. Numerical simulations are compared with experimental data and good agreements have been obtained. The evolution of the chemical damage has been described by the generalized diffusion equation which is based on the mass balance equation and a phenomenological chemistry model. We have used finite element method to solve the generalized diffusion equation. Coupled chemical-mechanical tests have been simulated by the proposed model and we have also obtained satisfactory concordance. An extension of the model is finally proposed by including mechanical damage due to microcracks in order to describe brittle responses of material under tensile stresses and low confining pressures. An example of application to structural analysis with chemical degradation is presented. It has been shown that the proposed model describes correctly the main features of the mechanical behaviours of cement-based materials at different stress conditions with chemical degradation.