Etude expérimentale et modélisation numérique de la fissuration par retrait de dessiccation des matériaux cimentaires : influences de la rigidité et de la taille des inclusions

Experimental study and numerical modeling of drying shrinkage related cracking in cement-based materials : influence of inclusion stiffness and size

• Auteur / Autrice : Yudan Jin
• Direction : Nicolas Burlion
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 29/01/2021
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LaMcube - Laboratoire de mécanique, multiphysique, multiéchelle
• Jury : Président / Présidente : Jean-Michel Torrenti
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jianfu Shao, Yun Jia, Thomas Rougelot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Farid Benboudjema, Hélène Welemane

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microtomographie

Contrôle non destructif

Inclusions

Béton

Modèles mathématiques

Fissuration

Séchage

Composites de ciment

Mots clés libres

Retrait de dessiccation

Théorie de la péridynamique

Cement composites

Concrete

Drying shrinkage

Cracking

Peridynamics

Numerical modeling

Résumé

La fissuration induite par le retrait de dessiccation est un mécanisme essentiel à prendre en compte dans l'étude de la durabilité des matériaux et structures à base de ciment. La présente thèse est consacrée à l'étude expérimentale et à la modélisation numérique de ce mécanisme en mettant l'accent sur les influences de la rigidité et de la taille des inclusions. La thèse est composée de deux parties.La première partie est consacrée à l'étude expérimentale. Une série d'échantillons de béton sont d'abord préparés avec des inclusions artificielles de différentes rigidités. Ces échantillons sont soumis à différents niveaux de séchage afin d'évaluer les fissures induites par le retrait de séchage. Les échantillons séchés sont ensuite examinés à l'aide de la méthode non destructive de micro-tomographie au rayon X. Les distributions tridimensionnelles (3D) des fissures induites dans les échantillons séchés sont identifiées, y compris leur emplacement et leur forme. L'influence de la rigidité d'inclusion sur le processus de fissuration induite par le retrait est clairement démontrée. On constate que la fissuration induite par le retrait est fortement amplifiée par la différence de rigidité entre l'inclusion et la pâte de ciment. Deuxièmement, des échantillons coulés avec des billes de verre de différentes tailles sont étudiés. En utilisant une procédure expérimentale similaire, les influences de la taille des inclusions sur le processus de fissuration induite par le retrait de séchage sont étudiées.Dans la deuxième partie, une méthode numérique basée sur la théorie de la péridynamique est proposée. La formulation et la mise en œuvre de la méthode numérique sont d'abord présentées et discutées. Son efficacité dans la modélisation de l'initiation et de la propagation de fissures multiples dans des matériaux hétérogènes est ensuite démontrée. La méthode proposée est ensuite appliquée à la description du processus de fissuration induit par le retrait de séchage et le changement de température dans les composites de béton contenant différents types d'inclusions. L'accent est mis sur les effets de la rigidité et de la taille des inclusions sur les modèles de fissuration. Une série de simulations numériques est réalisée. Des comparaisons entre les résultats numériques et les observations expérimentales sont présentées.

Drying shrinkage induced cracking is an essential mechanism to be considered in the durability study of cement-based materials and structures. The present thesis is devoted to experimental investigation and numerical modeling of this mechanism by putting the emphasis on the influences of inclusion stiffness and size. The thesis is composed of two parts.The first part is devoted to experimental study. A series of concrete samples are first casted with artificial inclusions of different rigidities. These samples are subjected to different levels of drying in order to evaluate cracks induced by the drying shrinkage. The dried samples are then examined by using the non-destructive X-ray micro-tomography imaging method. Three-dimensional (3D) distributions of induced cracks in the dried samples are identified, including their location and shape. The influence of inclusion rigidity on the shrinkage induced cracking process is clearly demonstrated. It is found that the shrinkage-induced cracking is strongly enhanced by the stiffness difference between the inclusion and cement paste. Secondly, samples casted with glass balls of different sizes are considered. By using a similar experimental procedure, the influences of inclusion size on the drying shrinkage induced cracking process are investigated.In the second part, a numerical method based on the peridynamics theory is proposed. The formulation and implementation of the numerical method are first presented and discussed. Its efficiency in modelling the initiation and propagation of multiple cracks in heterogeneous materials is then demonstrated. The proposed method is further applied to the description of cracking process induced by drying shrinkage and temperature change in concrete composites containing different types of inclusions. The emphasis is put on the effects of inclusion stiffness and size on cracking patterns. A series of numerical simulations are performed. Comparisons between numerical results and experimental observations are presented.