Elaboration d’une approche micromécanique pour modéliser l’endommagement des matériaux cimentaires sous fluage et cycles de gel-dégel

A micromechanical modelling approach of damage in cementitious materials subjected to creep and freeze-thaw cycles

• Auteur / Autrice : Abderrahmane Rhardane
• Direction : Frédéric Alain Grondin, Syed Yasir Alam
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Civil
• Date : Soutenance le 17/12/2018
• Etablissement(s) : Ecole centrale de Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Centrale Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche en Génie Civil et Mécanique (Nantes)
• Jury : Président / Présidente : Julien Yvonnet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Alain Grondin, Syed Yasir Alam, Julien Yvonnet, Mohammed Matallah, Hélène Dumontet, Fabrice Bernard, Laurent Izoret
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mohammed Matallah, Hélène Dumontet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dégel

Gel

Fluage

Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)

Micromécanique (physique du solide)

Ciment

Modélisation des données du bâtiment

Mots clés libres

Modélisation numérique

Matériaux cimentaires

Micromécanique

Endommagement

Fluage

Retrait

Gel-dégel

Numerical modelling

Cement-based materials

Micromechanics

Damage

Creep

Shrinkage

Freeze-thaw cycles

Résumé

La modélisation numérique du comportement des matériaux cimentaires sous l’action des sollicitations complexes constitue un point de vue alternatif pour identifier et évaluer les mécanismes internes qui ne peuvent être étudiés directement à travers les essais expérimentaux. A cet effet, le développement des outils de modélisation permettant la prise en compte des interactions entre la microstructure hétérogène de la pâte de ciment et le comportement macroscopique des matériaux cimentaires est fortement apprécié. Une telle approche numérique donne une meilleure description des processus physiques et évite la calibration répétitive des paramètres lorsque la microstructure change.Ce travail de thèse a pour objet de mettre au point une approche de modélisation de l’endommagement des matériaux cimentaires compte tenu des mécanismes physiques qui se produisent à l’échelle microscopique. Dans l’approche proposée, les principes de la construction d’une microstructure virtuelle de la pâte de ciment sont présentés et les paramètres micromécaniques des phases cimentaires sont identifiés. La capacité prédictive de l’approche est testée en comparant les résultats numériques aux résultats des essais expérimentaux réalisés dans ce travail et aux résultats tirés de la littérature. L’application de cette approche est ensuite illustrée à travers des simulations de la pâte de ciment sous fluage et cycles de gel-dégel. Cette approche ouvre la voie à une multitude d’applications, comme l’étude de l’effet du retrait, du fluage, des cycles de gel-dégel, de la fissuration thermique, de l’auto-cicatrisation et de la carbonatation sur les propriétés thermomécaniques des matériaux cimentaires.

Numerical modelling of the constitutivebehaviour of cementitious materials exposed to aggressive environment offers an alternative point of view for the identification and assessment of internal mechanisms which cannot be explicitly explored using standard experimental techniques. In this regard, the development of advanced modelling tools that take into account the interactions between the heterogeneous microstructure of cement paste and the macroscopic behaviour cementitious materials is highly valued. Such modelling approaches give a much better description of the physical processes and avoid recurrent parameter calibration when dealing with a different microstructure.The work presented in this PhD thesis proposes a numerical modelling approach of damage in cement based materials taking heed of the physical mechanics that can only be characterized at the microscopic level. In the proposed approach, the principles of constructing a virtual microstructure of cement paste are laid out and the micromechanical parameters of cement phases are identified. The predictive capacity of the micromechanical approach is put to the test by a comparison of numerical results with experimental data determined in the present study and found in the literature. Finally, the power of the approach is illustrated through simulations of creep and freeze-thaw behaviour at the microscopic scale of cement paste.This approach paves the way for a multitude of applications, such as the study of the effect of shrinkage, creep, freeze-thaw cycles, thermal cracking, self-healing and carbonation on the thermomechanical properties of cement-based materials.