Modélisation multi échelle du comportement thermomécanique des bétons incluant des matériaux à changement de phase micro encapsulés

Multi-scale modeling of thermomechanical behavior of concrete embbemding microencapsulated phase change materials

• Auteur / Autrice : Jérôme Kodjo
• Direction : Julien Yvonnet, Karam Sab
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des Matériaux
• Date : Soutenance le 09/01/2019
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Modélisation et simulation multi échelle (Marne-la-Vallée) - Laboratoire de Modélisation et Simulation Multi Echelle / MSME
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Alain Grondin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Julien Yvonnet, Karam Sab, Mustapha Karkri
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hamid Zahrouni, Patrick Glouannec

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Propriétés mécaniques

Propriétés thermomécaniques

Fissuration

Béton

Mots clés libres

Multi échelle

Thermomécanique

Changement de phase

Béton

Fissuration

Multi-Scale

Thermomechanical

Phase change

Concrete

Cracks

Résumé

Les matériaux à changement de phase (MCP) constituent une alternative prometteuse pour l'amélioration de l'inertie thermique des matériaux de construction. Grâce à leur chaleur latente, ces matériaux permettent de stocker des quantités importantes d'énergie thermique, ce qui permet de réduire la consommation d'énergie liée au chauffage et à la climatisation. Cependant, leur incorporation dans les matériaux cimentaires entraine une baisse de la résistance mécanique du nouveau matériau composite ainsi obtenu. Durant ces dernières décennies, les composites MCP/bétons ont suscité un grand intérêt conduisant à un grand nombre de travaux expérimentaux. Cependant, les modèles théoriques et numériques pour prédire les comportements de ces matériaux complexes sont aujourd'hui très peu développés en raison de la complexité du comportement thermique avec changement de phase, de la séparation d'échelle et de la difficulté que représente la prédiction de l'endommagement par fissuration à l'échelle des hétérogénéités microscopiques. L'objectif de cette thèse est précisément de développer des outils de modélisation numériques pour prédire le comportement thermomécanique effectif du matériau en vue de calculs de structures. Pour cela, des modèles numériques sont développés pour simuler le transfert de chaleur, le comportement mécanique, la fissuration ainsi que la fuite du MCP liquide à travers les fissures, à l'échelle d'un Volume Elémentaire Représentatif du matériau. Après avoir étudié les effets des changements de phase dans le MCP sur le comportement mécanique effectif, une approche multi-échelle (méthode EF²) est proposée afin de réaliser des calculs de structures en tenant compte des phénomènes à l'échelle des micro capsules. Des caractérisations expérimentales thermo-physiques sont menées afin de prouver l'utilité des MCP dans les matériaux de construction et de faire des comparaisons avec les outils d'homogénéisation développés. Enfin, nous proposons une étude dans le but de comprendre et d'évaluer les effets du MCP dans la dégradation des propriétés mécaniques de ces nouveaux matériaux

A promising way to enhance thermal inertia of buildings is the use of phase change materials (PCMs). Thanks to their high latent heat, PCMs can be used to store a significant amount of thermal energy in order to reduce energy consumption related to air conditioning. However, their use leads to a decrease in the mechanical strength of the obtained composites. During the last decades, the incorporation of PCMs in concrete has been of great interest leading to many experimental works. However, theoretical and numerical models to predict the behavior of such complex materials are not developed so far, due to the complexity of the phase change behavior, the scale separation and issues associated to the damage which is mainly induced by microcracking at the scale of microstructural heterogeneities. The objective of this thesis is precisely to develop numerical modeling tools to predict the effective thermomechanical behavior of the material with aim of structural calculations. For this purpose, numerical tools based on microstructures at the scale of microencapsulated PCM are developed to simulate heat transfer, mechanical response, cracks propagation as well as leakage of liquid PCM through cracks. After studying the effects of phase changes in the PCM on the effective mechanical response of the composites, a multi-scale approach (FE² method) is proposed to carry out structural calculations taking into account phenomena at micro scale. Thermo-physical experimental characterizations are carried out to show the usefulness of PCMs in building materials and to make comparisons with the developed homogenization tools. Finally, we propose a study to understand and evaluate the effects of PCMs in the degradation of the mechanical properties of these new materials