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

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

• Auteur / Autrice : Nicolas Ducoulombier
• Direction : François Caron
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Structures et Matériaux
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 01/12/2020
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : NAVIER
• Jury : Président / Présidente : Richard Buswell
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-François Caron, Arnaud Perrot, Eric Maire, Federica Daghia, Michel Bornert, Camille Chateau, Nicolas Roussel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Arnaud Perrot, Eric Maire

Mots clés

Mots clés libres

Exigences rhéologiques

Fabrication additive par extrusion

Composite unidirectionnel

Fibré

Composite à matrice cimentaire

Fiber-reinforcement

Rheological requirement

Extrusion-based additive manufacturing

Cementitious composite

Unidirectional cementitious composite

Résumé

Ce travail s’intéresse au renforcement des matériaux cimentaire mis en œuvre par fabrication additive à grande échelle. Ce nouveau procédé permet une complexité géométrique importante, généralement fortement consommatrice de moyens matériels et humains. De plus, il rend théoriquement possible l’industrialisation de la fabrication d’éléments constructifs singuliers, par exemple optimisés par répondre à un chargement mécanique donné. Cependant, il n’existe à l’heure actuelle aucune méthode de renforcement standardisée permettant d’obtenir la résistance en traction et la ductilité nécessaire pour leur utilisation dans les structures des bâtiments. Ce qui limite fortement leur utilisation dans la pratique. Si de nombreuses méthodes sont envisagées dans la littérature pour le renforcement des matériaux cimentaires mis en œuvre par impression 3D, celles-ci sont généralement calquées sur les méthodes traditionnelles du renforcement : bétons fibrés, armatures passives et câble de précontraintes. Ce travail de thèse propose un procédé de renforcement alternatif, breveté au cours de ce travail de thèse, qui tire parti de la spécificité du procédé d’extrusion. De nombreux renforts continus sont en effet insérés dans la filière d’extrusion, appelé ici tête d’impression et entrainé par le débit du matériau cimentaire, ce dernier fournissant la force nécessaire aux déroulements des renforts continus. Le matériau extrudé est alors un composite unidirectionnel à matrice cimentaire renforcé par de nombreuses fibres continues alignées selon la direction du parcours d’impression. Ce travail définit alors le cahier des charges du procédé en termes de propriétés rhéologiques de la matrice cimentaire au moment du dépôt et le type de renfort à privilégier permettant l’obtention d’une bonne adhérence des renforts à la matrice cimentaire, nécessaire au développement d’un renforcement significatif en traction. Le comportement mécanique de l’interface est par ailleurs étudié précisément grâce aux développements d’essais micromécaniques dédiées et l'observation de l’endommagement par microtomographie aux rayons X. Les perspective de ce travail sont la caractérisation et la modélisation multi-échelles du comportement du composite à matrice cimentaire et la proposition de systèmes constructifs innovants.

This work focuses on the reinforcement strategies for large scale additive manufacturing of cementitious materials. This new process allows an important geometrical complexity for constructive elements, generally consuming a lot of material and human resources. In addition, it makes it theoretically possible to industrialize the manufacture of singular constructive elements, for example optimized to meet a given mechanical load. However, there is currently no standardized reinforcement method for obtaining the tensile strength and ductility required for their use in building structures. This severely limits their use in practice. While many reinforcement methods are considered in the literature for the 3D-printed cementitious materials, they are a direct transcription of the traditional reinforcement methods such as fibre-reinforced concrete, passive reinforcement and post-tension method. This thesis work proposes an alternative reinforcement process, patented during this thesis work, which takes advantage of the specificity of the extrusion process. Many continuous reinforcements can be inserted before the extrusion die and driven by the flow of the cementitious material, the latter providing the force necessary for the unwinding of each individual continuous reinforcements. The extruded material is then a unidirectional cementitious matrix composite reinforced by many continuous fibers aligned in the direction of the printing path. This work then defines the specifications of the process in terms of rheological properties of the cementitious matrix at the time of deposition and the type of reinforcement to be preferred, allowing good cohesion between the reinforcements and the cementitious matrix necessary for the development of a significant tensile reinforcement. The mechanical behaviour of the interface is also precisely studied thanks to the development of dedicated micromechanical tests and the observation of the damage by X-ray microtomography. The perspectives of this work are the characterization and multi-scale modeling of the behavior of the cementitious matrix composite and the proposal of innovative constructive systems.