Comportement du béton sous chargement triaxial : analyse tomographique et modélisation à l’échelle mésoscopique

Behavior of concrete under severe triaxial loading : tomographic analysis and modeling at the mesoscopic scale

• Auteur / Autrice : Cédric Poinard
• Direction : Yann Malécot, Laurent Daudeville, Philippe Marin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Grenoble INPG
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Sols, solides, structures - risques (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Yves Berthaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eric N. Landis, Christophe Pontiroli
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Fabrice Gatuingt, Nicolas Burlion

Mots clés

Mots clés contrôlés

Méthode des éléments discrets

Porosité

Béton -- Fatigue

Mots clés libres

Béton

Chargement triaxial

Tomographie Rx

Mécanismes d'endommagement

Porosité

Modélisation mésoscopique

Éléments discrets

Concrete

Triaxial loading

X-ray tomography

Damage mechanisms

Porosity

Mesoscopic modeling

Discrete element

Résumé

Ce mémoire de thèse s'intéresse au comportement du béton sous chargement triaxial sévère, et plus précisément, aux mécanismes de dégradation associés. Le cadre plus général de cette étude est l'amélioration de la tenue des infrastructures soumises à des chargements dynamiques de type impact, pouvant générer des contraintes moyennes dans le béton de l'ordre du GPa. Des essais quasi-statiques sont nécessaires pour caractériser le comportement d'un matériau dans un état de contraintes homogènes. Les travaux présentés dans ce manuscrit proposent d'investiguer les mécanismes de dégradation du béton lors d'essais triaxiaux. Pour cela, deux machines innovantes sont utilisées : une presse triaxiale de grande capacité (Giga) et un tomographe à rayons X. Le processus de réalisation des essais consiste à scanner des échantillons de béton à l'état vierge et après chaque cycle de chargement (charge-décharge) effectué avec la presse triaxiale. Les images issues de ces examens tomographiques permettent d'évaluer la modification de la mésostructure du béton (échelle où les granulats et les macropores apparaissent) selon différents trajets et niveaux de chargement. Deux échantillons ont été testés triaxialement selon ce processus. Le premier, à relativement faible confinement (50 MPa), montre que les mécanismes menant à la rupture sont fortement localisés et principalement initiés à l'échelle microscopique. Le deuxième, testé à un très fort confinement (650 MPa), présente un endommagement diffus avec également un mécanisme de rupture localisé. Un modèle mésoscopique, utilisant la méthode aux éléments discrets, est également présenté dans ce manuscrit. L'originalité de cette approche réside d'une part dans le caractère prédictif du modèle développé, le comportement du mortier, des granulats ou de leur interaction étant identifié a priori ou à partir d'essais réalisés sur mortier et roche. D'autre part, la méthode de construction du maillage éléments discrets s'appuie sur la segmentation 3D d'images tomographiques ce qui permet une comparaison des faciès de ruptures expérimentaux et numériques. Ce modèle aboutit à une bonne prédiction du comportement triaxial du béton, et semble être un outil prometteur d'étude des mécanismes d'endommagement et de l'influence de paramètres de composition du béton

This thesis focuses on the behavior of concrete under severe triaxial loading. The stress levels studied are, more accurately, those caused by a missile impact. The broader context of this study is to improve the understanding of infrastructures under dynamic loading type impact, which can generate mean stresses in the concrete of the order of GPa. Quasi-static tests are needed to characterize the behavior of a material in a homogeneous state of stress. The work presented in this thesis proposes the investigation of damage mechanisms of concrete during triaxial loading tests. For this, two innovative machines are used : a large capacity triaxial press and an X-ray computed tomography instrument. The process of conducting tests is to scan concrete samples in the undamaged state and after each loading cycle (load-unload) performed by mean of the triaxial press. The images from these tomographic examinations allow to assess the evolution of the mesostructure of concrete (scale where aggregates and macropores appear) for different loading paths and loading levels. Two samples were tested according to this process. The first one, at relatively low confinement (50 MPa), shows that the mechanisms leading to failure are very localized and mainly initiated at the microscopic scale. The second one, tested at a very high confinement (650 MPa), has a diffuse damage with also a localized failure mechanism. A mesoscopic discrete element model is also presented in this manuscript. The originality of this approach lies in the predictive model developed on one hand, the behavior of mortar, aggregates or their interaction is identified a priori or from tests on mortar and rock. On the other hand, the method of constructing the discrete element mesh is based on the 3D segmentation of tomographic images what allows a comparison between fracture facies of both experiment and numerical specimens. This model leads to a good prediction of the triaxial behavior of concrete and appears to be a promising tool to study damage mechanisms and the influence of parameters of concrete composition