Modélisation des effets dynamiques en pression capillaire en couplage avec déformation sur la dessiccation des matériaux poreux

Modelling of the dynamic effects in capillary pressure in coupling with deformation on the desiccation of porous materials

• Auteur / Autrice : Yuliang Zou
• Direction : Frédéric Alain Grondin, Mazen Samir Saad
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Civil
• Date : Soutenance le 10/12/2020
• Etablissement(s) : Ecole centrale de Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Nantes Université)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche en Génie Civil et Mécanique (Nantes)
• Jury : Président / Présidente : Gawtum Namah
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Alain Grondin, Mazen Samir Saad, Gawtum Namah, Didier Lasseux, Christelle Miqueu, Matthieu Vandamme
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Didier Lasseux, Christelle Miqueu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Génie civil -- Essais dynamiques

Capillarité

Matériaux poreux

Mots clés libres

Effets dynamiques

Pression capillaire

Mécanique poreuse

Simulation numérique

Dynamic effects

Capillary pressure

Porous mechanics

Numerical simulation

Résumé

La durabilité des infrastructures constituées de matériaux poreux, tels que le sol, le sable et les matériaux cimentaires, est étroitement liée aux conditions environnementales. La plupart des mécanismes de détérioration sont régis par l'état d'humidité des matériaux poreux. En effet, l'état d'humidité détermine la répartition de la pression capillaire qui est une force importante pour la déformation solide et pourrait augmenter le risque de fissuration. Cependant, la plupart des modèles d'interaction fluide-solide utilisés pour prédire le transport de l'humidité et de la déformation solide ont ignoré le phénomène physique existant, qui est les effets dynamiques sur la pression capillaire. Cette thèse vise à améliorer le modèle d'interaction fluide solide avec la prise en compte de cet effet de capillarité dynamique. Trois modèles dynamiques correspondant à différents types de matériaux poreux ont été développés. Le premier modèle est disponible pour les matériaux poreux à perméabilité relativement élevée, tels que le sable et le sol. Le deuxième modèle est utilisé pour les matériaux à base de ciments matures à faible perméabilité. Le troisième modèle est développé pour les matériaux cimentaires durcissant exposés à des conditions d’humidité relative extrêmement faibles. Chaque modèle dynamique, et le modèle non dynamique correspondant, ont été utilisés pour simuler des expériences de séchage (drainage) documentées pour le sable, la pâte de ciment mature et le béton durcissant, respectivement. En comparant avec des données expérimentales, les simulations numériques montrent que la modélisation avec effets dynamiques donne de meilleurs résultats que la modélisation non dynamique. Toutes les comparaisons et investigations ont renforcé la nécessité de considérer l'effet de la capillarité dynamique pour prédire le transport d'humidité et la déformation solide pour un séchage rapide (drainage) des matériaux poreux.

The durability of infrastructure made of porous materials such as soil, sand and cement based materials is closely related to the environmental conditions. Most of the mechanisms of deterioration are governed by moisture state in porous materials. Indeed, the moisture state determines the distribution of capillary pressure which is an important driving force for solid deformation and could increase cracking risk. However, most of fluid-solid interaction models used to predict moisture transport and solid deformation have ignored the existing physical phenomenon dynamic effects on capillary pressure. This thesis aims to refine the fluid-solid interaction model with the consideration of this dynamic capillarity effect. Three dynamic models corresponding to various types of porous materials have been developed. The first model is available for porous materials with relative high permeability such as sand and soil. The second model is used for mature cement-based materials with low permeability. The third model is developed for hardening cement-based materials exposed to extremely low relative humidity condition. Each dynamic model and corresponding non-dynamic model have been implemented to simulate documented drying (drainage) experiments for sand, mature cement paste and hardening concrete, respectively. Compared with experimental data, the numerical simulations show that modeling with dynamic effects gives better results than non dynamic modeling. All comparisons and investigations enhanced the necessity of considering dynamic capillarity effect to predict the moisture transport and solid deformation for fast drying (drainage) of porous materials