Lien entre microstructure et résistance à la compression du gypse moussé

Link between microstructure and compressive strength of foamed gypsum

• Auteur / Autrice : Julie Devillard
• Direction : Éric Maire, Sylvain Meille
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des matériaux
• Date : Soutenance le 24/06/2020
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : MATEIS - Matériaux : Ingénierie et Science (Rhône) - Matériaux- ingénierie et science [Villeurbanne] / MATEIS
• Jury : Président / Présidente : Luc Salvo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Éric Maire, Sylvain Meille, Luc Salvo, Maurine Montagnat, Dominique Poquillon, Xavier Brajer
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Maurine Montagnat, Dominique Poquillon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse numérique

Porosité

Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)

Gypse

Mots clés libres

Matériaux

Plâtre

Gypse

Porosité

Indentation sphérique

Tomographie par rayon X

Traitement d'images

Essai in situ

Corrélation d'images volumiques

Image volumique

Endommagement

Densification

Modèle analytique

Analyse numérique par éléments finis

Dureté

Material behaviour

Gypsum

Plaster

Spherical indentation

X-Ray tomography

In situ tests

Digital Volume Correlation

Analytical model

Hardness

Résumé

La présente étude porte sur la caractérisation microstructurale et mécanique du gypse moussé, matériau de cœur des plaques de plâtre allégées, présentant une forte porosité (75%) multi-échelle. L'objectif de ce travail est de déterminer l'influence de la microstructure du gypse moussé sur la dureté mesurée en indentation sphérique et d'analyser les mécanismes d'endommagement pour différentes microstructures. Des essais d’indentation sphérique ont été conduits sur des échantillons présentant des variations des différentes caractéristiques microstructurales du gypse moussé. Ces essais montrent que la masse a une influence du premier ordre sur la dureté et que la dispersion des mesures de dureté en indentation sphérique peut être reliée à l’hétérogénéité de la macroporosité. Des essais d'indentation in situ ont également été effectués, avec un suivi en tomographie aux rayons X et une analyse par corrélation d’images volumiques, afin d’étudier avec précision les mécanismes d'endommagement. Deux modes d'endommagement différents ont été déterminés selon les densités considérées (fraction de macropores variable). Les résultats de ces essais ont été utilisés pour alimenter un modèle analytique, basé sur un critère énergétique qui relie la force d'indentation à la zone endommagée sous l’indenteur. Cela permet de prédire la courbe force-déplacement d'indentation propre à une microstructure avec comme seule donnée d'entrée un scan de la microstructure initiale. Une modélisation numérique a également été effectuée grâce à la méthode des éléments finis avec la prise en compte de la microstructure réelle, à deux échelles. L’utilisation de différents modèles de comportement, basés sur des critères de plasticité, a permis de prévoir les régions impactées par la densification.

This study focuses on the microstructural and mechanical characterization of foamed gypsum, the core material of lightweight gypsum boards, with a high (75%) multi-scale porosity. The objective of this work is to determine the influence of the microstructure of foamed gypsum on the hardness measured in spherical indentation and to analyze the damage mechanisms for different microstructures. Spherical indentation tests were conducted on samples showing variations in microstructural features of foamed gypsum. The results of these tests show that density has a first-order influence on hardness and that the dispersion of hardness measurements in spherical indentation can be related to heterogeneity in macroporosity. In situ indentation tests were also carried out, with X-ray tomography and digital volume correlation (DVC) analysis, in order to accurately study the damage mechanisms. Two different modes of damage were determined according to the densities considered (variable macropore fraction). The results of these tests were used to feed an analytical model, based on an energy criterion that links the indentation force to the damaged area under the indenter. This provides the prediction of the indentation force-displacement curve specific to a microstructure with a scan of the initial microstructure as the only input data. Numerical modelling was also carried out using the finite element method with consideration of the actual microstructure, at two scales. The densified areas were properly predicted by different behaviour models based on plasticity criteria.