Expérience et étude numérique sur la dynamique de transfert d'humidité dans les matériaux cimentaires poreux à plusieurs échelles

Experiment and numerical study on moisture transfer dynamics in multiscale porous cementitious materials

• Auteur / Autrice : Xiaoyan Ma
• Direction : Rachid Bennacer, Farid Benboudjema
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 17/06/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : École normale supérieure Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1912-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique et technologie (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1975-2021)
• Jury : Président / Présidente : Patrick Perré
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Abdelkarim Ait-Mokhtar, Sabine Care, Miguel Azenha
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Abdelkarim Ait-Mokhtar, Sabine Care

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse multiéchelle

Humidité de l'air

Écoulement en milieux poreux

Matériaux poreux

Mots clés libres

Matériau poreux complexe

Humidité relative

Modèle de transfert d'humidité

Optimisation des paramètres

Structure multi-Échelles

Matériau à base de ciment

Relative humidity

Moisture transferring model

Parameters optimization

Multi-Scale structure

Résumé

Le changement climatique au cours des dernières décennies est fortement influencé par les activités humaines, y compris l'émission de gaz à effet de serre. Dans le domaine de la construction, la production de ciment contribue à environ huit pour cent des émissions mondiales de dioxyde de carbone, du fait que le béton est le matériau manufacturé le plus utilisé qui existe. Par conséquent, en plus de la sécurité, la durabilité du béton et la durabilité de leurs structures représentent des préoccupations importantes concernant la consommation d'énergie et l'impact environnemental mondial.Les résultats de la recherche ont montré que le comportement structurel du béton est étroitement lié à la variation du niveau d'eau en son sein et la perte d'eau libre peut induire une modification de ses propriétés chimiques, élastiques, résistances, retrait ou déformations de fluage. Ainsi, la connaissance de l'état hydrique du béton est de la plus haute importance en ce qui concerne l’évolution du comportement mécanique et le potentiel de durabilité des structures en béton. Du point de vue de la microstructure, la propriété du transfert d'humidité est une liée aux structures internes des pores. Par conséquent, il est également important d'acquérir la connaissance des réseaux de pores et de la distribution de leurs taille sur une large gamme de matériau.Dans ce travail de thèse, nous nous concentrons sur les mécanismes de transfert d'humidité dans le béton, par la combinaison de l'approche expérimentale et numérique. Du point de vue du modèle de séchage et de la structure multi-échelle du béton, nous avons effectué des tests de séchage, d'imbibition et de cycles séchage-imbibition dans différentes géométries de béton pendant plus de 200 jours. Nous avons ainsi obtenu base de donnée fiable sur l’évolution de masse globale des éprouvettes et l'humidité intérieure locale en différents points.Le modèle de transfert d'humidité contient deux mécanismes principaux: la perméation de l'eau liquide et la diffusion de la vapeur d'eau. Sur la base des résultats expérimentaux obtenus et les résultats de simulation (présent modèle) de la perte de masse et de l'humidité calculés par CAST3M, une d'identification des paramètres de ce modèle est effectué par un programme d'optimisation couplé à Matlab. Cette méthode de couplage numérique-expérience-identification est adoptée pour simuler de façon fiable le phénomène de séchage, et les résultats fournissent une approche pratique pour suivre le processus de transfert d'humidité du béton.Après l'optimisation des paramètres, les hypothèses du modèle de transfert d'humidité sont également discutées. L'analyse comprend les hypothèses qui sont proposées dans le modèle ; Une solution analytique simplifiée avec l'hypothèse de coefficient linéaire ; Et le schéma de transfert d'humidité dans le modèle, disant si les deux phases (liquide et vapeur) de l'eau interagissent dans un style parallèle, en série ou en combinaison et comment cela influence le profil d'humidité et l'évolution de la masse. La dernière partie du travail consiste en plusieurs approches pour étudier la structure interne du matériau en béton, combinant la méthode de porosimétrie par intrusion de mercure (MIP), la tomographie par rayons X et le microscope électronique à balayage à faisceau ionique focalisé (FIB-SEM). En adoptant ces trois techniques, nous obtenons la distribution de la taille des pores qui couvre une large gamme de dizaines de nanomètres à quelques millimètres. De plus, la visualisation 3D des bulles volumétriques est reconstituée à partir des résultats de la tomographie aux rayons X.

Climate change in the last decades is hugely influenced by humans activities including the emission of greenhouse gases. In the construction field, cement production contributes to about eight percent of the world's carbon dioxide emissions, due to the fact that concrete is the most widely used manufactured material in existence. Therefore, the sustainability of concrete and the durability of their structures have significant concerns about global energy consumption and worldwide environmental impact. Research results showed that the structural behavior of concrete is closely related to the variation of water level in concretes and the loss of free water may induce a modification of its elastic properties, strengths, shrinkage, or creep deformations. Thus, the knowledge of the hydric state of concrete is of utmost importance regarding the mechanical behavior and durability potential of concrete structures. From a microstructure perspective, the property of moisture transfer is a manifestation of the internal pore structures. Therefore, it is also important to acquire the knowledge of the pore networks and the pore size distribution over a large range of the material. In this thesis work, we focus on the moisture-transferring mechanisms in concrete, by the combination of the experimental and numerical approach. From the perspective of the drying model and the multi-scale structure of the concrete, we performed the test of drying, imbibition, and drying-imbibition cycling in different geometries of concrete for over 200 days, obtaining the global mass variation and local inner humidity data. The moisture-transferring model contains two major mechanisms: liquid water permeation and water vapor diffusion. Based on the present model and the experimental results obtained, the simulation results of mass loss and relative humidity is calculated in CAST3M, and identification produce of parameters in the model is performed in an optimization program coupled with Matlab. A numerical-experiment-identification coupling method is adopted to simulate drying phenomenon, and the results provide a practical approach in following the moisture transfer process of concrete. Following the parameters optimization, the hypothesis in the moisture-transferring model are discussed as well. The analysis includes the assumptions that are proposed in the model; a simplified analytic solution with the hypothesis of linear coefficient; and the moisture transfer pattern in the model, namely if the two phases (liquid and vapor) of water interact in a parallel, series or combination style, how this influences the humidity profile and mass evolution. The last part of the work is multiple approaches to investigate the inner structure of concrete material, including mercury intrusion porosimetry method (MIP), computational X-Ray tomography, and focused ion beam scanning electron microscope (FIB-SEM). By adopting these three techniques, we obtain the pore size distribution that covers a large range from tens of nanometers to few millimeters. In addition, the 3D volumetric bubble visualization is reconstructed from of X-Rray tomography results.