Étude expérimentale et numérique multi-échelles des propriétés de transport des bétons

Multi-scale experimental and numerical study of transport properties of concrete

• Auteur / Autrice : Mazen Israel
• Direction : Benoît Bary, Stéphane Poyet, Nathalie Macé
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 29/11/2024
• 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 : Laboratoire : Service de la corrosion et du comportement des matériaux dans leur environnement (....-2022 ; Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : École normale supérieure Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1912-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l’ingénierie et des systèmes (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Laurie Lacarriere
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Siham Kamali, Philippe Turcry, Agathe Bourchy, Farid Benboudjema
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Siham Kamali, Philippe Turcry
• DOI : 10.70675/0b9c98e3zeb46z45e9zb164z615ba19f2724

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse multiéchelle

Ions -- Diffusion

Séchage

Béton

Études expérimentales en cas unique

Simulation numérique directe

Mots clés libres

Béton

Séchage

Diffusion

Modélisation

Concrete

Drying

Diffusion

Modelling

Résumé

Le béton est un matériau fondamental dans la construction moderne, mais sa durabilité revêt une importance particulière dans des applications critiques comme les barrages, les ponts, les enceintes de confinement des réacteurs nucléaires et les dispositifs de stockage des déchets radioactifs. La durabilité de ces structures est fortement influencée par la présence d'eau libre dans le réseau poreux du béton. La variation du contenu en eau dans le béton conduit à des phénomènes tels que la carbonatation et le retrait au séchage, en plus de modifier la migration des espèces à travers le béton. La migration de certaines espèces, comme les chlorures, est particulièrement préoccupante, notamment lorsque le béton est en état de saturation. Le béton est constitué d'agrégats imperméables entourés d'une matrice de pâte de ciment poreuse, et la présence de ces agrégats a un effet déterminant sur les mécanismes de transport à travers ce milieu poreux.Cette étude a pour objectif d'étudier l'effet des granulats sur les mécanismes de transport dans le béton, en se concentrant sur le transport de l'eau en conditions non saturées et sur le transport diffusif en conditions saturées. Pour ce faire, une campagne expérimentale débute par la séparation des différentes phases du béton (pâte de ciment durcie (HCP), mortier et béton) par tamisage à l'état frais. Des expériences de séchage sont ensuite réalisées afin d'évaluer les propriétés de séchage de chaque composant. Ces expériences comprennent la détermination de la porosité et de la densité des échantillons étudiés, l'identification de l'isotherme de désorption d'eau pour chaque phase, ainsi que l'analyse de la perméabilité intrinsèque par analyse inverse, utilisant des essais de séchage à une humidité relative spécifique. Concernant la diffusion, des expériences utilisant des traceurs (³⁶Cl et ³H) sont menées afin d'analyser le comportement diffusif à l'aide de deux techniques : l'essai de diffusion entrante par les techniques d'autoradiographie et de Broyage et l'essai de diffusion traversante. Ces expériences consistent à saturer la structure poreuse des échantillons étudiés avec du chlorure stable afin de limiter la décroissance de la diffusion. À cette fin, une isotherme de sorption/désorption du chlorure est réalisée pour s'assurer que la concentration en chlorure stable choisie reste dans la plage de concentrations associée à un rapport de distribution linéaire. Cette procédure permet d'éviter toute précipitation de chlorure ou la formation de composés susceptibles d'altérer le comportement diffusif, en raison d'une concentration trop élevée en chlorure. Les résultats expérimentaux fournissent ainsi des données cruciales pour l'analyse du comportement au séchage et à la diffusion des matériaux cimentaires à différentes échelles.Les données expérimentales recueillies constituent la base d'une phase de modélisation numérique, visant à développer un outil capable de prédire les propriétés de transport en conditions saturées et non saturées. Cet outil numérique repose sur l'utilisation de la tomographie aux rayons X pour scanner les échantillons et capturer leur véritable structure granulaire, permettant ainsi la création d'échantillons virtuels pour des simulations détaillées des propriétés de transport. Après l'obtention de ces échantillons virtuels, des simulations sont réalisées afin d'identifier les propriétés de transport du béton, en s'appuyant sur les résultats expérimentaux obtenus pour la pâte de ciment. La validation de cet outil consiste à comparer les résultats numériques avec les données expérimentales. En se concentrant sur le comportement de chaque phase du béton, en particulier la HCP, l'étude fournit une compréhension approfondie de l'effet des agrégats sur les processus de transport dans le béton, essentielle pour prévoir et améliorer la durabilité des structures civiles critiques.

Concrete is a fundamental material in modern construction, but its durability is of particular importance in critical applications such as dams, bridges, nuclear reactor containments and radioactive waste storage facilities. The durability of these structures is strongly influenced by the presence of free water in the concrete's pore network. Variations in water content in concrete lead to phenomena such as carbonation and drying shrinkage, in addition to modifying the migration of species through the concrete. The migration of certain species, such as chlorides, is of particular concern, especially when concrete is in a saturated state. Concrete is made up of impermeable aggregates surrounded by a porous cement paste matrix, and the presence of these aggregates has a determining effect on transport mechanisms through this porous medium.The aim of this study is to examine the effect of aggregates on transport mechanisms in concrete, focusing on water transport under unsaturated conditions and diffusive transport under saturated conditions. To this end, an experimental campaign begins with the separation of the different concrete phases (hardened cement paste (HCP), mortar and concrete) by sieving in the fresh state. Drying experiments are then carried out to assess the drying properties of each component. These include determination of the porosity and density of the samples studied, identification of the water desorption isotherm for each phase, and analysis of intrinsic permeability by inverse analysis, using drying tests at a specific relative humidity. With regard to diffusion, experiments using tracers (³⁶Cl and ³H) are carried out to analyze diffusive behavior using two techniques: In-diffusion experiments using digital autoradiography and grinding techniques and through-diffusion experiment. These experiments involve saturating the pore structure of the samples studied with stable chloride to limit diffusion decay. To this end, a chloride sorption/desorption isotherm is performed to ensure that the chosen stable chloride concentration remains within the concentration range associated with a linear distribution ratio. This procedure avoids any chloride precipitation or the formation of compounds likely to alter diffusive behavior, due to an excessively high chloride concentration. The experimental results thus provide crucial data for analyzing the drying and diffusion behavior of cementitious materials at different scales.The experimental data collected form the basis of a numerical modeling phase, aimed at developing a tool capable of predicting transport properties under saturated and unsaturated conditions. This numerical tool relies on the use of X-ray tomography to scan samples and capture their real granular skeleton, enabling the creation of virtual samples for detailed simulations of transport properties. Once these virtual samples have been obtained, simulations are carried out to identify the transport properties of concrete, based on experimental results obtained for cement paste. Validation of this tool involves comparing numerical results with experimental data. By focusing on the behavior of each concrete phase, in particular HCP, the study provides an in-depth understanding of the effect of aggregates on transport processes in concrete, essential for predicting and improving the durability of critical civil structures.