Mesure et analyse de l'état de déformation et d'endommagement interne dans les composites à matrice cimentaire utilisés pour le renforcement des structures de génie civil

Measurement and analysis of strain and internal damage conditions in cementitious matrix composites used for the reinforcement of civil engineering structures

• Auteur / Autrice : Mohamed Saidi
• Direction : Aron Gabor
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 05/06/2020
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Matériaux Composites pour la Construction (Villeurbanne, Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Tine Tysmans
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Aron Gabor, Thouraya N. Baranger, Gianmarco De Felice, Catherine Papanicolaou
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Enzo Martinelli, Eugen Brühwiler

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert de charge

Rayleigh, Diffusion de

Détecteurs à fibres optiques

Composites de ciment

Mots clés libres

Composites à matrice cimentaire (TRM)

Capteurs à fibres optiques

Rétrodiffusion de Rayleigh

Interface renfort/matrice

Longueur de transfert de charge

Comportement local et global

Modélisation analytique

Techniques de mesure

Cementitious matrix composites (TRM)

Optical fibre sensors

Rayleigh back-scattering

Reinforcement/matrix interface

Load transfer length

Local and global behaviour

Analytical modelling

Measurement techniques

Résumé

Les composites à matrice cimentaire et renforts textiles, du fait de leur compatibilité mécanique, environnementale et esthétique, sont utilisés sur une large échelle pour la réhabilitation et le renforcement du patrimoine bâti et des ouvrages du génie civil. Sous l'effet de sollicitations mécaniques ou environnementales, les phénomènes d'interaction et d'endommagement entre le renfort textile et la matrice cimentaire s'avèrent plus complexes que dans le cas des composites à matrice polymères. Celles-ci sont liées principalement au comportement fissurant du composite, à la nature fragile de la matrice et à l'adhérence renfort/matrice à prépondérance mécanique. Plus particulièrement, la connaissance et la compréhension des mécanismes de transfert de charge à l'interface renfort/matrice et l'initiation des fissures restent des verrous scientifiques majeurs.Les techniques de mesure classiques utilisées pour la caractérisation du comportement mécanique des composites à matrice cimentaire (extensomètres mécaniques, corrélation d'image digitale, etc.) sont en mesure de donner des informations sur l'état de déformation et de contrainte de la surface du corps d'épreuve. Les différents mécanismes de sollicitation et de dégradation des composants (renfort, matrice, interface) sont déduits en utilisant les approches de la mécanique des milieux continus et de la rupture.Dans ce contexte, ce travail a pour finalité la mise en place et l'adaptation d'un système de mesure intégrable à l'intérieur des composites : capteurs à base de fibres optiques distribuées. Cette technique de mesure est couplée à la corrélation d'image digitale et des jauges en surface des composites. L'objectif principal est d'analyser plus finement les paramètres mécaniques à l'échelle micro et les mécanismes de transfert de charge, d'initiation et de propagation de fissures, ainsi que les mécanismes d'endommagement. Sur la base d'essai de traction uni-axiale couplé à l'instrumentation choisie, une méthodologie d'identification de lois locales d'interaction renfort/matrice est mise en œuvre. La finalité du travail de thèse sera, grâce à ces lois locales, de déterminer les paramètres matériels du composite (longueur de transfert de charge, contrainte de cisaillement à l'interface renfort/matrice, etc.), et l'établissement des paramètres mécaniques caractéristiques du comportement local (fissuration, endommagement, comportement des interfaces, etc.) et global (lois de comportement, ouverture des fissures). Neuf configurations sont testées et analysées dans ce travail : deux types de matrice, deux types de renfort textile et trois taux de renfort. L'adaptation du protocole expérimental et la fiabilité des résultats obtenus sont validées. Le comportement global et local du composite, de la matrice, du textile et de l'interface sont mesurés et analysés. La longueur de transfert de charge, la contrainte de cisaillement à l'interface textile/matrice, l'endommagement de l'interface et l'ouverture des fissures sont quantifiés et discutés. Les effets du taux de renfort, du type de la matrice et du textile, des paramètres mécaniques et géométriques du composite sur sa réponse mécanique en traction sont identifiés et évalués. Ces résultats sont utilisés pour le perfectionnement et/ou le développement des modèles mécaniques du comportement en rigidité et à la rupture des composites à renfort textile et matrice cimentaire

Due to their mechanical, environmental and aesthetic compatibility, textile reinforced cementitious matrix composites are used on a large scale for rehabilitation and reinforcement of the built heritage and civil engineering structures. Under the effect of mechanical or environmental loads, the phenomena of interaction and damage between the textile reinforcement and the cementitious matrix are more complex than in the case of polymer matrix composites. These are mainly related to the cracking behaviour of the composite, the fragile nature of the matrix and the behaviour of the reinforcement/matrix bond. In particular, knowledge and understanding of the load transfer mechanisms at the reinforcement/matrix interface and crack initiation remain a major scientific challenge.Conventional measurement techniques used to characterise the mechanical behaviour of cementitious matrix composites (mechanical extensometers, digital image correlation, etc.) are able to provide information on the strain and stress state at the surface of a tested specimen. The different mechanisms of internal forces and degradation of the components (reinforcement, matrix, interface) are deduced using approaches of continuum and fracture mechanics.In this context, this work aims at implementing and adapting a measurement system that can be integrated into the core of composites: distributed optical fibre sensors. In order to check its reliability, this measurement technique is coupled with classical extensometer technics such as strain gauges implemented on the surface of the composites and digital image correlation. The main objective is to analyse more precisely the mechanical parameters at the micro scale and the load transfer mechanisms, crack initiation and propagation as well as damage mechanisms. On the basis of uni-axial tensile tests, coupled with the chosen instrumentation, a methodology for identifying local laws of reinforcement/matrix interaction is implemented. The aim of the thesis work is, using these local laws, to determine the micro-mechanical parameters of the composite (load transfer length, shear stress at the reinforcement/matrix interface, etc.) and to establish parameters characteristic of the local and global behaviour (cracking pattern and crack opening, damage indicators, constitutive equations, etc.). Nine configurations are tested and analysed in this work: two types of matrix, two types of textile reinforcement and three reinforcement ratios. The adaptation of the experimental protocol and the reliability of the results obtained are validated. The global and local behaviour of the composite, matrix, textile and their interface are measured and analysed. Load transfer length, shear stress at the textile/matrix interface, interface damage and crack opening are quantified and discussed. The effects of reinforcement ratio, matrix and textile type, mechanical and geometrical parameters of the composite on its mechanical tensile response are identified and evaluated. These results are used for the refinement and/or development of mechanical models of the stiffness and fracture behaviour of textile and cement-matrix reinforced composites