Modélisation numérique du comportement des matériaux cimentaires depuis le jeune-âge jusqu’à l’état durci : application au contrôle de l’impression 3D du béton

Numerical modelling of cement based materials from early-age to hardened state: application to 3D concrete printing control

• Auteur / Autrice : Maxime Pierre
• Direction : Siavash Ghabezloo, Patrick Dangla
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Génie Civil
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 13/12/2024
• Etablissement(s) : Marne-la-vallée, ENPC
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : NAVIER
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Géotechnique
• Jury : Président / Présidente : Pietro Lura
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Siavash Ghabezloo, Bernhard Pichler, Arnaud Perrot, Rob J M Wolfs, Sylvie Granet, Patrick Dangla, Jean-François Caron
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Bernhard Pichler, Arnaud Perrot

Mots clés

Mots clés libres

Simulation numérique

Modèle constitutif

3D concrete printing

Numerical simulation

Constitutive modelling

3D concrete printing

Résumé

L’impression 3D de béton est une technologie émergente avec pour promesse d’adresser deux enjeux actuels de l’industrie de la construction: une productivité en berne ainsi qu’un impact environnemental important. Une déposition sélective du matériau permet d’en faire un usage optimal, réduisant ainsi la quantité de matériau utilisée par rapport à la méthode traditionnelle par coffrage tout en diminuant le coût de main d’œuvre. Toutefois, cette nouvelle technologie fait face à de nombreux écueils provenant de l’absence de coffrage. Sans cette barrière mécanique empêchant le matériau cimentaire frais de couler, l’objet imprimé doit être capable de supporter son poids propre dès le très jeune âge. Le coffrage constitue également un couche protectrice vis-à-vis de l’environnement, empêchant notamment le séchage à la surface du béton. Sans lui, des problèmes de durabilité comme la fissuration de retrait deviennent d’importance capitale. Le succès d’une impression à base de matériau cimentaire est jusqu’alors conditionné par le savoir pratique d’opérateurs hautement qualifiés. Afin de rendre la technologie plus fiable et l’ouvrir à un public industriel plus large, des outils de modélisation adéquates pouvant analyser la faisabilité et estimer la durabilité d’objets imprimés sont requis. Le but de ce travail est de développer un outil numérique permettant de répondre à ces attentes. Il se focalise sur deux aspects : la modélisation du comportement à l’échelle du matériau et la simulation à l’échelle structurelle des objets imprimés. La loi de comportement proposée ici est une extension de développements précédents sur la modélisation basé sur la poromécanique des ciments de puits pétroliers incluant les couplages thermiques, la viscoplasticity ainsi qu’un certain nombre de mécanismes additionnels d’intérêt pour l’impression 3D, comme l’interaction entre saturation partielle des pores et hydratation. Ce modèle est dérivé dans un cadre théorique thermodynamique général. Il est validé à partir de données expérimentales existantes sur le comportement hydromécanique durant l’hydratation de pâtes de ciment, et montre sa capacité à prendre en compte l’effet de l’histoire de chargement sur le comportement à un temps donné. La simulation de l’impression 3D passe aussi par la modélisation du processus d’impression lui-même. Pour cela, un outil de simulation complet a été développé sur la base d’éléments en accès libre. Il comprend un outil produisant le maillage à partir de données du parcours robot, associé à un solveur éléments finis afin de créer un « jumeau numérique » de l’impression. Ce solveur permet de simuler la déposition continue du matériau durant l’impression en faisant évoluer la géométrie de l’objet avec le temps. Des paramètres liés au processus d’impression, comme l’écrasement des couches, sont également pris en compte. Grâce à cet outil, la ruine d’objets à géométrie complexe durant leur impression peut être estimée, qu’elle intervienne par effondrement plastique ou par flambement. Au-delà de la phase d’impression, les couplages thermo-hydro-chimiques liés à l’évaporation peuvent également être simulés afin d’investiguer le phénomène de « joint froid » et les hétérogénéités de propriétés dans l’épaisseur du cordon. Enfin, la possibilité d’utiliser cet outil afin d’optimiser certains paramètres liés au processus, comme par exemple la vitesse d’impression, est démontrée. De fait, il est possible de moduler ces paramètres durant l’impression pour maximiser la productivité tout en assurant ne pas être en danger de ruine de l’objet.

3D concrete printing is a technology on the rise, promising to tackle two of the main issues in the construction industry today: low productivity and high environmental impact. Selective deposition of the material allows for optimal usage, thus reducing overall material consumption compared with traditional casting, while also alleviating the need for skilled labour.However, this new technology is faced with many critical issues stemming from the elimination of the formwork. Without the mechanical barrier of the formwork preventing fresh cement-based material from flowing out, the 3D-printed material must be able to sustain its self-weight at the very early age. The formwork also constitutes a protective layer against the environment, namely preventing drying from the concrete surface. In its absence, shrinkage cracking and other durability issues become of prime importance. The success of 3D printing with cement-based materials relies until now mainly on the practical knowledge of highly-skilled operators. To improve the consistency of the technology and enable a wider adoption in the industry, adequate modelling tools are required with the ability to analyse the feasibility and estimate the durability of 3D printed objects. The goal of the present work is to develop a comprehensive framework capable of serving this purpose. It is focused on two aspects: constitutive modelling at the scale of the material and structural-scale simulation of 3D printed objects. The proposed constitutive model constitutes an extension of previously developed poromechanics-based models for oil-well cementing purposes. The improvements include thermal couplings, viscoplasticity, and taking into account additional mechanisms relevant to materials and load cases in the context of 3D printing, such as the interaction between partial saturation and hydration kinetics. This model is fully encompassed in a general thermodynamical theoretical framework. It is validated against existing experimental results on early-age cement pastes involving hydromechanical couplings during hydration. The model can account for the effect of previous stress history on the material behaviour at a given time. Simulating 3D concrete printing also requires modelling of the printing process itself. To this end, a full simulation framework was developed based on open-source bricks.It includes a meshing tool which produces meshes based on robot printing paths associated with an FEM solver to create a ``digital twin'' of the printing process. Indeed, during printing, material is continuously being deposited so that the geometry of a print-piece is evolving in time, which is reproduced in the simulation. Process-related parameters, such as layer-pressing, are also taken into account. Using this framework, failure during the printing of complex geometries can be estimated, be it from plastic collapse or from elastic buckling. Beyond the printing phase alone, the thermo-hydro-chemical coupling mechanisms linked with evaporation at the surface of the fresh mortar can also be simulated to investigate the so-called ``cold-joint'' effect at interfaces or the gradient of hydration observed in the width of a layer. Ultimately, we show how an optimisation procedure can be integrated into the simulation framework to tailor some process parameters such as printing speed ahead of printing. In that way, it is possible to modulate process parameters in the time frame of printing to maximise productivity while steering away from the risk of collapse.