Dissertations / Theses on the topic 'Béton autoplaçant – Propriétés – Modèles mathématiques'

Les paramètres de formulation et les conditions de mise en place du béton frais affectent ses propriétés mécaniques et sa durabilité à l’état durci et in extenso la durabilité de l’ouvrage construit. De ce fait, l’ouvrabilité du béton doit être judicieusement choisi selon la géométrie de l’élément à couler et la disposition des armatures. Par exemple, le béton autoplacant (BAP) se met en place sous son propre poids et épouse adéquatement les coffrages sans apport de vibration mécanique. Ainsi le BAP est généralement utilisé pour couler les éléments ayant une géométrie complexe ou difficilement accessible. Le comportement à l’écoulement lors de la mise en place de cette classe de béton peut difficilement être prédit à l’aide des essais empiriques tels que le cône d’Abrams. Par ailleurs, une légère variation des propriétés des constituants peut conduire à un béton avec des faibles performances à l’écoulement. La rhéologie, une branche de la physique qui étudie l’écoulement des fluides, permet une meilleure description des propriétés à l’écoulement des BAP et facilite la compréhension de ce matériau. Le BAP peut être considéré comme une suspension de gros granulats dans un fluide suspendant (mortier). Dans ce cas, des modèles rhéologiques analytiques peuvent être exploités pour prédire les propriétés rhéologiques de ces matériaux et comprendre leur comportement à l’écoulement. Néanmoins, l’applicabilité de ces modèles est fonction de plusieurs paramètres, notamment la nature de la phase suspendante considérée (pâte, mortier de béton équivalent ou mortier), caractéristiques des particules solides, historique de cisaillement de la phase suspendante et de la suspension, etc. Cette recherche exhaustive vise essentiellement à évaluer l’influence de différents paramètres de formulation et d’essais sur les propriétés rhéologiques des BAP afin de comprendre le comportement à l’écoulement de cette classe de béton. Une approche de prédiction des propriétés rhéologiques des BAP simulés par des suspensions diphasiques, c’est-à-dire composés d’une phase suspendante et inclusions solides, est proposée. L’approche diphasique se heurte généralement à la difficulté de définir la phase suspendante. La première phase du programme expérimental est consacrée à une évaluation de l’applicabilité de la méthode de mortier de béton équivalent (MBE) pour prédire les propriétés à l’état frais des BAP. Les résultats obtenus montrent que cette méthode ne fournit pas une bonne corrélation entre les propriétés à l’état frais des BAP et leur MBE. Ceci est dû, en partie, au fait que seule la surface spécifique des gros granulats soit considérée comme critère pour formuler les mélanges de MBE. En effet, les résultats obtenus montrent que le concept de la pâte en excès doit être considéré pour améliorer les relations entre le BAP et son MBE. Ce concept tient compte du volume et de la compacité des gros granulats dans le béton. Bien que l’utilisation de la pâte en excès améliorer l’approche du MBE, mais résulte en des corrélations complexes et difficilement exploitables pour pouvoir appliquer une approche diphasique afin de prédire les propriétés à l’état frais et rhéologiques des BAP en considérant le MBE comme phase suspendante. Pour pallier à cette difficulté, une investigation plus exhaustive de la pâte-mortier/mortier-BAP est nécessaire afin de mieux comprendre la synergie des différents paramètres de formulation et d’identifier la phases suspendante la plus adéquate pour prédire les propriétés du BAP. La deuxième phase de cette étude porte sur l’évaluation de l’effet des caractéristiques des particules solides sur les propriétés rhéologiques des suspensions en exploitant des modèles analytiques, notamment les modèles de Krieger-Dougherty (KD) et de Château-Ovarlez-Trung (COT). Les résultats obtenus ont permis de mettre en évidence l’effet de la forme et de la granulométrie des particules solides sur les paramètres intrinsèques de ces modèles analytiques. De plus, il est montré que ces paramètres intrinsèques sont considérablement affectés par les paramètres de formulation, le protocole de cisaillement et la concentration de la phase suspendante (i.e. rapport Eau/Liant). Par ailleurs, il est montré que le modèle rhéologique (Bingham ou Herschel Bulkley) choisi pour décrire le comportement de la phase suspendante (pâte) et de la suspension (mortier) est un facteur influent sur les propriétés rhéologiques prédites des suspensions. La troisième phase de cette étude vise l’exploitation des modèles analytiques pour prédire les propriétés rhéologiques tout en identifiant une phase suspendante qui représente le plus fidèlement le BAP. Différentes phases suspendantes (mortier) ont été évaluées, notamment le mortier tamisé, mortier type I et le mortier II. Les corrélations entre les propriétés à l’état frais et rhéologiques des BAP et de différents mortiers ont été établies. De plus, l’effet des paramètres de formulation les plus influents sur les corrélations des propriétés rhéologiques entre les différentes phases ainsi que sur les paramètres intrinsèques des modèles de prédiction ont été mis en évidence. Des modèles sont proposés pour prédire les propriétés rhéologiques des mélanges de BAP en considérant le mortier type II comme phase suspendante.

A l'heure actuelle, pour des raisons economiques, les composants en beton sont majoritairement prefabriques dans des unites industrielles ; les cadences de production sont accelerees en ayant recours au chauffage des pieces, afin d'activer leur durcissement: c'est le principe meme de la thermomaturation. La maitrise d'un tel procede est complexe: difficile quantification des apports et pertes energetiques, presence de reactions chimiques tres exothermiques qui induisent de forts couplages thermochimiques au sein du beton frais, l'objectif de la presente etude s'inscrit dans la thematique du genie des procedes: a partir d'une approche de modelisation, on cherche a evaluer les transferts thermochimiques dans le beton frais. Une approche systeme aboutit a la deduction de modeles phenomenologiques decrits par des equations d'etat non lineaires. La modelisation de la cinetique d'hydratation du ciment, ainsi que l'etude de l'action catalytique de la temperature, ont fait l'objet de developpements theoriques approfondis. La resolution numerique du systeme d'equations d'etat couplees a ete possible en utilisant la technique des elements finis, associee a un schema temporel de type predicteur-correcteur. Des etudes de sensibilite parametrique ont mis en evidence la forte influence des apports energetiques et de l'exothermicite d'hydratation sur la fixation des champs de temperature. Tenant compte de ces resultats, des caracterisations experimentales ont ete menees: par microcalorimetrie pour la cinetique chimique, et mesure des temperatures sur un banc de production pour quantifier le chauffage. Apres identification des parametres influents des modeles, la bonne adequation entre simulations et mesures permet de conclure positivement quant a la pertinence de l'approche systeme retenue et a la representativite des modeles proposes

L’avènement des Bétons Autoplacants a apporté d’importantes évolutions dans le secteur du Bâtiment et des Travaux Publics, notamment l’apparition de coffrages complexes destinés à recevoir les volumes importants de béton. Cependant, les outils de caractérisations expérimentales encore empiriques n’ont pas connu le même essor et se cherchent encore. Le travail réalisé est une contribution expérimentale permettant de caractériser le comportement des matériaux à matrice cimentaire à l’état frais notamment les BAP. L’objectif est de suivre l’évolution des contraintes de structuration et des paramètres intrinsèques (particulièrement le seuil de cisaillement) de ces matériaux avant, pendant et après la mise en œuvre. Des expérimentations de pressions interstitielles couplées à de la rhéologie ont été effectuées sur des pâtes de ciment et des bétons à température constante (20°C). Les mélanges étudiés ont été fabriqués avec le même ciment. L’approche consiste entre autre à croiser les résultats obtenus à l’aide d’une colonne coffrante, d’un rhéomètre de laboratoire pour mieux cerner le comportement des matériaux testés. Une première campagne d’essais a permis de s’intéresser aux problèmes de reprises des contraintes de cisaillement aux parois à l’aide de trois dispositifs pour déterminer les contraintes de structuration. Un essai sur colonne permettant de mesurer la pression interstitielle et la pression verticale est réalisé. De plus, une étude portant sur les contraintes aux interfaces a été menée en s’appuyant sur l’évolution de la masse apparente d’une plaque immergée dans les matériaux étudiés. Enfin, des essais de mesure de retrait endogène ont été menés en parallèle avec les essais sur la colonne. Dans un second temps, un rhéomètre rotatif, à géométrie Vane couplé à des capteurs de pressions interstitielles a été développé pour décrire les caractéristiques rhéologiques de ces matériaux. Le but est de suivre l’évolution de l’aptitude à l’écoulement du matériau. Dans ce contexte, l’évaluation des paramètres intrinsèques selon le modèle de Bingham a été réalisée. Les résultats montrent l’influence des paramètres de la composition sur les propriétés rhéologiques. Enfin, du fait de notre interrogation sur l’évolution des propriétés de transfert lorsque le matériau frais est au repos, une campagne expérimentale visant à caractériser la perméabilité d’une pâte de ciment fraîche par le biais d’essai œdomètrique et de filtration est présentée. Nous mesurons ainsi précisément les tassements du matériau sous charge en conditions drainantes ainsi que l’évolution des perméabilités lors de la maturation d’une pâte de ciment
The advent of the Self Compacting Concretes brought important evolutions in the sectors of building behaviour of materials with cementing matrix in a fresh state in particular self compacting concrete. The objective is to follow the evolution of the constraints of structuring and the intrinsic parameters (particularly the threshold of shearing) of these materials, before, during and after the implementation. Experiments of pore water pressures coupled with rheology were carried out on pastes cement and concretes at constant temperature 20° C. The studied mixtures were manufactured with same cement. The approach among other things consists in crossing the results obtained using a casing column, of a rheometer of laboratory for better determining the behaviour of materials tested. A first trial run made it possible to be interested in the problems of recoveries of shear stresses the walls using three devices to determine the constraints of structuring. A test on the column making it possible to measure the pore water pressure and the vertical pressure is carried out. Moreover, one study relating to the constraints with the interfaces was undertaken while being based on the evolution of the apparent mass of a plate immersed in studied materials. Lastly, the dimensional checks of endogenous withdrawal were carried out in parallel with the tests on the column. In the second time, a rotary rheometer, with Vane geometry coupled to interstitial pressure pick-ups was developed to describe the rheological characteristics of these materials. The aim is to follow the evolution of the flow property of material. In this context, the evaluation of the intrinsic parameters according to the model of Bingham was carried out. The results show the influence of the parameters of the composition on the rheological properties. Lastly, because of our interrogation on the evolution of the properties of transfer when the fresh material is at rest, an experimental campaign aiming at characterizing the permeability of a cement paste fresh by device of test oedometric and filtration is presented. We thus precisely measure compressing of material under load in conditions draining as well as the evolution of the permeabilities during the maturation of a cement paste

Le comportement structurel du béton à hautes performances (BHP) reste insuffisamment investigué, comparativement à la littérature abondante sur le béton ordinaire (BO). En l’absence de résultats et de données expérimentales conséquents, les modèles de conception développés pour le BO ont été extrapolés au BHP et ont donc besoin de plus de calibration. Dans ce contexte, une étude expérimentale a été conçue pour étudier le comportement structurel en flexion de 42 poutres en BO armé et en BHP armé; les essais ont été faits en flexion 4-points. Les essais sur des poutres en flexion ont montré que la capacité portante des poutres en BHP est plus élevée (6 à 20%) que celles des poutres en BO. En outre, sous un niveau de sollicitation fixé (l’état limite de service), l’emploi du BHP est plus efficace que celui du BO pour retarder l’apparition de la fissuration et, d’autre part, pour réduire fortement les ouvertures de fissures. A la ruine, on a observé également un meilleur comportement des poutres en BHP qui se sont avérées plus ductiles que les poutres en BO; la valeur moyenne de l’indice de ductilité pour les poutres en BHP est 1,37 fois celles des poutres en BO. Les essais sur la résistance à l’effort tranchant des poutres sans armatures transversales ont montré que l’accroissement de la résistance du béton (44 MPa à 85 MPa) augmente la capacité portante à l’effort tranchant d’une poutre de 7 à 14. Ce constat dénote, qu’à la difference du béton ordinaire, le mécanisme de l’effet d’engrènement des granulats est inefficace dans la capacité de résistance à l’effort tranchant d’une poutre en BHP. Les résultats d��essais ont prouvés aussi que les différentes prédictions théoriques [ACI 318, BS8110, Eurocode 2 et BAEL ] de la contribution du béton à l’effort tranchant ne reflètent pas correctement l’augmentation de la capacité de cisaillement des poutres avec de courtes portées de cisaillement (a/d  1. 5). Pour a/d  2. 0, les recommandations des modèles pour la résistance à l’effort tranchant données dans les quatre règlements sont mieux adaptés aux poutres en BO et poutres en BHP qui exhibent un comportement d’action de poutre. Des formules ont été proposées dans ce travail pour estimer la contribution du béton à la résistance à l’effort tranchant. Ces formules donnent des résultats presque semblables à l’Eurocode-2, notamment pour les poutres en BHP. En ce qui concerne les poutres avec armatures transversales, une rupture fragile par fissuration diagonale est assumée pour les poutres contenant  =2. 4 % (à l'exception des poutres ayant a/d =3. 0) et ce quel que soit le type de béton. Par contre, une rupture ductile se produit pour les poutres faiblement armées ( =1. 2 %) (à l'exception des poutres ayant a/d =1. 5) pour les deux types de béton (BO et BHP). Par ailleurs, la capacité portante en effort tranchant n’est que faiblement améliorée (20 à 50%), et ce contrairement aux orientations des règlements considérés dans ce travail qui prédisent une amélioration signifiante variant de 85 à 220%
The structural behaviour of high performance concrete (HPC) remains insufficiently investigated, compared to the abundant literature on the ordinary concrete (OC). In the absence of results and experimental data consequent, the design models developed for the OC have been extrapolated to HPC and therefore needs more calibration. In this context, an experimental study was conceived to study the structural behaviour of 42 reinforced concrete beams with OC and HPC; the tests were made in 4 points bending. The tests on beams in bending showed that the strength capacity of beams in HPC is higher (6 to 20%) than those of beams in OC. In addition, under a given load level (the serviceability limit state), the use of HPC is more efficient than the OC to delay the cracking occurrence and, hence, to strongly reduce the cracks widths. At failure, it was also observed a better behaviour of beams in HPC that were more ductile than beams in OC; the average value of the ductility index for beams in HPC is 1. 37 times those of the beams in OC. The tests on strength capacity of beams without transverse reinforcement showed that increasing the compressive strength (44 MPa to 85 MPa) increases the shear capacity of a beam from 7 to 14. This finding indicates that, unlike the ordinary concrete, the aggregate interlock mechanism is ineffective in the strength capacity of a beam in HPC. The test results also proved that the different theoretical predictions [ACI 318, BS 8110, Eurocode 2 and BAEL] of the contribution of the concrete to the strength capacity do not accurately reflect the increase in shear capacity of beams with shorter shear spans (a/d  1. 5). For a/d  2. 0, the recommendations of the models for the shear capacity given in the four codes are better suited to beams in OC and beams in HPC which exhibit ‘beam action’ behaviour. New Formulae have been proposed in this work to estimate the contribution of concrete to the shear capacity. These formulae give results almost similar to Eurocode-2, especially for the beams in HPC. Regarding the beams with transverse reinforcement, brittle fracture by diagonal cracking occurred in beams containing  = 2. 4% (except for the beams with a/d = 3. 0) and this for the two types of concrete. On the other hand, a ductile failure occurs for the slightly reinforced beams ( = 1. 2 %) (except for the beams having a/d = 1. 5) for the two types of concrete (OC and HPC). Moreover, the shear capacity is only slightly improved (20 to 50%); this in contradiction with the orientations of the codes considered in this work which predict a significant improvement varying from 85 to 220%

Le but de ce projet de recherche est de développer un outil de modélisation du comportement d’éléments en béton armé selon une discrétisation par couches. En flexion, la modélisation repose sur la capacité de prédire d’une part le comportement d’une section fissurée et d’autre part, le comportement global d’une poutre fléchie. Un endommagement relié à l’historique de chargement est également pris en compte par l’apparition de déformations permanentes et l’imposition d’une diminution de la rigidité des matériaux. L’outil offre alors la possibilité d’établir des seuils d’alarme par la mise à jour de l’indice de fiabilité d’une structure, ce qui constitue un atout significatif à la télésurveillance. Une portion expérimentale permet de confronter les résultats obtenus de la modélisation à des essais en laboratoire sous chargements statiques et cycliques sur des poutres instrumentées. La comparaison entre les résultats expérimentaux et la prédiction du modèle démontre une très bonne concordance, autant sous chargements statiques que cycliques, malgré une prédiction un peu conservatrice des indicateurs de performance à la rupture. Ce phénomène est toutefois favorable dans l’optique de poser des seuils d’alarme en télésurveillance. Finalement, le modèle permet de construire une enveloppe de rupture incluant l’interaction des efforts de cisaillement et de flexion. L’utilisation de la théorie des champs de compression modifiée permet le suivi de l’inclinaison des fissures et de la déformation des étriers à l’ultime. Bref, le modèle assemblé s’avère un outil de prédiction efficace du comportement réel d’éléments fléchis et cisaillés en béton armé.
The objective of this research project is to develop a modeling tool (layer by layer) for the behavior of reinforced concrete members. For flexure, the model relies on the capacity to predict the behavior of a cracked section and also the behavior of the entire bent beam. Damage related to historic loading also applies, including permanent deformations and a diminished rigidity to the material. It is therefore possible to set up an alarm threshold by upgrading the reliability index of the structure which constitutes a complementary tool to telesurveillance or monitoring. An experimental program was setup to obtain results to validate the model with static and cyclic loading of instrumented beams. The comparison between the experimental results and the model predictions shows an excellent agreement for the static loading behavior, even though it is on the safe side of the performance index indicators. The phenomenon is nonetheless favourable for the proposed telesurveillance alarm threshold. Finally, the model can generate a rupture envelop including the interaction between the shear force and bending moment. The use of the modified compression field theory allows the follow-up of the crack inclination and the deformation in the stirrups at rupture. In summary, this prediction tool reveals to be a very useful one to simulate the behavior of reinforced concrete members subjected to shear and bending.

Le présent travail de recherche comporte une étude sur le Béton Compacté au Rouleau (BCR) en vue d'une application en technique routière et en utilisant des matériaux de gisements locaux avec la spécificité d’un faible dosage en ciment. L'étude a traité le problème de formulation à travers les méthodes graphiques, semi-empiriques et le Modèle d'Empilement Compressible MEC. On a introduit aussi dans ce travail, l’utilisation des granulats spéciaux du type Sidérite et l'addition des adjuvants dans la formulation du BCR. La rhéologie du BCR frais et la sensibilité de ce mélange au phénomène de densification ont été étudiées en proposant une nouvelle approche basée sur la Compactabilité pour la prédiction de la rhéologie de ce matériau. La caractérisation du BCR durci a été effectuée moyennant des mesures expérimentales de résistances et de modules élastiques E ainsi que des essais ultrasoniques. Les résultats expérimentaux sont comparés avec ceux obtenus par des prédictions à travers des modèles tels que ceux de Feret-De Larrard-Tondat, ACI, Ouellet et Oluokun. Certains modèles sont jugés fiables pour la formulation et les prédictions des résistances du BCR par contre nous avons proposé d'autres qui sont adaptés à ce mélange et à ces composants. Une modélisation en 3D d'une chaussée rigide en BCR, en utilisant le code de calcul par éléments finis "Abaqus 6. 7", a été effectuée en introduisant à ce code la loi de comportement correspondant de ce matériau. Cette modélisation a été faite pour plusieurs cas de chargements sur des dalles en BCR. Une convergence a été déduite entre les résultats obtenus, de la répartition en 3D des contraintes et des déformations dans les dalles de BCR et ceux obtenus par les autres méthodes 2D telles que celles de Westergaard, d'Ioannides et al
This research work presents a study of the Roller Compacted Concrete (RCC) for an application in road engineering. The RCC was prepared using materials of local quarries with the specificity of a low cement proportioning. The study dealt with the formulation problem through graphics, semi-empirical methods and the Compressible Packing Model “CPM”. We introduced also, into this work, the use of the special aggregates type Siderite and the addition of the admixtures in the formulation of the RCC. The rheology of the fresh RCC and the sensitivity of this mixture to the compaction phenomenon were studied by proposing a new approach, based on Compactability, for the prediction of this material rheology. The characterization of the hardened RCC was carried out by experimental measurements of strengths and elastic modules E as well as ultrasonic tests. The experimental results were compared with those obtained by predictions through models like those of Feret-De Larrard-Tondat, ACI, Ouellet and Oluokun. Some models were considered to be reliable for the formulation and the predictions of the RCC strengths. However, we proposed others models which were adapted to this mixture and their components. A 3D modelling of a rigid RCC pavement, using the computer code of finite elements "Abaqus 6. 7" was achieved by introducing to this code the behaviour law corresponding to this material. This modelling was made for several cases of loadings on RCC slabs. A convergence was deduced between the results obtained, of the distribution in 3D of the stresses and of the deformations in the RCC slabs and those obtained by the other 2D methods such as that of Westergaard, of Ioannides et al

Le comportement des bétons fibrés à ultra-hautes performances (BFUP) dépend fortement de l’orientation des fibres vis-à-vis de la direction des sollicitations. L’orientation des fibres étant principalement due à la mise en oeuvre de la structure, la ductilité d’un ouvrage s’en retrouve fortement dépendant. Dans ce mémoire de maîtrise, un modèle numérique est développé pour capturer l’effet de l’orientation des fibres via leurs mécanismes d’extraction. Il s’agit d’un modèle d’endommagement micromécanique, utilisé dans le cadre de la mécanique de la rupture linéaire élastique permettant de modéliser la propagation des fissures, la dissipation d’énergie et donc la ductilité de la structure. Cette approche permet également de rendre le modèle indépendant de la finesse du maillage et de modéliser l’effet d’échelle. Dans ce travail, les BFUP sont composés de fibres courtes en acier dont le pourcentage volumique est inférieur à 3%. La résistance en compression du BFUP est si grande que le matériau est admis être purement linéaire élastique en compression. Le modèle est implanté dans le logiciel Code_Aster pour calibration, validation et application sur des essais de traction et sur des essais de flexion quatre points : le modèle développé reproduit très bien ces résultats expérimentaux.
The behavior of ultra-high performance fiber reinforced concrete (UHPFRC) strongly depends on fibers’ orientations relatively to the direction of stresses. Fibers’ orientations are mostly due to concrete casting of the structure and therefore the ductility of a structure is highly dependent of those orientations. In this MSc thesis, a numerical model is developed to capture the effect of fiber orientation considering the fiber pull-out mechanism. A micromechanical damage model based on linear elastic fracture mechanics to model crack propagation, energy dissipation and thus structure’s ductility. This approach also corrects spurious mesh sensitivity and captures size effect. In this work, UHPFRC are made of short steel fibers with fiber content inferior to 3%. The compressive strength of UHPFRC is so important that the material is assumed to be purely linear elastic in compression. The model is implemented in Code_Aster software for calibration, validation and application on tensile tests and four-point bending tests : the developed model can reproduce these experimental results.
Tableau d'honneur de la FÉSP

Le beton cellulaire est un materiau de construction prefabrique. Il subit une phase d'autoclavage (cuisson par vapeur saturee a cent quatre-vingts degres celsius et onze bars). Cette phase debute par une mise sous vide suivie d'une montee en pression des autoclaves les blocs de beton a cuire. Le travail a consiste en une modelisation mathematique et une simulation numerique en instationnaire bidimensionnel par la methode des volumes finis, des transferts couples de masse dans le materiau, avec prise en compte des effets de pression. Ces simulations numeriques utilisant nos banques de donnees experimentales ont permis de definir l'influence des parametres descriptifs des cycles de cuisson sur les champs de temperature, pression et teneur en eau. D'autre part, differents types de cycles de cuisson ont ete analyses en vue d'ameliorer le procede industriel d'elaboration du materiau tant sur le plan energetique que sur la qualite des produits. L'etude a montre une faible dependance des resultats vis-a-vis de la conduite de la phase de mise sous vide, et mis en evidence les parametres essentiels que sont la teneur en eau initiale, la cinetique de montee en pression et la dimension des blocs a traiter

Le comportement mécanique d'un matériau granulaire est intimement lié à la compatibilité élastique entre ses phases constituantes. La particularité des bétons de granulats légers est la combinaison d'une matrice cimentaire avec des granulats peu rigides. Sous ces conditions, cette thèse porte sur l'étude de la compatibilité élastique et du comportement mécanique des bétons de granulats légers. Le principal objectif est de définir les mécanismes qui contrôlent la résistance de ces bétons afin d'en optimiser les performances. Cet objectif est atteint par un apport combiné de la modélisation et de l'expérimentation. La partie modélisation fait appel à plusieurs concepts de la mécanique des matériaux composites à inclusions sphériques. Un modèle de perturbations est utilisé pour évaluer les contraintes résultantes induites par la présence des granulats légers au sein du béton sous charge. En intégrant la proportion volumique des granulats aux calculs, ce modèle permet d'établir une méthode de prédiction du comportement mécanique des bétons légers en fonction des propriétés de chacune des phases. La partie expérimentale a pour but d'évaluer le comportement mécanique d'une large gamme de bétons légers et sert par conséquent à la validation du modèle. L'étude est dirigée à la fois sur les propriétés mécaniques de la matrice et du béton car les propriétés des granulats ne peuvent être déterminées adéquatement en laboratoire. Les résultats obtenus permettent de constater l'influence de la qualité de la matrice, de la densité des granulats, de l'entraînement d'air et du sable naturel sur la résistance en compression des bétons de granulats légers. On observe que la résistance est directement liée au rapport de module élastique entre les granulats et le béton, Eg=Eb, ainsi qu'à la distribution du squelette granulaire. D'autre part, on remarque que le module élastique des bétons légers varie de façon proportionnelle à la masse volumique du matériau durci. Enfin, la méthode de prédiction établie à l'aide du modèle de perturbations s'avère un outil efficace pour la formulation des bétons de granulats légers. Une étude complémentaire a été réalisée pour évaluer l'efficacité des microfibres et des mésofibres d'acier à contrôler la fissuration des bétons de granulats légers.

Le séchage de matériaux cimentaires conduit à des microfissures, ce qui a des conséquences importantes sur les propriétés mécaniques et de transport. L’objectif de cette étude est d’analyser l’évolution de la microfissuration des matériaux cimentaires au cours du séchage et de mieux comprendre les mécanismes associés. Ce travail présente une étude expérimentale et numérique sur la microfissuration. Les expériences sont réalisées afin d’étudier l’effet du séchage et le rôle des granulats. L’étude de la structure interne et la propagation des fissures est menée par microtomographie par rayons X. Les influences de la rigidité et de l’état de surface d’inclusions sur l’apparition de la fissuration sont mises en évidence. D’autre part, une série d’essais mécaniques est mise en œuvre sur la pâte de ciment pour comprendre le comportement mécanique de ce matériau et servir à l'identification des paramètres du modèle dans l’étude numérique. Des modélisations numériques sont alors proposées afin d'investiguer les mécanismes associés à la microfissuration observée expérimentalement. Ces modélisations sont réalisées dans le cadre de la poromécanique des milieux partiellement saturés, et le matériau est considéré comme biphasique : des inclusions noyées dans une matrice poreuse cimentaire (modèles élastique, élasto-plastique et endommagement). Les résultats permettent d'accéder à la distribution des contraintes et reproduisent la fissuration observée. L’influence du comportement de la matrice et de la rigidité des inclusions est étudiée. Enfin, une modélisation préliminaire sur la base d'éléments finis étendus se focalisant sur les effets de l'interface pâte-inclusions est proposée
Drying process of cementitious materials leads to microcracks, which has important consequences on transport and mechanical properties. The aim of this study is to investigate the evolution of microcracking of cementitious materials during drying and better understand the associated mechanisms. This work presents both an experimental study and a numerical simulation of drying shrinkage microcracking. The experiments are performed in order to study the effect of drying and the role of the aggregates. The study of the internal structure and crack propagation is conducted by X-ray microtomography. The influences of the stiffness and the surface roughness of inclusions on the occurrence of cracking are highlighted. Moreover, a series of mechanical tests is performed on the cement paste to understand the mechanical behaviour of this material and to use for identification of the model parameters in the numerical study developed in the framework of this thesis. Numerical models are then proposed to investigate the mechanisms associated with experimentally observed microcracks. These modellings are performed under the framework of poromechanics in partially saturated medium, and the material is considered as biphasic: the inclusions embedded in a porous cement matrix (elastic models, elastoplastic and damage). The results of numerical simulations allow access to the stress distribution and reproduce the observed cracking under microtomography. The influences of matrix behaviour and stiffness of inclusion are studied. Finally, a preliminary modelling based on extended finite element method focusing on the effects of paste-inclusions interface is proposed

Les développements récents des moyens informatiques permettent d'appréhender le calcul des structures sous chargement complexes en utilisant des modèles de comportements réalistes. Malgré tout les calculs e. F. Classiques, utiles pour la vérification des ouvrages, sont encore lourds à manipuler et ne répondent pas toujours aux exigences de la conception. Dans ce contexte le travail réalisé porte sur l'étude d'une modélisation simplifiée du calcul des structures en béton arme. Les bases de cet outil sont: une description éléments finis multicouche de la structure, un modèle d'endommagement a caractère unilatéral, l'introduction des distorsions liées au cisaillement. Cette modélisation est développée dans le cadre du programme expérimental CASSBA ce qui permet d'apprécier son champ d'application pour le calcul dynamique des bâtiments. Enfin la réponse aux chocs des ouvrages est abordée par l'élaboration et l'implantation d'un modèle de comportement visco-endommageable de conception classique. L'utilité d'un tel modèle est montrée pour la modélisation de l'influence de la vitesse de chargement sur le comportement du matériau ainsi que pour le caractère stabilisant sur réponse numérique des calculs de structures soumises a un choc

La réduction de la consommation énergétique des bâtiments de télécommunications constitue un challenge international que les principaux opérateurs de télécommunications, et les acteurs majeurs de l'internet vont devoir relever. En effet, ces bâtiments possèdent une forte densité d'équipements électroniques et donc des apports thermiques très importants. Il est ainsi nécessaire de recourir à des systèmes de climatisation conséquents et énergivores pour maintenir les conditions ambiantes (température et humidité de l’air) dans des plages fixées par les normes. Une des approches possibles pour limiter les puissances installées des dispositifs de climatisation est d’écrêter les pics de température des ambiances intérieures en agissant sur la capacité de stockage de la chaleur des murs et en adoptant une gestion « jour-nuit » des systèmes. Ainsi, dans le cadre de cette thèse des études expérimentales et numériques ont été menées afin de disposer d’un outil de simulation dédié à la prédiction de la température ambiante dans une salle de datacentre. Dans une première étape, les réponses en température de deux maquettes de volume intérieur 1 m3 sont suivies et simulées dans différentes conditions de test. L’inertie thermique est augmentée par l’intégration de matériaux à changement de phase MCP (paraffine micro-encapsulée) dans du béton. A partir d’expériences et de mesures des propriétés thermophysiques, un modèle thermique représentatif de la conduction monodimensionnelle dans les parois est développé et validé. A partir de ces études, un composant spécifique, représentatif d’une paroi multicouche avec MCP, est développé et couplé au Type 56 de TRNSYS. Ces développements sur TRNSYS sont alors appliqués à l’étude d’un site réel « datacentre ». Après une confrontation à des données expérimentales, différentes configurations de parois destinées à améliorer l’inertie thermique sont évaluées par le biais de simulation
The reduction of energy consumption for telecommunication buildings is an international challenge for main telecommunication operators and principal actors of internet. Indeed, in these buildings there are electronics equipment with a strong power density and thus a very important thermal contribution. Therefore it is necessary to use large air-conditioning systems in order to maintain ambient conditions (temperature and relative humidity of the air) in fixed ranges. One possible approach for limit installed air conditioning systems is to clip the peaks of internal temperature by using a heat storage in the wall and by adopting a night cool storage directly in the masonry. In this thesis, the study describes a numerical and experimental study in order to define new conceptions of optimized telecommunication buildings. Walls are used in order to increased heat transfer and reduced cooling energy consumption. In the first step, the temperature response of the internal volume 1 m3 were followed and simulated under different test conditions. The thermal inertia is increased by incorporating phase change materials (PCM microencapsulated paraffin) in concrete. From experience and measurements of thermophysical properties, a one dimensional thermal model conduction that represents heat transfer in the walls were developed and validated. From these studies, a specific component, representative of a multilayer wall with PCM, is developed and coupled to TRNSYS Type 56. These TRNSYS developments are then applied to the study of a real "data center" site. After confrontation with experimental data, different configurations of walls have been studied in order to improve thermal inertia. New building architectures are proposed in order to reduce cooling energy consumption

Dans cette étude, on aborde la modélisation du comportement mécanique des géomatériaux semi fragiles soumis à des chargements mécaniques et à la dégradation chimique. Un cadre général de modélisation est d'abord proposé pour décrire le comportement élastoplastique couplé à l'endommagement mécanique et chimique. Après une courte synthèse des données expérimentales sur quelques matériaux représentatifs (roche et béton), un modèle spécifique est ensuite élaboré pour la description du comportement mécanique de ces matériaux. Après l'identification des paramètres, des essais en laboratoire sous différents chemins de sollicitations ont été modélisés. Le modèle proposé semble décrire correctement les principales réponses mécaniques des matériaux. Afin de décrire le comportement post-localisation en vue de l'analyse du processus de rupture des structures, nous avons proposé une extension du modèle on y introduisant une formulation non locale de l'endommagement. La pertinence de cette approche est illustrée à travers différents cas représentatifs. L'approche non locale permet de corriger la dépendance du maillage et de maîtriser le processus de rupture par bande de localisation. La deuxième partie du travail porte sur la modélisation de l'endommagement chimique par lixiviation des matériaux cimentaires. Un modèle phénoménologique chimique est d'abord précisé permettant de définir le processus de l'endommagement chimique dépendant de la dissolution du squelette solide et de la diffusion des ions calcium dans le fluide interstitiel. Un modèle élastoplastique couplé à l'endommagement chimique est ensuite mis en place et appliqué à la dégradation chimique d'une pâte de ciment sur des chemins découplés et couplés. Des comportements spécifiques de la pâte de ciment tels que l'effondrement des pores et la déformation de fluage sont pris en compte. Les comparaisons entre les simulations numériques et les données expérimentales ont montré la capacité du modèle proposé pour la description du couplage hydromécanique et chimique.

Cette thèse s’inscrit dans le contexte d’une optimisation industrielle et économique des éléments de structure en BFUP permettant d’en garantir la ductilité au niveau structural, tout en ajustant la quantité de fibres et en optimisant le mode de fabrication. Le modèle développé décrit explicitement la participation du renfort fibré en traction au niveau local, en enchaînant une phase de comportement écrouissante suivie d'une phase adoucissante. La loi de comportement est fonction de la densité, de l'orientation des fibres vis-à-vis des directions principales de traction, de leur élancement et d'autres paramètres matériaux usuels liés aux fibres, à la matrice cimentaire et à leur interaction. L'orientation des fibres est prise en compte à partir d'une loi de probabilité normale à une ou deux variables permettant de reproduire n'importe quelle orientation obtenue à partir d’un calcul représentatif de la mise en œuvre du BFUP frais ou renseignée par analyse expérimentale sur prototype. Enfin, le modèle reproduit la fissuration des BFUP sur le principe des modèles de fissures diffuses et tournantes. La loi de comportement est intégrée au sein d'un logiciel de calcul de structure par éléments finis, permettant de l'utiliser comme un outil prédictif de la fiabilité et de la ductilité globale d’éléments en BFUP. Deux campagnes expérimentales ont été effectuées, une à l'Université Laval de Québec et l'autre à l'Ifsttar, Marne-la-Vallée. La première permet de valider la capacité du modèle à reproduire le comportement global sous des sollicitations typiques de traction et de flexion dans des éléments structurels simples pour lesquels l’orientation préférentielle des fibres a été renseignée par tomographie. La seconde campagne expérimentale démontre les capacités du modèle dans une démarche d’optimisation, pour la fabrication de plaques nervurées relativement complexes et présentant un intérêt industriel potentiel pour lesquels différentes modalités de fabrication et des BFUP plus ou moins fibrés ont été envisagés. Le contrôle de la répartition et de l’orientation des fibres a été réalisé à partir d'essais mécaniques sur prélèvements. Les prévisions du modèle ont été confrontées au comportement structurel global et à la ductilité mis en évidence expérimentalement. Le modèle a ainsi pu être qualifié vis-à-vis des méthodes analytiques usuelles de l'ingénierie, en prenant en compte la variabilité statistique. Des pistes d'amélioration et de complément de développement ont été identifiées
This Ph.D. project has been prepared within the context of an industrial and economic optimisation of UHPFRC structural elements to ensure ductility at the structural level, while adjusting the amount of fibre and optimising the manufacturing process. The model developed explicitly describes the participation of local fibre reinforcement in tension, thanks to a hardening behaviour followed by a softening one. The constitutive law is a function of the local fibre content, of the fibre orientation with respect to tensile principal directions, of the fibre slenderness and other usual material parameters related to the fibres, the cementitious matrix and their interaction. The fibre orientation is taken into account using a normal probability distribution with one or two variables to reproduce any orientation either obtained from a representative simulation of casting fresh UHPFRC or informed by experimental analysis on prototypes. Lastly, the model reproduces the cracking of UHPFRC based on the principle of smeared rotating crack models. The constitutive law is implemented in a structural finite element software as a predictive tool of reliability and overall ductility of UHPFRC elements. Two experimental campaigns were carried out, one at Laval University in Quebec and one at Ifsttar, Marne-la-Vallée. The first one is used to confirm the model ability to reproduce the overall behaviour under typical tensile and bending loads in simple structural elements for which the preferential fibre orientation was measured by microtomography. The second experimental campaign demonstrates the capabilities of the model, in an optimisation process, to help manufacture relatively complex ribbed triangular plates of industrial interest in which different manufacturing process and fibre volume have been considered. The identification of fibre distribution and orientation has been performed using mechanical tests on sawn samples. The model predictions have been compared to the global structural behaviour, and to the ductility demonstrated experimentally. The model could be qualified through comparison with conventional analytical engineering methods, taking into account the statistical variability. Improvement and additional developments have been identified

La durabilité des structures en béton est désormais intégrée dans la démarche de conception des ouvrages de Génie Civil. En effet, quel que soit le type de sollicitation (mécanique, thermique, hydrique) une fissuration est susceptible de se produire risquant d'impacter la durée de vie de l'ouvrage par la pénétration d'agents agressifs. L'aptitude au service peut elle-même être affectée pour les structures où une étanchéité est requise (enceinte de confinement de centrales nucléaires, réservoirs de gaz naturel liquéfié, barrages, stockages des déchets radioactifs ou de CO2, etc.). Dans ce contexte industriel, la prédiction du débit de fuite traversant des éléments composés de matériaux à base cimentaire est donc un enjeu scientifique et industriel majeur. Pour parvenir à cet objectif de simulation numérique, il est nécessaire de mettre en place un couplage hydro-mécanique. L'anisotropie de la fissuration induite par les sollicitations mécaniques complexes conduit à un tenseur de perméabilité macroscopique anisotrope. La détermination de ce tenseur est un enjeu important dans l'objectif de mener des calculs à l'échelle macroscopique avec des modèles phénoménologiques. De plus, les calculs de perméabilité sont un moyen de comparer les volumes fissurés obtenus par les différents modèles mécaniques. La modélisation de la fissuration pour les matériaux quasi-fragiles hétérogènes à l'échelle mésoscopique tels que le béton est complexe et suivant les approches utilisées, les résultats peuvent fortement varier. C'est pourquoi l'étude numérique proposée dans la thèse comporte une comparaison entre deux approches mécaniques : - une première basée sur une modélisation mécanique de type E-FEM (Embedded Finite Element Method) [Benkemoun et al., 2010] - - une seconde basée sur une modélisation mécanique d'endommagement [Mazars, 1984] régularisée en énergie de fissuration [Hillerborg et al., 1976]. Le travail numérique associé à cette thèse consiste donc à développer un modèle couplant de manière faible un modèle mécanique à un modèle de transfert en 3D à l'échelle mésoscopique. En se basant sur le concept de « double porosité », la perméabilité du milieu fissuré est vue comme la combinaison d'une perméabilité diffuse et isotrope (liée au réseau poreux initial du béton et à son degré de saturation) et d'une perméabilité « discrète » et orientée au sein des fissures (le calcul de cette dernière étant basé sur les ouvertures de fissures données par le modèle mécanique et sur les équations de la mécanique des Navier-Stokes en régime permanent). La comparaison des résultats obtenus sur différents résultats expérimentaux issus de la littérature (un tirant traversé par de l'eau [Desmettre et Charron, 2011] et un élément structurel traversé par de l'air sec [Nahas et al., 2014]) permet de comparer la pertinence des deux modèles mécaniques utilisés ainsi que l'approche utilisée pour estimer le débit traversant des éléments en béton fissurés
The durability of concrete structures is nowadays fully integrated in the civil engineering constructions design process. Whatever the loading is (mechanical, thermic, hydric), cracks may appear and impact the structure lifespan by the infiltration of aggressive agents. The serviceability can be directly impacted for the structures playing an air/water tightness role (containment building nuclear power plants, liquefied natural gas storage tanks, dams, radioactive waste disposal, etc.). The prediction of the flow going through elements composed of a cementitious material is therefore a major scientific and industrial issue. To achieve this goal, a hydro-mechanical coupling must be implemented. The anisotropic cracking induced by complex mechanical loadings leads to an anisotropic macroscopic permeability tensor. This tensor computation is an important issue dealing with phenomenological models for macroscopic problems. The cracking modelling of quasi-brittle materials, heterogeneous at the mesoscopic scale like concrete, is complex and different mechanical approaches can lead to various results. Therefore, permeability calculations are an elegant way to examine cracking patterns obtained with several mechanical models. Consequently, this study compares two mechanical approaches: - the first one is based on an Embedded Finite Element Method (E-FEM) mechanical model [Benkemoun et al., 2010] - - the second one is based on a damage mechanical model [Mazars, 1984] regularised by the fracture energy of the material [Hillerborg et al., 1976]. This thesis presents a hydro-mechanical approach weakly coupling a mechanical model with a permeation model in 3D at the mesoscopic scale. This work is based on the “double porosity” concept splitting the permeability into two parts: the first one is isotropic and corresponds to flows within the porosity of the material- the second one, based upon a set of cracks with different orientations and openings, is anisotropic. For the latter, each crack is a path for mass flow according to the fluid laws considering two infinite planes. In order to check this approach relevance, numerical results are compared to experimental results extracted from the literature (an experiment where water goes through a specimen made of a steel reinforcing bar covered with concrete under load [Desmettre et Charron, 2011] and a device where dry air goes through a structural element made of reinforced concrete [Nahas et al., 2014]). The computation of the flow going to those cracked concrete elements helps to understand the presented approach efficiency and the differences between the two used mechanical models

L’objectif de ce travail de thèse consiste à la modélisation du comportement mécanique des matériaux cimentaires, tel que la pâte de ciment et le béton qui sont soumis à la carbonatation et à la lixiviation. Ces réactions chimiques entre le matériau cimentaire et le milieu agressif environnant entraînent des changements dans la microstructure du matériau et par conséquent sur le comportement mécanique et peut ainsi avoir un impact important sur la durabilité des structures. Pour la caractérisation du comportement mécanique de ces matériaux chimiquement influencés, deux approches différentes sont proposées dans cette thèse: l'approche macroscopique et microscopique. Dans la première partie, une approche macroscopique est utilisée. L'intérêt est d'utiliser un modèle élastoplastique classique pour voir l'influence de la carbonatation et la lixiviation sur les paramètres élastiques et plastiques. Ce modèle est par la suite couplé avec un modèle d’interface pour décrire le comportement mécanique et le processus de rupture des matériaux cimentaires, prenant en compte la localisation des déformations sur une bande de cisaillement. Dans la deuxième partie, en prenant avantage des modèles micro-macro, il est possible de lier explicitement l'évolution de la microstructure durant la dégradation au comportement mécanique du matériau. Deux à trois étapes d’homogénéisations basé sur la méthode sécante modifie sont nécessaires pour aboutir au critère macroscopique. Les capacités prédictives des modèles micro-macro proposés ont été démontrés a travers une large validation expérimentale
The objective of this thesis is to model the mechanical behavior of cement based materials, such as cement paste and concrete, which are subject to carbonation and leaching. These chemical reactions between the cementitious material and the surrounding aggressive environment lead to changes in the material microstructure and consequently on the mechanical behavior, and can have a significant impact on the durability of structures. To characterize the mechanical behavior of these chemically influenced materials, two different approaches are proposed in this thesis: the macroscopic and microscopic approach. In the first part, a macroscopic approach is used. The interest is to use a classical elastoplastic model to see the effect of carbonation and lixiviation on the elastic and plastic parameters. This model is then coupled with an interface model to describe the mechanical behavior and the failure process of cementitious materials, taking into account the localization of deformations on a shear band. In the second part, by taking advantage of micro-macro models, it is possible to explicitly link the microstructure evolution during the degradation to the mechanical behavior of the material. Two or three homogenization steps based on the modified secant method are needed to reach the macroscopic criterion. The predictive capabilities of micro-macro models proposed here have been demonstrated through a wide experimental validation

L'objectif de cette thèse est d’étudier l'influence du fluage sur les propriétés mécaniques résiduelle du béton. En effet, les sections des éléments d’une structure précontrainte sont majoritairement soumise à une contrainte de compression. En raison de la relaxation des contraintes (due au fluage du béton notamment) et de la charge appliquée, des contraintes de traction peuvent apparaitre au cours de la vie de l’ouvrage. Ainsi, il est nécessaire de connaître la valeur des propriétés mécaniques résiduelles après l'effet de fluage.Le travail se concentre sur le fluage propre (sans échange hydrique avec le milieu environnant) et il comprend une partie expérimentale et une partie numérique. Dans la partie expérimentale, des essais de fluage en compression et en traction indirect (essai Brésilien) ont été effectués sur le béton en utilisant différents niveaux de chargement appliqué à différents âges du béton. A la fin de chaque essai de fluage, un essai quasi statique a été réalisé sur le même béton pour déterminer l'effet du fluage sur les propriétés mécaniques résiduelles. Afin de vérifier l'effet d’une précharge en compression sur la résistance en traction, comme dans le cas d’une structure précontrainte vieillissante ou soumise à un chargement accidentelle, une campagne d’essai Bresilien avec un préchargement quasi statique en compression a également été réalisée. Les résultats montrent que le comportement après fluage dépend fortement de l’âge de chargement et du sens de sollicitation. Numériquement, un modèle mésoscopiques a été utilisé pour simuler le fluage et les propriétés mécaniques après fluage. En effet, sous un chargement constant seule la pâte de ciment flue tandis que les agrégats agissent comme un obstacle à ce fluage. Par conséquent, les contraintes de traction se produisent à l'interface pâte de ciment/agrégats conduisant à microfissures dans cette zone Les déformations viscoélastique sont correctement reproduite à différents niveaux de chargement mais la modification du comportement résiduel du béton ne peut pas être uniquement expliqué par la micro-fissuration
The aim of this study is to evaluate the effect of creep on the concrete mechanical properties evolution. In prestress structures, in the first concrete is completely subjected to compressive stresses. With time, due to relaxation of the prestressed cables and applied load, some tensile stresses may take place in the concrete. So, it is necessary to know the value of the residual mechanical properties after creep effect.The work which concerns only with basic creep (where there is no drying), includes an experimental part and a numerical part. In the experimental part, compressive and tensile (Brazilian) creep tests were carried out on the concrete using different loading levels that applied at different ages of concrete.At the end of each creep test a strength test was carried out on the same concrete for determining the creep effect on the residual mechanical properties. To evaluate the effect of quasi-instantaneous loading in compression and then in tension, some preloading compressive tests were carried out. These tests were accomplished especially to distinguish the effect of quasi-instantaneous effect from that of creep. A quasi-instantaneous compressive test was achieved until a given level and then a Brazilian strength test was carried out to evaluate the effect of compressive preloading on the tensile strength.Numerically, a mesoscopic model was developed for simulating creep and mechanical properties after creep had taken place. The reason for which this mesoscopic technique was used is related to the fact that under the considered loading level of concrete, only the cement paste creeps while the aggregate act as an obstacle to this creep. As a result, tensile stresses arise at cement past-aggregate interface leading to micro cracks at this zone. With this technique, creep strain can generate some damage at mesoscale without any coupling between creep and damage as in sence phenomenological models

Dans un contexte de performance énergétique et de durabilité dans le secteur du bâtiment, la maîtrise du comportement hygrothermique des matériaux d'enveloppe, notamment hygroscopiques, est essentielle. Les travaux réalisés concernent la compréhension et la modélisation des transferts de chaleur et d'humidité au sein d'une paroi multicouche de bâtiment composée de matériaux biosourcés.Une attention particulière est portée sur les phénomènes d'hystérésis observés sur les isothermes de sorption. Un modèle numérique 1D développé sur COMSOL Multiphysics est exploité pour simuler en régime transitoire les champs de température et de pression de vapeur dans trois situations. La première concerne l'étude du comportement hygrothermique de matériaux fortement hygroscopique (béton de chanvre) et faiblement hygroscopiques (enduits à base de chaux) soumis à diverses variations cycliques d'humidité relative. Un bon accord est constaté entre les simulations et des mesures d'humidité relative, de température et de teneur en eau. Néanmoins, les résultats présentent une forte sensibilité aux propriétés hydriques. Dans un second temps, une étude est menée sur une paroi de béton de chanvre instrumentée placée dans une enceinte bi-climatique et exposée à des variations de température et d'humidité relative. La confrontation des évolutions mesurées et calculées montre la nécessité de bien définir le champ de teneur en eau initiale. La dernière étude concerne une paroi multicouche (béton de chanvre et enduits). Il apparaît que les enduits jouent un rôle important sur le comportement de la paroi et il est nécessaire de prendre en compte l'influence de la température sur les courbes de sorption
In a context of energy efficiency and durability in the field of building, the understanding of hygrothermal behaviour of building materials, especially hygroscopic ones, is essential. This study aim to understand and model heat and moisture transfers in a multi-layer building wall made of biosourced materials. We focus in particular on hysteretic phenomena observed on sorption isotherms. A one-dimensional numerical model developed with the COMSOL Multiphysics software is used to simulate transient temperature and vapour pressure in three situations. The first one is about the hygrothermal behaviour of materials, highly hygroscopic (hemp concrete) and lowly hygroscopic (lime-based plasters), exposed to several cyclical variations of relative humidity. A good agreement is observed between simulated and measured values of relative humidity, temperature and moisture content. However, results are highly sensitive to hydric properties. Then, a study is performed on an instrumented hemp-concrete wall built in a bi-climatic chamber and exposed to simultaneous temperature and relative humidity variations. The confrontation between measured and simulated values shows the importance of initial moisture content

Les présents travaux, à caractère expérimental et numérique, visent à approfondir la connaissance du comportement de structures en béton armé renforcées/réparées par matériau composite à matrice minérale. Ils s’inscrivent dans le cadre du projet FUI KENTREC qui vise la formulation, le développement, la caractérisation et la validation d’un nouveau revêtement d’étanchéité pour réservoirs d’eau potable. L’objectif principal de cette thèse est donc la mise au point d’un composite à matrice minérale qui réponde au cahier des charges établi sur la base de la destination de ce matériau, à savoir, l’étanchéité des réservoirs d’eau potable. La mise au point comprend la formulation du matériau, l’évaluation de ses performances mécaniques, ainsi que la qualification des performances atteintes quant au renforcement de structures en béton armé. Deux échelles d’étude ont donc été retenues dans le cadre de la partie expérimentale, l’échelle du matériau, dans le but de formuler une matrice de « TRC » (Textile Reinforced Concrete) en fonction du cahier des charges, et l’échelle de la structure, avec l’application de ce matériau pour le renforcement et la réparation de structures en béton et en béton armé. Une campagne expérimentale de flexion portant sur des éprouvettes en béton et sur douze « poutres » en béton armé a permis, au-delà de la mise en exergue des bonnes performances en termes de capacité portante, d’analyser à l’échelle locale l’efficacité du composite à ponter la fissure et d’endiguer son ouverture. L’application visée étant l’utilisation de ce composite en milieu humide (réservoirs d’eau), les effets de deux différentes conditions de conservation de la structure renforcée/réparée par composite, avec soit l’immersion dans l’eau soit dans l’air, sont étudiés. Pour la partie numérique, ce travail vise à établir une modélisation des structures en béton ou en béton armé renforcées par ce type de composite TRC. La modélisation établie, s’appuie sur des lois de comportement non-linéaires des matériaux constitutifs (béton, acier, composite TRC) est confrontée à plusieurs échelles, aux résultats expérimentaux. La bonne concordance qualitative et quantitative entre le modèle proposé et les résultats expérimentaux au niveau des courbes charge-flèche, permet de valider la modélisation proposée à l’échelle globale. Au niveau local, on constate une assez bonne concordance du numérique et de l’expérimental, au niveau de la déformation de l’acier longitudinal, du béton, du composite, du schéma de fissuration, du champ de déplacement horizontal. Enfin, une étude paramétrique a permis d’évaluer l’influence de l’épaisseur du renfort composite TRC sur le comportement global et local de la structure
This study, using both experimental and numerical approaches, will help to better understand the behavior of structure strengthened/repaired by composite based on mineral matrix. It especially focuses on the study of a new coating for drinkable water reservoirs without bisphenol A. The main objective of this thesis is development of a mineral matrix composite. Feasibility, performances and behavior of composite are examined. The experimental program involves different levels of analysis. At material level, the formulation and characterization of a mineral matrix are studied. At structure level, the application of this composite for the strengthening and repair of concrete and reinforced concrete structures is considered. A bending experiment on concrete specimens and the study of twelve reinforced concrete beams submitted to four point bending load, allows presenting good disposition in terms of bearing capacity. Secondly, the local analysis highlights the efficacy of the composite to bridge the crack and stop opening propagation. The effect of two different conservation conditions of beams with TRC (immersion in water compared to in air) was studied. The objective is evaluating the pertinence of TRC conserving in the water environment to apply in the concrete water reservoir structure. The effect evaluation of load history of structures on the efficacy strengthened/repaired of TRC composite is presented. It seems that the pre-cracking does not influence on the qualitative and quantitative behavior of the structure. Concerning the numerical approach, this work aims to establish a numerical model of concrete structure and reinforced concrete structure strengthened/repaired by TRC composite materials. The model, which is based on non-linear behavior laws for the constitutive materials (concrete, steel and TRC composite), is compared, at several scales, with experimental results. The good agreement, both qualitative and quantitative, between the model used and the results as expressed in the load-deflection curves validates the proposed model at a global scale. At local level (longitudinal deformation of the steel, deformation of the concrete, deformation of the TRC, cracks opening…) the digital-experimental comparison confirms a good qualitative and, the quantitative agreement. Finally, the parametric study allows to evaluate the influence of the thickness of the composite TRC (indirectly, the reinforcement ratio of beam), and the influence of the pre-cracking configuration on the global and local behavior of the structure

La technologie du béton progresse très rapidement, principalement en ce qui concerne l'amélioration de ses propriétés mécaniques. Au cours des dernières années, de grands efforts ont été faits pour améliorer l'apparence de la surface du béton. L'amélioration de la surface du béton améliore non seulement l'aspect esthétique du béton, mais protège également le béton contre les agressions provenant de l'environnement. La surface du béton brut présente généralement de nombreux défauts de surface. Ces défauts sont visibles à l'œil nu par des variations de couleur ou de texture. Selon la littérature, l'ensemble de tous ces défauts est dû à la composition initiale du béton, aux formes de remplissage et enfin, aux conditions de conservation après démoulage. Au travers de ma thèse j'ai travaillé sur l'influence de la composition des matériaux cimentaires sur l'aspect final de la surface une fois durcie, et notamment en analysant le rapport E/C. Les essais ont tous été effectués sur de ciment CEM I. Pour la partie expérimentale, nous avons fabriqué des pâtes de ciment et des mortiers avec différents rapports E/C dans des moules métalliques de 4x4x16 $cm^3$. Nous avons utilisé un spectre colorimètre pour mesurer l'intensité de la lumière réfléchie en termes de luminance et un microscope numérique pour mesurer la rugosité des surfaces en termes de surface développée. A partir de nos résultats, nous avons observé que l'augmentation du rapport E/C engendre l'éclaircissement des surfaces et une diminution de la rugosité de la surface des matériaux cimentaires. Nous avons également effectué des essais rhéologiques sur des pâtes et des mortiers frais. Pour les pâtes, un rhéomètre rotatif de l'IRC (Institut de Recherche en Constructibilité) -ESTP Paris a été utilisé, tandis que pour les mortiers, le rhéomètre de CERIB (à Épernon) a été privilégié. Par nos résultats, nous avons observé que l'augmentation de l'eau dans la composition des matériaux cimentaires engendre considérablement la diminution du seuil de cisaillement et de la viscosité. Les modèles mathématiques pour décrire l'écoulement de matériaux cimentaires utilisés étaient les modèles classiques (Bingham, Herschel Bulkley et Casson) et modifiés par Papanastasiou. A partir de la régression numérique, nous avons observé que la loi de Herschel Bulkley et tous les autres modèles modifiés sont bien adaptés pour décrire le comportement des pâtes de ciment. Pour les mortiers, les modèles Bingham, Herschel Bulkley et tous les modèles modifiés sont bien adaptés pour les mortiers fluides. Enfin, la loi de Bingham-Papanastasiou a été choisie pour modéliser l'écoulement des pâtes de ciment via COMSOL multiphysics. Les résultats numériques sont comparés avec ceux d’expérimentation
This thesis deals with the study of the influence of the water variations in the concrete-formwork interface. The proposed approach is intended to analyze two aspects. • The role of the concrete mixing formulation, and the casting procedures on the finished mortar surface. • The movement of water in concrete formwork interface. Firstly, we search to confirm the phenomenological results on the relationship between the luminance of the concrete surface and its roughness, this last being governed by the local W/C ratio in the formwork interface. This relationship will be established for compositions of modern concrete. After, we will examine the role of operational factors on the granular segregation on the mortar surface and their consequences on the bleeding of the specimens, on the water movements as well as on the color of the surface. Parameters : Formulation parameters : granular composition, G/S, S/G, W/C ratio and admixtures Parameters of implementation: Temperature and relative humidity, vibration, waiting time, type of formwork, release agents. Maturation parameters: temperature, relative humidity, form release deadline and carbonation

L’effet du renforcement de la grille en fibre de verre sur le béton bitumineux est étudié numériquement par la méthode des éléments discrets. En ce qui concerne les matériaux quasi-fragiles, l’élasticité de la modélisation est calibrée et le comportement à la rupture est vérifié par une mécanique de la rupture élastique Le comportement et la défaillance de l’interface prédominent dans la fracture des échantillons, ce qui donne lieu à un modèle d’interface simplifié. L’étalonnage des paramètres sur le module de Young et le coefficient de Poisson est effectué entre le modèle d’interface et la méthode des éléments discrets. Grâce à l'ajustement avec les résultats expérimentaux, la résistance de l'interface et le taux de libération d'énergie sont également identifiés par la méthode des éléments discrets et un modèle d'interface simplifié. En comparaison avec la mécanique de la rupture élastique linéaire, la rupture de l'interface présente une plus grande quantité du taux de libération d'énergie. La force et le taux de libération d'énergie sont réduits en raison de l'application de la grille en fibre de verre. Le comportement en fatigue est étudié à l’aide de simulations d’essais de fatigue en flexion en 4 points. Le modèle de fatigue de Bodin 'L2R' est adapté à la méthode des éléments discrets. L'effet de chaque paramètre sur l'évolution des dommages est étudié séparément. L’effet d’interface est observé lors de la prolongation de la résistance à la fatigue de toutes les phases. Les essais monotoniques et les essais de fatigue indiquent qu’une bonne liaison entre deux couches de béton bitumineux est importante pour la résistance de rupture
The effect of fiberglass grid reinforcement in asphalt concrete is studied numerically by discrete element method in this work. Firstly, concerning on the quasi-brittle material, the elasticity of modelling are calibrated, and the rupture behaviour is verified with linear elastic fracture mechanics. Then the simulations of wedge splitting tests are performed under monotonic load. The interface elasticity and failure dominate in the fracture propagation of samples, which gives rise to a simplified interface model. The parameter calibration on Young’s modulus and Poisson’s ratio is conducted between interface model and discrete element method. Through the fitting with experimental results, the interface strength and energy release rate are also identified by discrete element method and simplified interface model. Comparing with linear elastic fracture mechanics, the interface rupture presents more released energy. The strength and energy release rate are reduced because of the application of the fiber glass grid. The fatigue behaviour is studied by simulations of 4-point bending fatigue tests. Bodin’s fatigue model 'L2R' is adapted with discrete element method. The effect of each parameter on the damage evolution is studied respectively. The fiber glass grid helps to extent the fatigue life mainly after the fatigue cracks cross the grid. The interface effect is observed on prolonging the fatigue life of all the phases. From both monotonic and fatigue tests, it indicates that good bonding between two asphalt concrete layers is important to the resistance of rupture