Modélisation du couplage chimico-mécanique d'un béton atteint d'une réaction sulfatique interne
Chemo-mecanical model to predict swelling due to Internal sulfate attack
Résumé
Internal sulfate attack (ISA) is a pathology which may affect concrete exposed to excessive temperature at early age. The manifestation of ISA in concrete structures is characterized by series of closely spaced, tight map cracks with wide cracks appearing at regular intervals and excessive tensions in rebars. This phenomenon is alarming for affected structure managers as it deals with people safety and structures operation. Moreover, there is no way to stop reaction. Prediction of concrete expansion, structural degradation and assessment of efficiency and periodicity of repair works are crucial issues. The mechanism of ISA is complex and it is a subject of disagree in the researcher community due to the important number of involved parameters influencing the initiation and the evolution of ISA (concrete mix-design, environmental conditions, thermal and hydric history of the concrete). Several modelling approaches have been presented in literature in order to predict the evolution of swelling, some authors proposed empirical models to predict the final expansion of concrete as a function of the composition of the cement used, other proposed chemical model or mesoscopical model to predict the expansion of the reaction. In this thesis, with the aim of supporting owners for the management of affected structure, a phenomenological model has been formulated from a macroscopic level of observation, to predict the swelling evolution of concrete structures affected by internal sulfate attack. The proposed modelling is based on thermodynamic theory describing the delayed formation of ettringite crystals in a porous media. It takes into account the early age temperature history in concrete, environmental conditions (temperature, moisture) and stress influence on ISA expansion. Parameters related to the concrete chemical susceptibility to ISA can be easily identified experimentally. A specific experimental program helped quantifying the coupling between the temperature evolution at early age and the induced chemical potential. This model has been implemented into the finite element code CESAR-LCPC with the name RGIB, this new module is an evolution of ALKA which is a module dedicated to prediction of the consequences of alkali-silica reaction in concrete. We used this module to recalculate two real structures or part of structures affected by ISA. We present the different steps of numerical calculation carried out to predict the evolution of ISA in a progressive way which allows us to distinguish the influence of the different coupling laws. We discuss the role of thermal history at early age, humidity and effect of mechanical loading on swelling. The result of the numerical simulation are presented and compared to data measured in situ. The numerical simulations carried out show a good agreement with in situ monitoring in terms of three-dimensional swelling. These results highlight the need for having a realistic description of the various physical mechanisms which influence ISA. Such calculations can be helpful for the choice of a method to repair ISA affected structures.
La réaction sulfatique interne est une pathologie qui affecte certains bétons hydrauliques ayant subi une élévation de température excessive au jeune âge. La formation tardive d'ettringite provoque un gonflement du béton, incompatible avec la rigidité du matériau et sa faible capacité en extension, ce qui engendre des fissurations dans la structure et des déformations différentielles incompatibles avec le fonctionnement en service de l'ouvrage. Le mécanisme de la réaction est assez complexe et il ne fait pas encore l'objet d'un accord complet dans la littérature. La description phénoménologique des gonflements nécessite la prise en compte de nombreux paramètres (composition du béton, conditions environnementales, histoire thermique et hydrique du béton...). Les modélisations proposées sont peu nombreuses, elles cherchent surtout à estimer l'amplitude finale maximale des gonflements et ne permettent pas de calculer l'état actuel d'un ouvrage où la réaction progresse plus ou moins en fonction du couplage avec les différents paramètres influents. S'appuyant sur ces constats et la nécessité de gérer les ouvrages atteints en prévoyant leur évolution, la présente recherche vise à développer une modélisation des effets mécaniques de la formation différée d'ettringite qui permette d'estimer l'état mécanique d'une structure atteinte. On présente donc une modélisation chimico-mécanique, formulée à l'échelle macroscopique. Le modèle est basé sur une approche thermodynamique décrivant la formation d'un cristal à l'intérieur d'un milieu poreux. Le comportement mécanique se trouve couplé à l'évolution d'une variable chimique décrivant l'avancement de la réaction, ce qui se traduit à chaque pas de temps par une déformation chimique imposée. L'amplitude et l'évolution de cette déformation sont décrites par une loi sigmoïdale modifiée dont les paramètres sont liés à la composition du béton et peuvent être identifiés expérimentalement dans des conditions standardisées. La valeur de calcul de la déformation chimique imposée tient également compte de l'histoire thermique au jeune âge du béton (qui a un effet sur le gonflement potentiel) et des conditions environnementales (température et humidité) qui ont un effet sur l'amplification des gonflements à chaque pas de temps. Un programme expérimental spécifique a permis de confirmer quantitativement le couplage proposé entre le potentiel d'expansion et l'histoire thermique au jeune âge. Le modèle est également écrit pour tenir compte de l'effet de la contrainte sur l'anisotropie du gonflement, qui constitue un phénomène important à l'échelle des ouvrages atteints, du retrait de séchage et de l'endommagement du module de Young en fonction de la déformation chimique induite par la réaction. Ce modèle a été implémenté dans le code de calcul CESAR-LCPC sous le nom RGIB, en intégrant et élargissant les fonctionnalités du module ALKA destiné aux structures atteintes d'alcali-réaction et constituant ainsi un nouveau module destiné au recalcul des structures atteintes de réaction de gonflement d'origine interne. On a appliqué ce module au recalcul de deux ouvrages ou parties d'ouvrages réels, afin de prédire leur comportement. On a adopté dans notre présentation des résultats une démarche progressive qui permet d'illustrer les différentes fonctionnalités du module. Les résultats trouvés sont satisfaisants et leur comparaison aux résultats in-situ montre une bonne coïncidence. Si le modèle proposé dans ce module RGIB rend compte des connaissances actuelles sur la RSI et ses effets, il met aussi en évidence les manques de connaissance quantitative sur cette réaction et les couplages qui l'influencent et l'importance de calibrages appropriés pour un recalcul précis des ouvrages atteints.
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