Modelling of the mechanical behavior of concrete using a coupled multi-physics approach (chemical-mechanical coupling): application to alkali-silica reaction
Modélisation du comportement mécanique du béton par approche multi-physique (couplage chimie-mécanique) : application à la réaction alcali-silice
Résumé
Alkali-silica reaction is a pathology of concrete which induces irreversible damage for various types of structures (bridges, dams, pavements, etc.). It is a chemical reaction which occurs between the alkalis in cement paste and the silica present in some of the aggregates used for concrete preparation. Although some recommendations exist to prevent the development of this pathology, numerical modeling of the effects of alkali-silica reaction on mechanical properties of concrete remains an important issue for civil engineering applications. This thesis thus aims at advancing in the understanding and modelling of chemical and mechanical processes, and their interactions during the ASR. In a first stage, a model has been developed in order to cope with the chemical modeling of the alkali-silica reaction. This model is a coupled model dealing with two main variables – namely the concentrations in alkalis and silica. It provides at any time of the reaction and at every location of the sample the concentrations of the different species. The kinetics of the reaction is also taken into account through a parameter - the kinetics constant - which may be identified numerically. In order to couple chemistry and mechanics, this model has been implemented in the numerical tool FEMCAM (Finite Element Model for Concrete Analysis Method) - which simulates the 3D mechanical behavior of quasi-brittle materials - such as concrete. A mesoscopic approach has been used here and concrete is considered as a two-phase material composed of aggregates embedded in a mortar paste. A non local Mazars model - with implicit formulation – has been implemented in this tool in order to describe the elastic damage behaviour of mortar paste, aggregates are considered as having a purely elastic behaviour. The chemical model has then been coupled to the mechanical model in order to consider the effects of the ASR on the concrete's behaviour. A granular swelling has been considered in which the aggregates themselves swell within the mortar paste - and not the gel formed by the reaction. The inverse coupling - that is to say, the influence of concrete's mechanical degradation on the reaction's progress - has also been modelled by a simple but easily scalable law. The complete model has been validated thanks to different experimental campaigns, numerous sensitivity studies have been carried out to understand better the influence of the various parameters involved in the reaction.
La réaction alcali-silice (RAS) est une pathologie des bétons engendrant des désordres et dégradations irréversibles au niveau d'ouvrages de divers types (ponts, barrages, trottoirs, etc.). C'est une réaction chimique entre les alcalins contenus dans la pâte de ciment et la silice contenue dans certains granulats utilisés lors de la confection du béton. Bien que des recommandations existent afin d'éviter le développement de cette pathologie, la modélisation numérique des effets de la réaction alcali-silice sur la tenue mécanique du béton reste un enjeu de première importance pour le génie civil. L'objectif de cette thèse est de progresser dans la compréhension et la modélisation des phénomènes chimiques, mécaniques et de leurs interactions lors de la RAS. Une modélisation a d'abord été élaborée afin de rendre compte de la chimie de la réaction alcali-silice. Ce modèle analytique est un modèle couplé à deux variables qui sont les champs de concentration en alcalins et en silice. Il permet de connaître à chaque instant de la réaction et en tout point d'une éprouvette la concentration des différentes espèces. La cinétique de la réaction est aussi prise en compte via un paramètre, la constante cinétique, qui pourra être identifiée numériquement. Afin de coupler chimie et mécanique, ce modèle a été implémenté dans l'outil numérique FEMCAM (Finite Element Model for Concrete Analysis Method) qui simule le comportement mécanique tridimensionnel des matériaux quasi-fragiles tels que les bétons. C'est une approche mésoscopique qui a été adoptée où le béton est considéré comme un matériau biphasé composé de granulats agglomérés dans une pâte de mortier. Le modèle non local de Mazars avec formulation implicite est implémenté dans cet outil pour rendre compte du comportement élastique endommageable de la pâte de mortier tandis que les granulats sont considérés comme ayant un comportement purement élastique. Le modèle chimique a ensuite été couplé au modèle mécanique afin de rendre compte des effets de la RAS sur le comportement du béton. Il a été considéré une approche dite de gonflement granulaire dans laquelle ce sont les granulats eux-mêmes qui gonflent dans la pâte de mortier et non le gel formé par la réaction. Le couplage inverse, c'est-à-dire l'influence de la dégradation mécanique du béton sur l'avancement de la réaction, a aussi été modélisé par une loi simple mais facilement évolutive. Le modèle complet a pu être validé grâce à différentes campagnes expérimentales et de nombreuses études de sensibilité ont donc été réalisées afin de mieux comprendre l'influence des différents paramètres mis en jeu dans la réaction.
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