Ageing behaviour of concrete creep : application to the VeRCoRs concrete
Comportement vieillissant du béton en fluage : application au béton VeRCoRs
Résumé
Concrete is a material presenting basic creep (delayed strain evolving over time, under constant mechanical load, constant temperature and sealed conditions with respect to the humidity). This creep behaviour is also ageing (dependence of the evolution of the strain on the instant of application of the constant load, which does not correspond to a simple translation in time). This behaviour can be attributed to the "living" character of the material, whose microstructure evolves significantly over time at different scales. The concrete creep is critical for the prestressed containment building of nuclear power plants, since creep yields prestress relaxation. Obviously, the creep response measured on a test at less than 1 year cannot be directly transposed to a structural calculation for a load at 3 years. It is also excluded to wait several years to perform a creep test on a specimen. In order to connect these two strain responses, obtained by loading at two different instants, a material behaviour model integrating the ageing creep is necessary. To develop a model of material behaviour incorporating the ageing creep, given the multi-scale and multi-physics nature of concrete, creep experiments combined with the micro-mechanical modelling approach are attractive and are applied to the study of the VeRCoRs concrete, which is a typical mix design for the construction of the containment building. In fact, several orders of magnitude of dimensions separate the scale of physical mechanisms from the macroscopic scale. The validation will be done with regard to experiments on the VeRCoRs concrete. These micromechanical approaches are the subject of a research action in collaboration with EDF, ENPC and CEA Saclay. Homogenization of random media is a widely used practical and efficient tool to estimate the effective mechanical behavior of composite materials. However, when the microstructure evolves with respect to time, due to phase transformations, care should be taken when upscaling behaviors that themselves involve time, such as viscoelasticity. The improved approach in this thesis is able to overcome this limitation, building an equivalent composite replacing transforming phases by fictitious ageing viscoelastic phases to carry out the upscaling process. Applications to cement paste, to mortar and to the VeRCoRs concrete are proposed, referring to a simplified morphological model. Then it extends the approach developed at EDF to evolving morphological models of cement paste. Besides, we have generated a 3D numerical polycrystalline microstructure and compared the finite element simulation results with the analytical ones in the case of ageing viscoelasticity. Finally, the experimental campaign is carried out to characterize the ageing basic creep at different scales and at different ages of loading with the formulation of the VeRCoRs concrete in two ways : on concrete, complete the experimental program at different ages of loading; apply behaviour at lower scales (mortar and cement paste).These tests are carried out in the civil engineering laboratory in EDF les Renardières. A direct confrontation between the experimental results and the modelling results is performed. The ageing basic creep behaviour is compared with the application of mean-field homogenisation schemes
Le béton est un matériau présentant du fluage propre (déformation différée évoluant dans le temps, sous charge mécanique et état hydrique constants). Ce comportement en fluage est de plus vieillissant (l’évolution de la déformation dépend de l’instant d’application de la charge constante; il ne s’agit pas d’une simple translation en temps). Ce comportement vieillissant traduit le caractère « vivant » du matériau, dont la microstructure évolue considérablement au fil du temps. L’étude du fluage du béton est particulièrement critique pour les enceintes de confinement précontraintes, puisque le fluage a pour conséquence une relaxation de cette précontrainte dans le temps. Or les bétons d’enceinte sont mis en charge (application de la précontrainte) au bout de 2-3 ans environ, alors que les essais de fluage sur éprouvettes sont réalisés après 3 mois de maturation. Évidemment, la réponse en fluage mesurée sur un essai en moins d'un an ne peut être directement transposée sur un calcul de structure pour un chargement à 3 ans. Il est de même exclu d’attendre plusieurs années pour réaliser un essai de fluage sur éprouvette. Afin de relier ces deux réponses en déformation, obtenues par chargement à deux instants différents, un modèle de comportement matériau intégrant le fluage vieillissant s’avère nécessaire. Pour développer un tel modèle, compte tenu de la nature multi-échelle et multi-physique du béton, l’approche micromécanique représente une piste particulièrement attractive. En effet, plusieurs ordres de grandeur de dimensions séparent l’échelle des mécanismes physiques responsables du fluage de celle d’usage. La validation se fera vis à vis d’essais sur béton Vercors. Ces approches micromécaniques sont l’objet d’une action de recherche en collaboration avec l’EDF, l’ENPC et le CEA Saclay. La thèse vise à construire une loi de comportement de fluage propre vieillissant d’un béton, sur la base d’arguments physiques, par une démarche micromécanique, et à la valider expérimentalement. Le volet modélisation de la thèse présente deux objectifs principaux : déterminer le comportement vieillissant du béton à partir de celui de la pâte, et estimer le comportement vieillissant de la pâte elle-même à partir d’informations sur les micro-mécanismes sous-jacents. Le premier point constitue une application d’outils développés à EDF. Pour le second point, on commence par aborder le phénomène de solidification (précipitation progressive d’hydrates). Il s’agit alors d’étendre une approche mise au point à EDF à des modèles morphologiques évolutifs de pâte de ciment. Ces modèles micromécaniques sont développés de façon semi analytique (homogénéisation en champs moyens) et de façon numérique (homogénéisation en champs complets), afin de compléter le domaine couvert par la modélisation, ou de réaliser des intercomparaisons de résultats. L’homogénéisation numérique fait appel à la méthode des éléments finis appliquée sur des échantillons numériques 3D générés par des outils développés au CEA.. Cette double approche permettra en outre de vérifier le bon fonctionnement des outils développés. Le volet expérimental présente deux objectifs visant à compléter les données expérimentales concernant le comportement de fluage au jeune âge disponibles sur béton Vercors, dans deux directions :sur béton, compléter le programme de quelques échéances de chargement; caractériser le comportement aux échelles inférieures (du mortier et de la pâte de ciment).Ces essais sont réalisés dans le laboratoire génie-civil des Renardières (EDF) et servent notamment de données de validation des modèles micromécaniques
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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