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.

Les phénomènes de localisation de déformation et de coalescence de microfissures sont considérés comme les deux principaux précurseurs du processus de rupture des structures en matériaux cimentaires. Il est aujourd’hui largement reconnu que la rupture survient suivant les trois étapes successives que sont la nucléation des microfissures, la propagation des microfissures et leur coalescence à la présence d’une zone fortement localisée. La modélisation de ce processus de rupture présente un travail complexe et délicat. Cette thèse porte sur la modélisation multi-échelle de l’endommagement et de la rupture des matériaux cimentaires sous sollicitation hygrométrique avec des effets d’agrégat. Les travaux présentés dans cette thèse visent à décrire le comportement mécanique et le processus de rupture des matériaux cimentaires en prenant en compte des effets d’agrégats à une échelle mésoscopique. La pâte cimentaire sera considérée comme un milieu homogène qui sera décrit par un modèle de comportement élastoplastique homogénéisé, permettant de prendre en compte la localisation de déformation et le processus de fissuration. Une approche numérique, à l’aide de la méthode XFEM, sera proposée afin de prendre en compte les effets des agrégats et des interfaces. / The phenomena of strain localization and coalescence of microcracks are regarded as two principle precursors of the rupture process structures in cementitious materials. It is now widely recognized that the rupture occurs following by three stages that are microcracks nucleation, the propagation of microcracks and their coalescence in a highly localized area. The modeling of this process of rupture presents a complex and delicate work. This thesis focuses on the multi-scale modeling of damage and fracture of cementitious materials under hydrometric solicitation with effects of aggregates. The work presented in this thesis aims to describe the mechanical behavior and the rupture process of cementitious materials taking into account the effects of aggregates at mesoscopic scale. The cement paste is considered as a homogeneous medium which is described by an elastoplastic homogenized model, which takes into account the strain localization and cracking process. A numerical approach by using the extended finite element method(XFEM) will be proposed to take into account the effects of aggregates and interfaces.

Un des points les plus importants en génie civil concerne la durabilité des structures. Au cours de sa vie, une structure est confrontée à différentes situations environnementales, tels que différentes humidités relatives. Il est donc crucial de caractériser le comportement des matériaux tels que le retrait par rapport à ces changements. Certaines informations sont nécessaires afin de pouvoir prédire cela. Une des principales informations est l’isotherme de sorption-désorption. Obtenir l’isotherme expérimentalement est considéré comme une expérience coûteuse en temps. C’est pour cette raison que la modélisation numérique de l’isotherme porte un grand intérêt. Une hystérésis est également perceptible entre les courbes de sorption et de désorption. Ce phénomène est lié à la structure du réseau poreux et la présence des petits pores se trouvant enfermés derrière les grands pores (des pores de bouteille d’encre).Dans cette thèse, afin de modéliser un milieu poreux, une morphologie numérique de la géométrie du milieu poreux a été présentée par l’intermédiaire d’une excursion de champs aléatoires. Les paramètres du champ aléatoire sont basés sur les valeurs expérimentales. L’avantage de cette étude est de modéliser le réseau poreux sans aucune hypothèse sur la forme des pores. Une fois que les milieux poreux ont été reproduits, l’analyse morphologique doit être effectuée afin de modéliser les transferts d’eau. À la suite de la simulation de l’isotherme de sorption-désorption, la deuxième étape consiste à évaluer les déformations induites par la dessication et de trouver une estimation du retrait de dessiccation. / One of the most important issues in civil engineering about structures is their durability. A structure during his lifetime faces different environmental situations, like different relative humidities. Thus, it is crucial to characterize materials behavior like the shrinkage against these changes. Some information are needed to predict it. One of the principal information is the sorption-desorption isotherm. Obtaining isotherm experimentally is considered as a substantially time-consuming experience. Therefore, it is of interest to model the isotherm from a numerical point of view. A hysteresis is also noticeable between the curves of sorption and desorption. This phenomenon is related to the structure of the porous network and the presence of ink-bottle pores.In the present work, in order to model a porous media, a numerical morphology of the geometry of the porous media has been presented by means of a Random Field excursion. Random Field parameters are defined based on experimental values. The advantage of this study is to model the porous network without any assumption on the shape of pores. Once the porous media has been reproduced, the morphological analysis must be done in order to model water transfers. Following the simulation of sorption-desorption isotherm, the second step is to evaluate strains induced due to desiccation and to find an estimation of drying shrinkage.

Ce travail de recherche doctorale s’intéresse spécifiquement aux déchets granulaires minéraux issus de mâchefers d’incinération de déchets non dangereux (MIDND). Il vise à l’élaboration de sables de mâchefers mieux épurés que les MIDND classiquement produits en sortie d’usine ou d’installation dans une finalité de valorisation à plus forte valeur ajoutée dans une matrice cimentaire. Dans une première partie, une méthodologie de traitement pour l’élaboration de sables de mâchefers mieux épurés que ceux standards au sens enlèvement des métaux ferreux et non-ferreux est proposée. Cette méthodologie repose sur un broyage de la fraction 0-20 mm des MIDND par le procédé BHS. La fraction 0-4 mm majoritaire obtenue est traitée par des tambours magnétiques à pôles axiaux et par de séparateur à courants de Foucault NES4T de STEINERT. Dans une seconde partie, une caractérisation physique, chimique, minéralogique et environnementale des sables de mâchefers non traités et améliorés est effectuée. Dans une finalité de valorisation en matrice cimentaire, la troisième partie de la thèse s’est focalisée sur la fraction la plus problématique des MIDND, à savoir la fraction 0-2 mm. Les fractions granulaires 0-2 mm élaborées sont utilisées en substitution volumique partielle (50% et 75%) et totale (100%) d’un sable de référence normalisé dans la formulation de mortiers cimentaires. Une caractérisation physique, mécanique et environnementale des mortiers confectionnés est réalisée à différentes échéances de cure humide, jusqu’à 180 jours. Les résistances mécaniques des mortiers à base de mâchefers sont encourageantes et prometteuses. Enfin, une caractérisation des pâtes de ciment incorporant des sables de mâchefers est effectuée par la technique d’indentation instrumentée à travers la détermination du module élastique et la dureté. / This doctoral study focuses on granular mineral wastes from municipal solid waste incineration (MSWI) bottom ash. This research is aiming to elaborate upgraded mineral sands fractions in comparison to standard MSWI bottom ash thanks to its beneficial use in cementitious materials. In the first step, a new methodology is proposed for dry separation of MSWI bottom ash in order to better recover ferrous and non-ferrous metals from the sands fractions and obtain an improved mineral sand fraction at the same time. This proposed methodology is composed of grinding of 0-20 mm input bottom ash fraction through BHS crushers. Subsequently, the main sand fraction (0-4 mm) is processed through magnetic drums and the innovative non-ferrous metal separator NES 4T of STEINERT process. In the second step, physical, chemical, mineralogical and environmental characterizations have been performed on untreated and treated sands fractions. The third step of this research focuses on beneficial use of the 0-2 mm granular fraction in cementitious materials, that is considered most problematic of MSWI bottom ash fractions. The standardized reference sand is replaced in volume for the partial substitution (50% and 75%) and total substitution (100%) by 0-2 mm upgraded mineral fractions in the mortar preparation. Physical, mechanical and environmental characterization have been performed on cement mortar up to 180 days of moist curing. Compressive strengths of mortar containing upgraded bottom ash are promising. Finally, a mechanical characterization on hardened cement paste has been performed as well on mortar containing upgraded bottom ash fractions through indentation technique in order to determine the modulus of elasticity and hardness.

Παρατηρείται ότι, το ΙΑΜ έχει ήδη εδρεώσει τη θέση του ανάμεσα στα δομικά υλικά. Όμως για να μπορεί να χαρακτηριστεί ως πολυλειτουργικό υλικό, θα πρέπει να παρέχει και άλλες λειτουργίες μη δομικής φύσεως. Η διατριβή αυτή, επικεντρώθηκε στην ανίχνευση βλάβης σε στοιχεία ΙΑΜ μέσω διηλεκτρικών μετρήσεων και πιο συγκεκριμένα μέσω της μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασης στα στοιχεία αυτά. Τα αποτελέσματα των πειραματικών δοκιμών θα χρησιμοποιηθούν ώστε να θέσουν τις βάσεις για κατάλληλους συντελεστές συσχέτισης μεταξύ της εξέλιξης της βλάβης και της πιεζοαντίστασης σε στοιχεία ΙΑΜ. / This thesis presents the preliminary results of an ongoing experimental program aiming at assessing the piezoresistivity of carbon textile reinforced concrete dumbbell specimens under monotonic tensile loading, along the direction of loading. During testing both longitudinal strain and longitudinal electrical resistivity were recorded; electrical resistivity measurements were realized using a high-precision multimeter. The results of this experimental campaign may be used for setting the ground for establishing appropriate correlation factors between damage progression and piezoresistivity properties for TRC elements.

Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής διερευνήθηκε – τόσο σε πειραματικό όσο και σε αναλυτικό επίπεδο – η ενίσχυση των τοιχοπληρώσεων σε πλαίσια ΟΣ με μια νέα τεχνική που κάνει χρήση ενός προηγμένου σύνθετου υλικού γνωστού ως «Ινοπλέγματα σε Ανόργανη Μήτρα (ΙΑΜ)». Η τεχνική αυτή αποτελεί εναλλακτική πρόταση ενίσχυσης έναντι άλλων, συμβατικών και μη, τεχνικών και χαρακτηρίζεται από την ευκολία εφαρμογής της, τις εξαιρετικές ιδιότητες του υλικού καθώς και τα συγκριτικά πλεονεκτήματα του τελευταίου έναντι ανταγωνιστικών υλικών για τον ίδιο σκοπό, όπως τα ινοπλισμένα πολυμερή. Για τη διερεύνηση της αποδοτικότητας της νέας τεχνικής σχεδιάσθηκε και εκτελέστηκε ένα πολύπλευρο πειραματικό πρόγραμμα. Αρχικά αναπτύχθηκε ένα νέου είδους αγκύριο με βάση τα πλέγματα ινών, το οποίο δοκιμάσθηκε ως μέσο σύνδεσης μεταξύ στοιχείων τοιχοποιίας και σκυροδέματος. Όπως έδειξαν πειραματικές δοκιμές για τη σύνδεση τοιχοποιίας-στοιχείων σκυροδέματος, τα αγκύρια που αναπτύχθηκαν αποδείχθηκαν επαρκώς αποτελεσματικά ώστε να χρησιμοποιηθούν στο δεύτερο - και κυρίως μέρος - του πειραματικού προγράμματος, το οποίο περιελάμβανε δοκιμές σε τριώροφα τοιχοπληρωμένα πλαίσια. Στα πλαίσια του δεύτερου μέρους του πειραματικού προγράμματος κατασκευάσθηκαν και δοκιμάσθηκαν, σε εντός επιπέδου ανακυκλιζόμενη φόρτιση, δύο τοιχοπληρωμένα πλαίσια μεγάλης κλίμακας (2/3). Το ένα εξ αυτών δοκιμάσθηκε χωρίς να ενισχυθεί και απετέλεσε το δοκίμιο αναφοράς, ενώ το άλλο δοκιμάσθηκε μετά την ενίσχυσή του με μανδύες ΙΑΜ και την υλοποίηση αγκύρωσης/σύνδεσης της τοιχοπλήρωσης με τα περιμετρικά μέλη του πλαισίου. Επιπλέον των δοκιμών κυκλικής φόρτισης, πραγματοποιήθηκαν και δοκιμές ελεύθερης ταλάντωσης για τη μελέτη της επιρροής των τοιχοπληρώσεων – ενισχυμένων και μη – στα δυναμικά χαρακτηριστικά του πλαισίου. Τα αποτελέσματα των δοκιμών στα τριώροφα τοιχοπληρωμένα πλαίσια κατέδειξαν τη συμβολή της νέας τεχνικής στη βελτίωση της απόκρισης του πλαισίου με αύξηση της αντοχής του σε πλευρική φόρτιση, της ικανότητας παραμόρφωσής του και της ικανότητας ανάλωσης ενέργειας. Το τρίτο μέρος της έρευνας επικεντρώθηκε στην ανάπτυξη αναλυτικού προσομοιώματος, το οποίο βασίσθηκε στη χρήση γραμμικών στοιχείων θλιπτήρα-ελκυστήρα για την προσομοίωση της απόκρισης των τοιχοπληρώσεων (ενισχυμένων και μη). Για τον υπολογισμό των ιδιοτήτων του θλιπτήρα έγινε χρήση αναλυτικών σχέσεων από τη βιβλιογραφία, ενώ για τον υπολογισμό των ιδιοτήτων του ελκυστήρα αναπτύχθηκε κατάλληλη αναλυτική μεθοδολογία. Για τον προσδιορισμό συγκεκριμένων παραμέτρων που απαιτούνταν για το αναλυτικό προσομοίωμα της ενισχυμένης τοιχοπλήρωσης, διεξήχθησαν πρόσθετες δοκιμές και συγκεκριμένα, δοκιμές εφελκυσμού ΙΑΜ, δοκιμές κεντρικής θλίψης τοιχοσωμάτων – ενισχυμένων και μη – και δοκιμές διαγώνιας θλίψης τοιχοσωμάτων – ενισχυμένων και μη. Οι πειραματικά προσδιορισμένες ιδιότητες του υλικού της ενίσχυσης (όπως η εφελκυστική του αντοχή και το μέτρο ελαστικότητας) καθώς και οι ιδιότητες των τοιχοσωμάτων (όπως η θλιπτική αντοχή, η διατμητική τάση ρηγμάτωσης, το μέτρο ελαστικότητας και το μέτρο διάτμησης) χρησιμοποιήθηκαν ως τιμές των αντίστοιχων παραμέτρων του αναλυτικού προσομοιώματος. Τα παραπάνω στοιχεία ενσωματώθηκαν σε λογισμικό ανοικτού κώδικα για τη μη-γραμμική ανάλυση κατασκευών, στο οποίο τα μέλη του πλαισιακού φορέα (δοκοί και υποστυλώματα) προσομοιώνονται με γραμμικά στοιχεία συγκεντρωμένης ανελαστικότητας στα άκρα τους. Για την προσομοίωση των δύο πειραματικών δοκιμίων (μη ενισχυμένο και ενισχυμένο τοιχοπληρωμένο τριώροφο πλαίσιο) πραγματοποιήθηκαν σειρές αναλύσεων με στόχο την βαθμονόμηση-επαλήθευση του αναλυτικού προσομοιώματος. Βάσει των αναλύσεων προέκυψε ότι το αναλυτικό προσομοίωμα μπορεί να αναπαράγει με καλή ακρίβεια την απόκριση των πειραματικών δοκιμίων. Η διατριβή χωρίζεται σε επτά κεφάλαια. Στο Κεφάλαιο 1 πραγματοποιείται η εισαγωγή στο αντικείμενο της εργασίας και στο πρόβλημα το οποίο επιχειρεί να αντιμετωπίσει. Στο πλαίσιο της περιγραφής του προβλήματος παρουσιάζονται συνοπτικά οι υφιστάμενες τεχνικές αντιμετώπισης, οι οποίες είτε εφαρμόζονται στο πεδίο είτε έχουν διερευνηθεί πειραματικά. Στο Κεφάλαιο 2 περιγράφεται συνοπτικά το υλικό το οποίο χρησιμοποιείται στη νέα τεχνική που αναπτύσσεται στην παρούσα εργασία, δηλαδή τα «Ινοπλέγματα σε Ανόργανη Μήτρα (ΙΑΜ)», μαζί με μία σύντομη ανασκόπηση των ερευνητικών εργασιών της διεθνούς βιβλιογραφίας που κάνουν χρήση των ΙΑΜ σε εφαρμογές ενισχύσεων στοιχείων οπλισμένου σκυροδέματος (ΟΣ) και τοιχοποιίας. Το Κεφάλαιο 3 αποτελεί ένα μικρό κεφάλαιο στο οποίο περιγράφεται εποπτικά το σύνολο του πειραματικού προγράμματος το οποίο χωρίζεται σε τρία μέρη. Το πρώτο μέρος παρουσιάζεται στο Κεφάλαιο 4 και διερευνά τη σύνδεση μεταξύ μελών ΟΣ και τοιχοποιίας μέσω ΙΑΜ και ειδικά διαμορφούμενων αγκυρίων ινών. Στο Κεφάλαιο 5, το οποίο αποτελεί τον κορμό της παρούσας εργασίας, παρουσιάζεται το δεύτερο μέρος του πειραματικού προγράμματος που αποτελείται από δοκιμές σε τριώροφα τοιχοπληρωμένα πλαίσια μεγάλης κλίμακας. Η περιγραφή του τρίτου μέρους του πειραματικού προγράμματος, το οποίο περιλαμβάνει συμπληρωματικές δοκιμές για την υποστήριξη των αναλύσεων, ενσωματώνεται στο Κεφάλαιο 6 μαζί με την περιγραφή του αναλυτικού προσομοιώματος και των αριθμητικών αναλύσεων. Τέλος, στο Κεφάλαιο 7 πραγματοποιείται η σύνοψη της εργασίας και η παράθεση των συμπερασμάτων που προκύπτουν από αυτή. / The subject of the present thesis is the experimental and analytical investigation of strengthening masonry infilled reinforced concrete (RC) frames with Textile-Reinforced Mortar (TRM). The proposed strengthening technique comprises the application of externally applied TRM layers on the infills surfaces and the connection to the surrounding RC frame members. TRM is a composite material which comprise fibers in form of textiles in combination with inorganic matrices (such as cement based mortars). The experimental campaign includes tests on small-scale specimens (i.e. masonry subassemblies) as well as on large-scale specimens (3-story masonry infilled RC frames). In the framework of the first part of the experimental campaign different methods of masonry infill-concrete connection are examined by developing and testing textile-based anchors. The parameters under investigation include mainly the type of boundary conditions at the masonry-concrete interface, the geometry and fiber volume of anchors and the type and number of layers of the textile. It is concluded that the anchors developed in this study enable the transfer of substantial tensile forces between masonry and concrete. The second part of the experimental campaign includes the application of TRM on nearly full-scale, as-built and retrofitted, 3-storey frames, subjected to in-plane cyclic loading. The results of testing a 2:3 scale, as-built frame representing typical structures with non-seismic design and detailing characteristics and of a companion frame retrofitted via TRM jacketing are compared in terms of the efficiency of the proposed technique to enhance the strength and deformation characteristics. Additionally, in order to determine the dynamic characteristics of the frames free vibration tests are performed in three different stages of their construction (bare frame; infilled-frame; retrofitted-infilled frame). It is concluded that the proposed strengthening technique is very effective in increasing the lateral strength, the deformation capacity, the initial elastic stiffness as well as the dissipating energy of the infilled frames. The last part of the thesis presents an analytical approach for modeling the behavior of TRM-retrofitted infilled RC frames under seismic loading. The model falls into the discrete diagonal-element type and is based on the use of a single-strut and single-tie elements to represent the infill panel and it builds on the results of the experimental campaign. The model is implemented in a nonlinear finite-element code, with the parameters of the diagonal elements being determined from a series of tests on TRM coupons and masonry specimens. The results of the numerical analyses are compared with the experimental data and is concluded that the model adequately accounts for the TRM-strengthening contribution to the global response of masonry-infilled frames.