Ce mémoire de thèse a pour objectif de caractériser et de modéliser le comportement mécanique du béton sous fort confinement, à l'échelle mésoscopique, celle des granulats et de la matrice cimentaire. Le cadre plus général de cette étude est la compréhension du comportement du béton sous chargement dynamique de type impact, pouvant générer des pressions moyennes de l'ordre du GPa. Mais la caractérisation de la réponse d'un matériau, dans un état de contraintes homogène, ne peut se faire que par des essais quasi-statiques. Les essais déjà réalisés au laboratoire 3S-R ont mis en évidence l'importance des granulats dans la réponse en compression triaxiale du béton. La modélisation du béton à l'échelle mésoscopique, sous la forme d'une phase mortier et d'une phase granulats, permet une représentation de l'effet des granulats. Une étude expérimentale du comportement de la phase mortier est réalisée. Des essais usuels et des essais hydrostatiques et triaxiaux entre 60 et 650MPa de confinement permettent d'identifier les paramètres d'un modèle de comportement de type plasticité couplée à l'endommagement. Celui-ci reproduit la compaction non-linéaire du mortier, l'endommagement des essais de compression ou de traction simple et la plasticité sous fort confinement. Le modèle biphasique utilise la méthode des éléments finis, en utilisant un maillage cubique régulier. Une méthode de Monte-Carlo est utilisée pour placer sur cette grille des granulats quasi-sphériques selon la granulométrie mesurée sur le béton de référence. Les simulations numériques sont comparées aux essais expérimentaux sur ce béton. Ces simulations, dont les paramètres sont identifiés par les essais expérimentaux sur mortier, reproduisent les différentes phases observées lors de la compaction hydrostatique. L'évolution des raideurs axiales avec le confinement est soulignée, ainsi que la bonne reproduction des états-limites des essais triaxiaux sous fort confinement. Les faciès de rupture des essais numériques sont comparables à ceux des essais expérimentaux. Les chargements d'extension triaxiale mettent en évidence les limites du modèle biphasique

La prédiction des déformations différées est d'une très grande importance pour l'étude de la durabilité des structures en béton. En effet, elles peuvent être à l'origine de la fissuration, de pertes de précontrainte, d'une redistribution des contraintes et même, plus rarement, de la ruine de l'ouvrage. L'objectif de cette étude est de mieux comprendre l'interaction entre les déformations de fluage et l'évolution de la fissuration dans le béton. Une investigation expérimentale sur l'évolution des propriétés de rupture de poutres en béton soumises à des hauts niveaux de fluage en flexion a été menée. L'influence du fluage sur la résistance résiduelle et l'énergie de fissuration du béton a été étudiée. En parallèle, la technique d'émission acoustique (EA) a été exploitée afin de suivre l'évolution de l'endommagement. Les résultats montrent une diminution de la zone de microfissuration caractérisant un comportement à la rupture plus fragile pour les poutres ayant subi le fluage. L'EA indique que ceci peut être dû au développement des micro-fissures observées pendant le fluage. L'ensemble de ces résultats conduit à proposer une approche de modélisation à l'échelle mésoscopique couplant un modèle d'endommagement basé sur la théorie des microplans et un modèle de fluage viscoélastique de type Kelvin-Voigt afin de mieux comprendre le processus de fissuration sous fluage. Les calculs du fluage d'échantillons de béton en traction directe et de poutres en flexion trois points ont confirmé la formation de micro-fissures pendant le fluage aux interfaces entre le mortier et les granulats.

Cette recherche s'inscrit dans le cadre de l'étude de la durabilité des ouvrages en béton en cas d'incendie. Les études expérimentales montrent l'influence importante de la température sur le comportement des bétons et notamment des BHP. La présente recherche a pour objet d'identifier les mécanismes élémentaires conduisant à la dégradation des bétons sous l'effet de la température et de proposer ainsi un modèle prédictif permettant l'évaluation de l'endommagement des bétons sous l'effet de la température. L'endommagent thermique du béton observé expérimentalement est en fait la résultante de plusieurs mécanismes élémentaires qui se produisent à différentes échelles du matériau. La démarche adoptée consiste à découpler l'endommagement thermique d'origine mécanique (accompagné des déformations) et qui a lieu à l'échelle macroscopique et microscopique de l'endommagement thermique d'origine physico-chimique (non accompagné de déformations) et qui est dû principalement aux transformations physico-chimiques de la matière. A l'échelle mésocopique, nous postulons l'existence d'une déformation supplémentaire, appelée déformation micromécanique, responsable de l'endommagement par dilatation différentielle entre le mortier (ou ciment) et les granulats. L'approche est basée sur l'exploitation simultanée du modèle multiphasique Béton Numérique (BN) et du modèle d'endommagement déviatorique (MODEV), implantés dans le code de calcul aux éléments finis SYMPHONIE. Une étude expérimentale a été réalisée afin d'alimenter et de valider le modèle d'endommagement thermique. Cette étude a porté sur 5 matériaux cimentaires, à savoir ; une pâte de ciment, un mortier, un béton ordinaire, un BHP à granulats calcaires et un BHP à granulats silico-calcaires. Des essais de flexion trois points ont été effectués sur des éprouvettes ayant subits au préalable un cycle de chauffage- refroidissement. L'approche multi échelles du modèle BN a permis de retrouver par simulation le comportement à chaud observé expérimentalement. Ceci est effectué en simulant les différents essais réalisés dans le cadre de la présente recherche. L'approche "Béton Numérique" a permis de mettre en évidence l'existence de la déformation micromécanique d'une part et de proposer une approche originale permettant l'identification par simulation des lois de comportement des bétons à hautes températures. Cette approche a été également appliquée avec succès pour expliquer les observations expérimentales du comportement thermomécanique du béton sous chargement mécanique, appelé communément « fluage thermique transitoire ». En fin, une application aux bétons réfractaires soumis à des très hautes températures a été réalisée.

Ce mémoire de thèse a pour objectif de caractériser et de modéliser le comportement mécanique du béton à l'échelle mésoscopique. Le cadre plus général de cette étude est le développement d'un modèle mésoscopique du béton; ce modèle consiste à représenter le béton comme un milieu hétérogène en prenant en compte la différence qui existe entre les granulats et la pâte de ciment en respectant la courbe granulométrique qui joue un rôle primordial dans le comportement du béton. Les paramètres du modèle sont ceux qui décrivent les comportements mécanique et thermique de la pâte de ciment et des granulats. Nous souhaitons ainsi nous intéresser à la compréhension du comportement du béton, celui-ci étant considéré comme une structure. Un programme de tirage aléatoire de la structure granulaire valable en 2D et en 3D a été développé. Ce programme est interfacé avec le code de calcul Cast3M qui permet d'effectuer les simulations numériques. Une méthode de représentation numérique des inclusions du béton a été également développée et validée par projection de la géométrie sur les fonctions de forme, éliminant ainsi les problèmes de maillage qui rendaient la représentation de l'ensemble du squelette granulaire quasi-impossible lorsque on souhaite représenter des petits et des gros granulats, particulièrement en 3D. Dans un premier temps, le modèle est utilisé en 2D et 3D pour optimiser le modèle géométrique de structure interne du béton, la stratégie de maillage et la plus petite taille des granulats à modéliser. Les résultats du modèle 2D et 3D sont analysés et comparés dans le cas de sollicitations de traction et de compression uniaxiale. Le modèle utilisé est un modèle d'endommagement isotrope unilatéral développé par Fichant. Le modèle permet de simuler à la fois le comportement macroscopique mais aussi local avec l'étude de la distribution de la fissuration et de l'ouverture des fissures. Le modèle montre des résultats intéressants sur la transition entre l'endommagement diffus et localisé et est capable de reproduire les effets de dilatance en compression. Finalement, le modèle mésoscopique a été appliqué dans les trois cas de simulations : le calcul de la perméabilité du béton fissuré; la simulation de l'hydratation du béton au jeune âge et enfin les calculs de structures avec la mise en évidence de l'effet d'échelle sur des poutres entaillées.