abstract: The main objective of this study is to numerically investigate: (i) the ionic transport, especially chloride ion penetration into cementitious materials under imposed electric fields, and (ii) moisture transport through cracked concretes as a function of the crack geometry. Numerical methods were implemented to simulate the ionic transport process, based on coupling the Nernst-Planck equation and Poisson's equation to account for transport dominated by electromigration. This mathematical model was also modified to account for the chloride binding mechanism (physical and chemical trapping of chlorides by the cement hydrates) and the concentration dependence of the diffusion coefficient of each ion in the transport process. To validate the numerical model, experimental data from a companion work was used in this study. The non-steady state migration test, which is one of the common accelerated chloride ion transport test, is numerically simulated. The simulation provides a linear relationship between ionic concentration and ionic flux, which indicates that the diffusion part is negligible under a strong external voltage environment. The numerical models along with adjustments for the concentration-dependent diffusion coefficients, a pore structure factor (from electrical measurements) and chloride binding considerations are found to be successful in predicting the chloride penetration depth into plain and modified concretes under imposed electrical potentials. Moisture transport through cracked concrete was examined in the second part of this thesis. To better understand the crack's influence on the permeability, modified Louis' equation was chosen to relate the permeability with crack characteristics. 3D concrete crack models were developed using a MATLAB program with distinct crack tortuosities, roughnesses and sizes. As a comparison, Navier-Stokes equation and the Lattice Boltzmann method were also applied on the 3D model of the cracked concrete to evaluate their permeability. The methodology developed here is expected to be useful in understanding the influence of cracking on moisture transport, and when properly coupled with an ionic transport model that will be further developed, helps comprehensively understand the coupling effects of moisture and ionic transport on deterioration in concrete structures. / Dissertation/Thesis / M.S. Civil and Environmental Engineering 2014

Une structure en béton doit assurer des fonctions structurales qui vont au delà de la simple résistance. Dans ce cadre, la fissuration du béton armé joue un rôle primordial sur la durabilité, l'étanchéité et même la sûreté des structures. La structure poreuse du béton rend naturellement possible la pénétration au cours du temps d'espèces délétères. En outre, sous l'effet des chargements mécaniques et des conditions environnementales au sens large, le béton se fissure. Les fissures constituent, elles aussi, des voies préférentielles pour la pénétration de fluides ou d'agents agressifs et ajoutent de manière significative leur contribution à la dégradation des performances structurelles. Dans la thèse une stratégie de modélisation macroscopique probabiliste du couplage entre fissuration et transferts de fluides dans les structures en béton est présentée. Le béton est modélisé comme un milieu poreux saturé d'eau tandis que la fissuration (mécanique) est modélisée au travers d'une approche numérique probabiliste tenant compte de l'hétérogénéité naturelle du matériau et des effets d'échelle qu'elle induit. L'hypothèse physique de base du modèle de fissuration est que chaque élément fini peut être considéré comme représentatif d'un volume de matière hétérogène dont le comportement est géré par son degré d'hétérogénéité, défini comme le rapport entre le volume élémentaire et un volume représentatif de l'hétérogénéité du matériau. Dans la formulation développée, les propriétés mécaniques du matériau sont considérées comme des variables aléatoires (non corrélés) distribuées dans les éléments du maillage selon des distributions statistiques validées expérimentalement. Une approche par analyse inverse permet d'accéder aux paramètres de fonctions de distribution qui, selon les hypothèses du modèle, varient en fonction de la dimension des éléments finis. Le couplage fissuration-transfert est traité de manière faible, sous l'hypothèse d'absence d'interaction entre les deux processus (à savoir que la fissuration de l'élément fini, d'origine mécanique, induit une variation locale de sa perméabilité). L'utilisation d'une loi de Poiseuille modifiée et adaptée expérimentalement selon un protocole développé dans le cadre de la thèse permet de mettre en relation une telle variation avec l'ouverture de fissure et de prendre en compte, de manière macroscopique, les principales causes d'écart entre l'écoulement idéalisé, représenté par la loi de Pouiselle, et l'écoulement dans des fissures réelles. Une approche de type Monte-Carlo permet de valider les résultats des simulations mécaniques et hydriques. Les capacités de la stratégie de modélisation proposée en termes de prédiction des débits d'eau en milieu fissuré sont explorées au travers de la simulation d'essais de perméabilité sous charge sur des éprouvettes cylindriques soumises à du fendage. Ces essais sont utilisés dans le cadre du protocole expérimentale. Une première validation à l'échelle d'un élément structurel multifissuré est presentée. Elle consiste en la simulation d'un essai (récemment proposé dans la littérature) developpé pour l'étude de l'impact de la fissuration sur les propriétés de transfert de tirants en béton armé / Concrete durability is strongly affected by the flow of fluids, gas and pollutants in its porous matrix. The presence of cracks weakens the resistance of concrete porous matrix and constitutes preferential flow paths for aggressive components. In the thesis, a probabilistic numerical modeling strategy for modeling fluids transfers in cracked concrete structures is presented. The concrete is modeled in the framework of water saturated porous media. Its (mechanical) cracking is modeled by means of a macroscopic probabilistic approach, explicitly taking into account material heterogeneity as well as size effects. The main assumption of the model, developed in the frame of the the Finite Element Method, is to consider a finite element volume as a volume of heterogeneous material and to assume that physical mechanisms influencing the cracking processes remain the same whatever the scale of observation. At the scale of the finite element, mechanical properties are then functions of its own volume. To describe the heterogeneity of the material, these mechanical properties are consider as uncorrelated random variables distributed over the finite element mesh. Characteristics of statistical distribution laws are directly depending on the degree of heterogeneity of the finite element (the ratio between its volume and the volume of the coarsest aggregate) and of the quality of the cement paste. An inverse analysis approach allows to find their parameters as functions of the elementary volume. A weak coupling between cracking and fluid transfers is considered, under the assumption of no interaction between the two processes (i.e. the mechanically produced cracking of a finite element induce a local variation of its permeability tensor). An experimentally adapted Pouiseuille law, based on an original experimental protocol, allows to relate this permeability variation to the crack aperture and to macroscopically take into account the influence of crack roughness, aperture variation and tortuosity. A Monte-Carlo like approach is used in order to statistically validate mechanical and hydraulic simulations. The coupling strategy is validated in two phases, both at the scale of a laboratory specimen and at the scale of a multi-cracked structural element