La desquamation en plaque est une forme de dégradation de la pierre monumentale fréquemment observée. Cette morphologie spécifique résulte de l’initiation et la propagation d’une fissure subparallèle à la surface, qui subit diverses sollicitations en conditions naturelles d’exposition. L’objectif de cette recherche est de mieux comprendre ces mécanismes d’altération et d’appréhender les paramètres déterminants dans l’initiation de la fissuration au sein des pierres mises en œuvre. Une approche en mécanique de la rupture a ainsi été proposée. L’influence des minéraux argileux, mis en cause dans ce phénomène, est étudiée et discutée. Trois pierres ont été sélectionnées, une molasse, un grès et une kersantite, présentant de nombreux exemples de desquamation lorsqu’elles sont exposées. Leur comportement hydromécanique est caractérisé en tenant compte de leur anisotropie naturelle. Les propriétés élastiques, la résistance à la traction et la ténacité sont mesurées après saturation, pour plusieurs humidités relatives en phase d’humidification et de séchage, et après plusieurs cycles de variations d’humidité relative. Un couplage de mesure des dilatations et des vitesses d’ondes acoustiques a permis un suivi précis de l’endommagement au fil des cycles. L’influence des minéraux argileux dans les processus d’altération a pu être vérifiée. Ces phases ont été identifiées comme des facteurs essentiels de la dégradation, car elles constituent des plans de fragilité favorisant l’endommagement et la fissuration du matériau, et ce d’autant plus qu’elles se dilatent lors des sollicitations naturelles. / Flaking is a deterioration pattern widely observed on monumental stone heritage. This pattern is due to the initiation and propagation of a crack subparallel to the surface of the stone exposed to natural weathering. This research aims to better understand the alteration mechanisms and to determine the parameters involved in such crack initiation within monumental stones. A fracture mechanics approach is proposed and the influence of clay minerals on this detachment alteration is discussed. The research is carried out on three stones, a molasse, a sandstone and a kersantite, showing scaling effect when submitted to natural conditions. Their hydromechanical behaviour is studied with respect to their natural anisotropy. Elastic properties, tensile strength and toughness are measured after saturation, at various RH values during humidification and drying, and after several cycles. Wave propagation combined with dilatation measurements is used to follow damage during the RH variations cycles. The influence of clay minerals on alteration processes is verified. These phases are critical factors of stone degradation as they are weakness planes leading to damage and cracking, especially generated by their swelling.

Les bétons autoplaçants (BAP), développés depuis plusieurs années sont encore à l'heure actuelle qualifiés de « nouveaux bétons » car leur utilisation reste modeste bien qu'ils possèdent un fort potentiel de développement. Ce frein peut être expliqué par leur coût plus élevé, leur sensibilité à la ségrégation et à la fissuration due à leur fort retrait ainsi que par le manque de connaissances sur leur durabilité. Les BAP se distinguent des bétons ordinaires principalement par un dosage en éléments fins plus important. Ainsi, l'utilisation de fines additions minérales plus économiques et/ou plus écologiques dans ces bétons parait judicieuse sous certaines conditions. La présente thèse s'inscrit dans ce contexte et a pour objectifs de contribuer au développement de BAP plus écologiques et à l'étude de leur durabilité. Notre choix s'est porté sur deux ciments industriels à forte teneur en additions, le ciment CEM Ill à base de laitier de haut fourneau et le ciment CEM V à base de cendres volantes et de laitier de haut fourneau ainsi que sur deux additions minérales encore peu étudiées dans la littéraire : le métakaolin et un sédiment de dragage calciné. Différentes formulations dérivées d'une formulation de BAP de parement de référence à base de CEM 1 ont été mises au point. Les résultats des essais mécaniques et physico-chimiques menés sur les différentes formulations montrent un effet plus ou moins important des additions sur le comportement mécanique au jeune âge et un effet positif certain à plus long terme. Les résultats des mesures de retrait endogène et de dessiccation de l'état frais (plastique) à l'état durci bien hydraté montrent que certaines additions augmentent le retrait de dessiccation des BAP (laitier et sédiment calciné) alors que d'autres le réduisent considérablement (le métakaolin). L'effet indéniable des additions sur l'amélioration de certains indicateurs de durabilité (diffusion des chlorures et perméabilité au gaz) et sur l'augmentation de leur sensibilité à la carbonatation a été quantifié. L'influence assez complexe des différentes additions est étudiée à la lumière des analyses physico-chimiques et microscopique. Enfin, une modélisation mésoscopique est développée et appliquée aux BAP en vue d'une une étude paramétrique. L'effet de la forme des granulats et de leur concentration sur le comportement global en compression et traction d'éprouvette de SAP ainsi que l'effet de l'endommagement mécanique sur l'évolution de la perméabilité sont étudiés. / Self-compacting concretes (SCC), developed several years ago are still considered as “•novel concrete" as their use remains modest although they have a strong development potential. This is mainly due to their higher cos, their sensitivity to segregation and cracking due to their high shrinkage and also due to the lack of information about their durability. SCCs are distinguished from ordinary concrete mainly by their high content of paste. The use of supplementary cementitious materials (SCM), grow increasingly for economic and environmental reasons. This thesis falls within this context and aims to contribute to the development of greener SCCs and to the study of their durability.Two industrial blended cements containing high amounts of SCM, slag cement CEM Ill and CEM V cement containing slag and fly ash as well as two mineral additions still little studied in the literature: metakaolin and calcined dredged sediment are used. Various SCC mixtures derived from a reference SCC based on CEM 1 cement were developed. The results of the mechanical, physical and chemical testing on the different formulations show a greater or lesser effect of SCM on the mechanical behavior at early age and some positive effect over the long term. The results of measurements of the autogenous and drying shrinkage from fresh state (plastic) to well hydrated state show that some SCMs increase the drying shrinkage of SCCs (slag and calcined sediment) while ethers significantly reduce its amplitude (metakaolin).The undeniable effect of SCMs on improving some durability indicators (chloride diffusion and gas permeability) and on increasing the sensitivity to carbonation was quantified. The rather complex influence of the different SCMs is studied in the light of physicochemical and microscopie analyzes. Finally, mesoscopic modeling is developed and applied to SCCs for a parametric investigation. The effect of the shape of aggregates and their concentration on the overall behavior in compression and tensile SCC specimen as well as the effect of the mechanical damage on the evolution of permeability are studied.

Lors de la construction de structure réalisée en plusieurs phases de bétonnage, les déformations du béton sont restreintes durant son durcissement. Quand le retrait est restreint, des contraintes de traction sont induites dans le matériau et un risque de fissuration est présent. Il est alors nécessaire de modéliser l’évolution des propriétés au jeune âge afin de prédire le comportement de la structure durant le jeune âge du béton. La difficulté réside dans le fait que la modélisation des propriétés du béton doit être basée sur des données expérimentales au jeune âge et que ces données doivent être obtenues automatiquement car le durcissement du béton se produit rapidement pendant les premières heures et les premiers jours. La thèse porte sur l’étude expérimentale et numérique des propriétés au jeune âge des matériaux à base de ciment et plus particulièrement sur le développement des déformations endogènes, le coefficient de dilatation thermique, le module d’élasticité et le fluage propre en compression et en traction. A cet effet, un travail complet a été réalisé à l'ULB et à l’Ifsttar impliquant le développement d'une nouvelle approche avec de nouvelles procédures d'essai et la conception de nouveaux dispositifs d'essai pour générer des données expérimentales depuis la prise du matériau. La méthodologie est basée sur deux méthodes d'essai répété. Pour la caractérisation du comportement viscoélastique d'un béton depuis sa prise, un essai de chargement permanent couplé à un essai avec des chargements répétés de plusieurs minutes est nécessaire. Les déformations endogènes, le coefficient de dilatation thermique et la prise sont caractérisés avec des variations thermiques répétées sur un échantillon de béton. Cette nouvelle approche a été définie sur un béton ordinaire et ensuite étendue sur l’étude de 4 paramètres pertinents : le rapport eau-ciment, l'effet de restriction de l'agrégat sur la pâte de ciment dans le développement des propriétés du béton au jeune âge, la substitution du ciment par des additions minérales et la différence de comportement en traction et en compression. Sur la base de ces résultats expérimentaux, de nouveaux modèles ont été développés pour la caractérisation des propriétés au jeune âge de matériaux cimentaires depuis le temps de prise. Une version adaptée de la modélisation du fluage propre dans le Code modèle 2010 est également proposée / For usual concrete structure built in several phases, concrete deformations are restrained during the hardening process. When shrinkage is restrained, tensile stresses are induced and a cracking risk occurs. Modelling the evolution of an early age set of parameters on concrete is necessary to predict the early age behaviour of concrete structures. The difficulty lies in the fact that the modelling of concrete properties must be based on experimental data at early age and this data must be obtained automatically because the hardening process of the concrete takes place rapidly during the first hours and also the first days. The thesis deals with experimental and numerical study of the early age properties of cement based materials and more specifically the development of the autogenous deformation, the coefficient of thermal expansion, the E-modulus and the basic creep in compression and tension. For this purpose, a comprehensive work was carried out at ULB and Ifsttar involving the development of a new approach with new test procedures and the design of new testing devices to generate experimental data since the setting of the material. The methodology is based on two repeated testing methods. For the characterization of the viscoelastic behaviour of a concrete since setting, a permanent loading coupled to a test with repeated minute-long loadings is needed. Whereas, the autogenous strain, the coefficient of thermal expansion and the setting are characterized with repeated thermal variations on a concrete sample. The new approach was defined on an ordinary concrete and then extended to the study of the following parameters: the water-cement ratio, the restrained effect of aggregate on the cement paste in the development of concrete properties at early age, the substitution of cement by mineral addition and the difference of behaviour in tension and in compression. Based on these experimental results, new models were developed for the characterization of the early age properties of cement based materials since setting time. An adapted version of the Model Code 2010 for the modelling of basic creep is also proposed

L'objet de cette thèse est l’étude du comportement des fissures dans le verre. En particulier, l’évaluationde l’effet à long terme des contraintes en compression, est étudié par des essais de fluage. Le dispositifexpérimental utilisé est une presse triaxiale qui permet de confiner des échantillons cylindriques et de leurappliquer des contraintes axiales, une pression de pore ainsi qu’une variation de température. Un réseaude capteurs fixés sur chaque échantillon permet de mesurer la déformation, les vitesses de propagation desondes élastiques et les émissions acoustiques. Les échantillons de verre fournis pour cette étude sont fabriquéspar le CEA de Marcoule. Nous avons observé que le verre sain présente un comportement élastiquefragileet une grande résistance mécanique. Un réseau de fissures est ensuite introduit par choc thermique.L’étude de la microstructure du réseau initial a révélé que le choc thermique induit des contraintes detension aux bords de l’échantillon qui nucléent les fissures. Le réseau introduit est homogène et présenteune symétrie transverse isotrope. La densité de fissure du réseau peut être mesurée à partir d’images demicroscopie et aussi à partir des mesures de vitesses. L’étude de fluage a mis en évidence la propagationsouscritique des fissures. Un modèle théorique, reliant une loi de propagation des fissures à une descriptionen “wing-crack”, décrit bien le comportement expérimental. Une dernière étude est abordée qui met enévidence le rôle des fluides dans la propagation des fissures. À l’échelle du temps du laboratoire on montrealors que l’eau peut accentuer la propagation des fissures et qu’une corrosion chimique est aussi mesurable. / The purpose of this thesis is the study of crack behavior in glass. In particular, the long term effects ofcompressive stresses are observed through creep tests. The used experimental apparatus is a triaxial celldesigned to investigate the mechanical and physical properties of rocks under conditions of effective pressure,deviatoric stress, pore pressure and temperature. A set of sensors allows to measure radial and axialstrain, elastic wave velocities and acoustic emissions. The original boro-silicate glass samples are producedby the French Atomic Energy Commission (CEA). We observe that original glass has an elastic-brittlebehavior and a high mechanical strength. Then, the studied crack network is introduced with a thermalshock. The microstructural study of the initial crack network reveals that the thermal shock induces tensilestresses at sample edges which nucleate cracks. The network is homogeneous and has a transverseisotropic symmetry. The crack density can be measured from Scanning Electron Microscopy images andcan also be inferred from elastic wave velocities. Creep experiments evidenced the sub-critical crack propagation.A theoretical model, that links a crack propagation law to a “wing-crack” geometry, describesthe experimental behavior. A last point is reported that investigates the fluid role in crack behavior. Weobserve that the crack propagation is enhanced by the presence of a pore fluid. Chemical corrosion canalso be measured at our laboratory scale.

Les superalliages à base de nickel durcis par précipitation γ' et notamment l'Inconel 738 LC (IN738LC), sont des matériaux largement utilisés dans les parties chaudes de turbomoteurs d'avions et d'hélicoptères. Ces matériaux disposent d'excellentes propriétés mécaniques à haute température. Toutefois, des défauts ou des fissures peuvent apparaitre sur ces pièces, lors de leur élaboration par fonderie ou bien pendant leur durée en service, ce qui nécessite leur réparation. Cependant, les pièces constituées en IN738LC sont sujettes à de la fissuration au cours des procédés de réparation de type soudage. Il s'avère que le rechargement laser est une technique de fabrication additive prometteuse permettant de réparer des pièces abimées. Le présent travail consiste en l'étude de la réparabilité par projection de poudre de l'alliage IN738LC réputé non soudable. Cette étude comporte deux volets expérimentaux et numériques du rechargement de pièces en Inconel 738 LC au moyen du procédé CLAD. Pour cela, nous avons réalisé des essais de rechargement suivant plusieurs configurations illustrant les cas de réparations rencontrés industriellement. Deux mécanismes de fissuration distincts sont mis en évidence respectivement dans la zone affectée thermiquement du substrat et dans le dépôt. Une simulation multi-physique est également développée pour rendre compte des phénomènes thermiques, mécaniques et métallurgiques observés lors du rechargement laser. Ces simulations sont comparées à des mesures expérimentales pour validation. Enfin, ces outils de simulation sont utilisés afin de définir des critères numériques de risque de fissuration. En résumé, un préchauffage à haute température permet d'éliminer le risque de liquation et donc de fissures dans la ZAT ainsi que dans les dépôts, ce qui démontre qu'il est possible d'envisager une réparation sur cet alliage réputé non soudable. / Y' hardened nickel-based superalloys, such as Inconel 738 LC (IN738LC), are materials which are extensively used in hot sections parts of helicopter and aircraft engines. Those materials exhibit enhanced mechanical properties at high temperature. Nevertheless, cracking and several defects can occur on these parts during casting or during their service life. However, welding type repairing processes can lead to considerable cracking of IN738LC superalloy. It appears that laser cladding is a promising additive manufacturing technology which allows the repair of damaged parts. The present work main objective is aimed at investigating Inconel 738 LC repair by laser cladding. Both experimental and numerical aspects are studied for the repair of IN738LC by means of the CLAD process. Experimental laser clad deposits are produced under several configurations following industrial cases. Two distinct cracking mechanisms are identified in the heat-affected zone and within the deposit, respectively. A multi-physics simulation of laser cladding is developed in order to take into account thermal, mechanical and metallurgical phenomena. Simulation is compared to experimental measurements for validation. Finally, these numerical tools are used to define cracking risk criteria. In summary, a high preheating of the samples allows to suppress liquation and HAZ cracking, but also to obtain un-cracked deposit, which indicates that the repair of non-weldable alloys is possible.

Les matériaux à changement de phase (MCP) constituent une alternative prometteuse pour l'amélioration de l'inertie thermique des matériaux de construction. Grâce à leur chaleur latente, ces matériaux permettent de stocker des quantités importantes d'énergie thermique, ce qui permet de réduire la consommation d'énergie liée au chauffage et à la climatisation. Cependant, leur incorporation dans les matériaux cimentaires entraine une baisse de la résistance mécanique du nouveau matériau composite ainsi obtenu. Durant ces dernières décennies, les composites MCP/bétons ont suscité un grand intérêt conduisant à un grand nombre de travaux expérimentaux. Cependant, les modèles théoriques et numériques pour prédire les comportements de ces matériaux complexes sont aujourd'hui très peu développés en raison de la complexité du comportement thermique avec changement de phase, de la séparation d'échelle et de la difficulté que représente la prédiction de l'endommagement par fissuration à l'échelle des hétérogénéités microscopiques. L'objectif de cette thèse est précisément de développer des outils de modélisation numériques pour prédire le comportement thermomécanique effectif du matériau en vue de calculs de structures. Pour cela, des modèles numériques sont développés pour simuler le transfert de chaleur, le comportement mécanique, la fissuration ainsi que la fuite du MCP liquide à travers les fissures, à l'échelle d'un Volume Elémentaire Représentatif du matériau. Après avoir étudié les effets des changements de phase dans le MCP sur le comportement mécanique effectif, une approche multi-échelle (méthode EF²$) est proposée afin de réaliser des calculs de structures en tenant compte des phénomènes à l'échelle des micro capsules. Des caractérisations expérimentales thermo-physiques sont menées afin de prouver l'utilité des MCP dans les matériaux de construction et de faire des comparaisons avec les outils d'homogénéisation développés. Enfin, nous proposons une étude dans le but de comprendre et d'évaluer les effets du MCP dans la dégradation des propriétés mécaniques de ces nouveaux matériaux / A promising way to enhance thermal inertia of buildings is the use of phase change materials (PCMs). Thanks to their high latent heat, PCMs can be used to store a significant amount of thermal energy in order to reduce energy consumption related to air conditioning. However, their use leads to a decrease in the mechanical strength of the obtained composites. During the last decades, the incorporation of PCMs in concrete has been of great interest leading to many experimental works. However, theoretical and numerical models to predict the behavior of such complex materials are not developed so far, due to the complexity of the phase change behavior, the scale separation and issues associated to the damage which is mainly induced by microcracking at the scale of microstructural heterogeneities. The objective of this thesis is precisely to develop numerical modeling tools to predict the effective thermomechanical behavior of the material with aim of structural calculations. For this purpose, numerical tools based on microstructures at the scale of microencapsulated PCM are developed to simulate heat transfer, mechanical response, cracks propagation as well as leakage of liquid PCM through cracks. After studying the effects of phase changes in the PCM on the effective mechanical response of the composites, a multi-scale approach (FE² method) is proposed to carry out structural calculations taking into account phenomena at micro scale. Thermo-physical experimental characterizations are carried out to show the usefulness of PCMs in building materials and to make comparisons with the developed homogenization tools. Finally, we propose a study to understand and evaluate the effects of PCMs in the degradation of the mechanical properties of these new materials

L’auto-cicatrisation des fissures des matériaux cimentaires présente un intérêt important pour améliorer leur durabilité (propriétés de transfert par exemple). L’impact du laitier de haut-fourneau sur ce phénomène a été peu étudié bien qu’il ait été observé sur des ouvrages du Génie Civil. Dans cette étude, la cinétique et l’amplitude de l’auto-cicatrisation ont été suivies par des essais non destructifs : la tomographie aux rayons X et la perméabilité à l’air, pour une fissuration créée à 7 jours et à 28 jours. Les résultats montrent que le laitier de haut-fourneau possède un potentiel d’auto-cicatrisation intéressant pouvant dépasser les résultats obtenus pour les formulations de référence sans laitier. Ce bon potentiel dépend des caractéristiques physicochimiques des matériaux brutes et du potentiel d’hydratation de la formulation au cours du temps. De plus pour suivre l’auto-cicatrisation, un nouvel essai a été mis en place afin de fissurer les éprouvettes de mortier par retrait gêné et d’étudier l’auto-cicatrisation d’une fissure naturelle. Cet essai s’est avéré efficace sur la formulation de référence. Une caractérisation des produits de cicatrisation par MEB-EDS témoigne de la formation de nouveaux produits dans les fissures et de l’impact important des conditions de stockage sur le type de produits formés: des C-S-H pour un stockage sous eau et des carbonates de calcium pour un stockage en chambre humide (CO2 + eau). Les résultats de migration aux chlorures de nano-indentation montrent que ces produits de cicatrisation possèdent de bonnes propriétés de durabilité et des propriétés mécaniques à l’échelle microscopique intéressantes (pour le carbonate de calcium). Enfin, une modélisation du phénomène d’auto-cicatrisation est proposée au moyen du code de calcul de géochimie PHREEQC. L’étude a révélé le potentiel intéressant de PHREEQC pour modéliser l’auto-cicatrisation et en faire un outil de prédiction du phénomène. / Self-healing of cementitious materials presents great interest to improve the durability of concrete structure (transfer properties for example). The impact of blast-furnace slag on this phenomenon is not yet clear even if the self-healing of concrete with blast-furnace slag was observed in building sites. To understand the blast-furnace slag influence, non-destructive methods were used to follow self-healing: X-ray tomography and gas permeability test. All specimens were cracked at 7 days and 28 days. The results show that the blast furnace slag has an interesting self-healing potential that can exceed the reference formulation results. This good potential depends on the physico-chemical characteristics of the raw materials and the hydration potential of the formulation over time. In addition to follow the self-healing, a new trial was set up to crack mortar specimens by restrained shrinkage and study the self-healing of a natural crack. In addition to follow the self-healing, a new trial was set up to crack mortar specimens by restrained shrinkage and study the self-healing of a natural crack. This test has proven effective over the reference formulation.The SEM with EDS analysis showed the formation of new products in the crack and the impact of storage conditions on these products : C-S-H for specimens stored in water and calcium carbonate for specimens stored in a damp chamber (CO2 + water). Migration chlorures and nano-indentation tests results showed that self-healing products had interesting durability properties and micro-mechanical properties (for calcium carbonate). Finally, self-healing modelling is proposed by means of geochemistry PHREEQC calculation code. The study revealed interesting potential PHREEQC to model self- healing phenomenon and make it a of predictive tool.

La thèse porte sur la propagation de fissures de fatigue sous conditions de plasticité cyclique généralisée en Mode I dans l’acier 316L. Un modèle incrémental de fissuration est proposé. Deux types d’essais de fatigue en plasticité généralisée ont été réalisés pour identifier et valider le modèle, un essai sous chargement mécanique cyclique et un essai de fatigue thermique. Pour les deux catégories d'essais, les examens des surface de rupture ont permis de vérifier que le mécanisme de propagation des fissures était analogue à celui observé en conditions de plasticité confinée.Une étude numérique par éléments finis a permis de montrer que :- Les champs de vitesses au voisinage du front de la fissure peuvent être représentés de manière approchée par une somme trois produits d'un facteur d'intensité, utilisé comme degré de liberté du problème, et d'un champ spatial de référence défini a priori. cette thèse a permis d'ajouter aux deux composantes élastiques et de plasticité confinée, un troisième champ permettant d'étendre la représentation à la plasticité généralisée.- L’unique moteur de la propagation de la fissure est l’émoussement plastique de la fissure que l’on peut associer au facteur d’intensité du champ de plasticité confiné.- Il est possible d’exprimer l’évolution de l’émoussement plastique à partir du chargement appliqué et de quelques variables internes, en plasticité confinée, comme sous conditions de plasticité généralisée.Un modèle incrémental de fissuration par fatigue en conditions de plasticité généralisée a été proposé puis identifié à partir des essais de propagation sous chargement mécanique.Ce modèle a ensuite été utilisé pour interpréter un essai de propagation en condition de plasticité généralisée sous chargement cyclique thermique. / This thesis focuses on the propagation of fatigue cracks in large scale yielding conditions in Mode I in the 316L stainless steel. An incremental model is proposed for fatigue crack growth. Two types of fatigue tests in large scale yielding conditions were conducted to identify and validate the model, a cyclic mechanical loading test, develped specifically for this project, and a thermal fatigue test (PACIFIC). For both tests, the observations of the fracture surface have shown that the crack propagation mechanism is similar to that observed in small scale yielding conditions.A finite element analysis has shown that:- The velocity field in the crack front region may be approximated by a sum of three products of an intensity factor, used as a degree of freedom for the problem, and a spatial reference field, defined once for all. This thesis has added a third field, dedicated to capture large scale yielding contribution, to the two existing terms for elastic and small scale yield contributions.- The sole mechnism for fatigue crack propagation is plastic blunting at crack tip which can be associated to the intensity factor of the small scale yielding field.- It is possible to express the evolution of plastic blunting from the applied loading scheme and a set of internal variables, in small scale yielding conditions as well as under large scale yielding conditions.An incremental model was proposed to predict fatigue crack growth in large scale yielding conditions and identified using fatigue tests under mechanical loadings.This model was then used to interpret a crack propagation test in thermal fatigue conditions on the PACIFC set up.

Aujourd’hui, la durée d’exploitation de certaines structures en béton est amenée à être prolongée, en parallèle, des structures présentent prématurément des signes d’endommagements dû parfois à une mauvaise prise en compte des conditions environnementales. Assurer la durabilité des structures, c’est également assurer leur exploitation de façon sécuritaire, économique et écologique. Notre objectif est dans un premier temps de comprendre les phénomènes et mécanismes en jeu, ainsi que leur potentiels couplages ; puis, dans un deuxième temps, de créer des modèles prédictifs fiables de ces comportements.Le travail présenté s’intéresse en particulier aux structures nucléaires, qui en plus d’avoir un enjeu majeur, présentent des risques vis-à-vis de la dessiccation et de pathologies thermo-activées comme la réaction sulfatique interne (RSI). Plus précisément, l’objectif de cette thèse est de comprendre la participation des granulats dans les mécanismes de dégradation du matériau sous ces deux sollicitations respectives, puis leur couplage.A cet effet, une approche expérimentale multi-échelle est menée. Elle s’intéresse à l’évolution des déformations différées ainsi que des propriétés mécaniques et de transfert de matériaux cimentaires soumis soit à la dessiccation, soit à la RSI. Dans les deux cas, les paramètres influents des granulats dans les mécanismes ont été mis en évidence et une étude paramétrique a été mis en place afin de dégager clairement l’influence de ces paramètres.Dans un premier temps, l’étude de la dessiccation est basée sur le suivi et la caractérisation de sept formulations modèles ; i.e. dont les squelettes granulaires ont été contrôlés et sélectionnés selon la taille et la fraction volumique des granulats dans le matériau ; sur 200 jours. Les essais ont mis en évidence l’influence de ces paramètres dans le phénomène d’incompatibilités de déformations entre pâte de ciment et granulats. En parallèle, l’étude expérimentale de la réaction sulfatique interne s’intéresse à caractériser l’influence de la nature minéralogique des granulats sur la formation et la progression de la pathologie. Nous nous intéressons à l’influence de ce paramètre sur la cinétique et le taux de la réaction, mais également sur l’évolution des propriétés du matériau, afin d’identifier tous les mécanismes physico-chimiques présents. Enfin, une dernière étude s’intéresse au couplage entre RSI et dessiccation. Ici, les paramètres granulats ont été fixés, et des échantillons réactifs vis-à-vis de la RSI ont été soumis à des cycles de séchage-imbibition. / Today, the operating life of some concrete structures is likely to be extended, in parallel, structures show early signs of damage due sometimes to poor consideration of environmental conditions. Ensuring the sustainability of structures also means ensuring their safe, economical and ecological operation. Our objective is first to understand the phenomena and mechanisms at play, as well as their potential couplings; then, in a second step, to create reliable predictive models of these behaviours.The work presented is particularly interested in nuclear structures, which, in addition to having a major stake in our societies, present risks with regard to desiccation and thermo-activated pathologies such as the delayed ettringite formation (DEF). More precisely, the objective of this thesis is to understand the participation of aggregates in the degradation mechanisms of the material under these two respective stresses, and then their coupling.To this end, a multi-scale experimental approach is being conducted. It takes interest in the evolution of delayed deformations as well as the mechanical and transfer properties of cementitious materials subjected to either desiccation or DEF. In both cases, the influential parameters of the aggregates in the mechanisms were identified and a parametric study was carried out to clearly identify the influence of these parameters.First, the desiccation study is based on the monitoring and characterization of seven model formulations; i.e. granular skeletons were controlled and selected according to the size and volume fraction of the aggregates in the material; over 200 days. The tests revealed the influence of these parameters in the phenomenon of aggregate restraint.In parallel, the experimental study of DEF aims at characterizing the influence of the mineralogical nature of aggregates on the formation and progression of the pathology. We are interested in the influence of this parameter on the reaction kinetics and rate, but also on the evolution of the material properties, in order to identify all the physico-chemical mechanisms at stake. Finally, a final study is interested in the coupling between RSI and desiccation. Here, the aggregate parameters were set, and samples reactive to DEF were subjected to drying and soaking cycles.

L’apparition des fissures macroscopiques peut manifestement se déclencher à plusieurs étapes du processus de la vie d’une cathode dans une cuve d’électrolyse. Diverses causes peuvent engendrer un tel surgissement. Au préchauffage électrique, par exemple, la répartition spatiale irrégulière des gradients thermiques peut conduire à la naissance d’une ou plusieurs fissures. L’objectif principal de ce travail se résume à la modélisation et la simulation de la propagation de fissures dans un contexte multiphysique, thermo-électro-mécanique. L’approche se base sur une philosophie de développement numérique monolithique, du couplage fortement non linéaire avec la prise en compte des échanges thermoélectriques à travers les lèvres de fissures, par la méthode des éléments finis étendus (XFEM). Ce projet a été dressé sous forme de trois sous-projets. En premier lieu, un nouveau modèle de la propagation de fissures en contexte thermomécanique dans un domaine fissuré a été développé. Une stratégie d’enrichissement géométrique par XFEM a été élaborée avec succès pour modéliser la propagation de fissures ainsi que pour atteindre le taux optimal de convergence espéré sur les réponses physiques et sur le calcul des facteurs d’intensité de contraintes. Trois benchmarks ont été examinés et validés à partir des résultats existants dans la littérature. Ensuite, un nouvel exemple de propagation de fissures et défauts multiples a été conçu. La comparaison des résultats obtenus montre la robustesse ainsi que la précision du développement numérique. En second lieu, une approche originale de la modélisation du couplage fort thermoélectrique, en présence d’une discontinuité matérielle forte statique et en tenant compte des échanges thermique et électrique à travers ses lèvres, a été développée. Tout d’abord, un modèle a été élaboré et validé dans le cas d’une fissure capacitive, où les propriétés du diélectrique, entre les lèvres de la fissure, jouent un rôle déterminant pour la quantification de son intensité d’échange. De même, un modèle a été confirmé pour le choix d’un milieu gazeux remplissant la région entre les deux lèvres, assurant l’aspect résistif d’échange thermique. Le modèle thermoélectrique a été mis en œuvre par XFEM, en implémentant la version améliorée, et en tenant compte du traitement des parasites numériques dus aux éléments de transition. Trois cas d’études ont été proposés, le premier a été appliqué pour valider la mise en œuvre numérique du modèle proposé via un patch test développé. Une bonne convergence et précision des résultats numériques ont été observées. Le second a porté sur le cas d’une fissure courbée, moins fréquente dans la littérature, qui peut être rencontré dans de nombreuses applications, et représente un défi numérique notable. Le troisième est une étude élaborée sur la cathode. L’analyse de l’impact de la présence des fissures sur l’efficacité énergétique a été soulevée aussi pour le cas de fissures multiples. En troisième lieu, une originalité numérique de la propagation de fissures en couplage thermo-électro-mécaniques (TEM) avec les échanges thermique et électrique entre les lèvres de la fissure a été exposée. La fissure n’est pas statique, cette fois-ci. L’aire générée par le déplacement des lèvres est prise en considération dans les expressions physiques des coefficients d’échanges thermique et électrique. Cela est transcrit par la quantification du saut de déplacement à travers les lèvres. Cet aspect rend le problème mécanique non linéaire, aussi, par le biais des échanges, et par conséquent le système global TEM est fortement non linéaire. Une approche originale du point de vue de la technicité d’intégration a été implémentée. Elle est fondée sur une technique de sous-triangulation barycentrique par une ’toile d’araignée’ pour les éléments de surface coupés par la fissure. Une autre technique basée sur l’intégration par ’bras’ de fissure réservée pour les éléments d’échanges thermique et électrique. Deux cas d’études essentiels ont été envisagés. Le premier est un exemple de propagation en mode mixte d’une fissure inclinée en TEM avec les échanges thermique et électrique en fonction du saut de déplacement. Le deuxième a été réservé pour un cas d’étude industrielle d’une cuve en opération, en contexte TEM. L’impact de la présence de la fissure sur les différentes réponses physiques est analysé. Comme constatation, en expansion thermoélectrique du bloc cathodique, la fissure a plus tendance à rejoindre la surface supérieure pour mettre, probablement, fin à la vie de la cathode. / The outbreak of visible cracks can be triggered at several stages in the life of a cathode block in an electrolysis cell. Various matters can prompt such an upsurge. Under electrical pre-heating, for example, the random spatial distribution of thermal gradients can lead to the rise of one or more cracks. The main objective of this work is to model and simulate the crack propagation in a multi-physical, thermo-electro-mechanical, context. The approach is based on a monolithic numerical development philosophy of a strongly nonlinear coupling, with the consideration of thermoelectric exchanges through the crack lips using the extended finite element method (XFEM). This project was sketched essentially on three sub-projects. Firstly, a new model of crack propagation in a thermomechanical fashion over a cracked domain has been developed. A geometrical enrichment strategy by XFEM has been successfully performed to model crack growth as well as to achieve the expected optimal convergence rate in physical responses and the computation of stress intensity factors. Three benchmarks were examined and validated from existing results in the literature. Then, anew example of the propagation of multiple cracks and multiple defects was designed. The comparison of the results obtained shows a good agreement with the reported works as well as the robustness and the accuracy of the numerical development. Secondly, an original approach to the modeling of full thermoelectric coupling, in the presence of a strong static material discontinuity and taking into account the thermal and electrical exchanges through its lips, has been elaborated. First, a model has been established and validated in the case of a capacitive crack, where the properties of the dielectric, between the inter-crack-lips, play a determining role for the ascertainment of its exchange intensity. Similarly, a model has been settled for the choice of a gaseous medium filling the gap between the two rims, ensuring the resistive heat exchange aspect. The thermoelectric model has been implemented via XFEM by performing the enhanced version and taking into account the treatment of numerical noise due to the blending elements. Three case studies were intended, the first one was employed to validate the numerical implementation of the stated model via a developed patch test. Good convergence and accuracy of numerical outcomes have been noted. The second focused on the case of a curved crack, less considered in the literature, which can be encountered in many applications, and represents a significant numerical challenge. The third is an elaborate study on the cathode. The analysis of the impact of cracks on energy efficiency was also raised for the case of multiple cracks. Thirdly, numerical originality of crack propagation in the context of the full thermo-electro-mechanical (TEM) coupling combined with thermal and electrical exchanges between the crack lips has been displayed. The area formed by the displacement of the two crack bank sis carried out in the physical expressions of the heat and electrical coefficients. The quantification of this gap is rendered by the resulting displacement jump across the lips. This aspect makes the mechanical problem nonlinear as well through exchanges, and therefore the global TEM system is strongly nonlinear. An original integration strategy, from a technical point of view, has been realized. It is based on a technique of barycentric sub-triangulation through a ’spider-web’ for the surface elements cut by the crack. Another procedure based on integration by crack ’arms’ reserved for heat and electrical exchanges elements. Two case studies have been examined. The first one is an example of the mixed-mode growth of a sloped crack in TEM context with thermal and electrical exchanges as a function of the displacement jump. The second was held for an industrial case of an electrolysis cell in operation and TEM circumstances. The impact of the presence of crack on several physical responses is analyzed. As an outcome, due to the thermoelectric expansion of the cathode block, the crack is expected to join the upper surface and lead to the end of the cathode’s life.