La réaction alcalis-silice (RAS) est un des principaux mécanismes nuisibles affectant la durabilité du béton. Le programme de recherche effectué dans le cadre de ce doctorat comprend deux parties (3 phases), soit la caractérisation microstructurale de produits de la RAS et la modélisation du mécanisme d’endommagement du béton par la RAS. Les résultats expérimentaux de cette recherche fourniront de nouvelles données sur les propriétés microstructurales de bétons affectés par la RAS. Les travaux effectués lors de la première phase du programme expérimental avaient pour objectif de caractériser les propriétés micromécaniques des produits de la RAS à l’aide de nouvelles techniques de nano- et micro-indentation, avec emphase portée sur leur propriété en viscosité. Les échantillons de béton utilisés lors du programme d’essais ont été extraits d’un pavage en béton fortement affecté par la RAS et situé dans la région de Bécancour (Québec). Le béton est caractérisé par de nombreuses particules de granulats de calcaire à grains fins contenant des microfissures remplies de produits secondaires de RAS; les fissures s’étendent dans la pâte de ciment pour former un réseau se propageant de particule en particule. Après une préparation soigneuse de l’échantillon par polissage, la surface des particules de granulats et des veinules apparaissant dans ces particules (i.e. microfissures remplies de produits cristallins de réaction) ont été examinées par Atomic Force Microscopy (AFM) avant de procéder aux essais de nano-indentation. Des valeurs de module et de dureté ont été mesurées pour les produits de réaction par micro- et nano-indentation. Les résultats de ces essais indiquent que les produits cristallins de RAS offrent un comportement de relaxation important atteignant environ 40%. De plus, un modèle rhéologique simplifié est proposé permettant de reproduire les courbes de relaxation sous charge et les valeurs asymptotiques. Ces résultats suggèrent que la relaxation des produits de RAS est importante et principalement irréversible. Les travaux de la deuxième phase du programme expérimental ont permis d’explorer l’utilisation d’une nouvelle technique de microscratch afin de caractériser l’énergie de fracturation (i.e. rigidité) des particules de granulats réactifs de type calcaire dans un béton fortement affecté par la RAS (viaduc routier de la région de Québec). Les particules de granulats montraient typiquement un zonage (zones gris-foncées et gris-pâles) entourant des veinules blanchâtres au sein des particules réactives. En tant que référence, un échantillon de calcaire vierge provenant d’une carrière de la région de Québec a été sélectionné et soumis aux mêmes procédures d’essais. En plus des propriétés élastiques, la rigidité des particules de granulats réactives ont été mesurées statistiquement et se situe autour de 1.5 MPam1/2. La rigidité de fracturation des particules de granulats réactives a démontré n’être affecté ni par la direction d’essai par rapport au plan de litage, ni par la zonation qui a d’abord été interprétée comme des portions montrant des signes de réaction. Ainsi, l’endommagement des particules de granulats semble se situer presqu’essentiellement au niveau des microfissures générées dans les particules réactives. La dernière phase du programme expérimental s’est concentrée sur la caractérisation des propriétés en fluage et en relaxation des produits cristallins de RAS remplissant les microfissures des granulats calcaire réactifs (échantillons provenant du pavage fortement affecté par la RAS utilisés lors de la première phase du programme expérimental). Les essais de micro-indentation ont été réalisés sous deux conditions d’humidité relative. Il a été observé qu’une augmentation en humidité relative réduisait fortement la déformation de fluage irréversible des produits cristallins de RAS, qui montrent un temps caractéristique plus grand. Ainsi, la teneur en eau semble favoriser le mécanisme de glissement irréversible le long ou entre les plaquettes des produits cristallins (rosettes lamellaires) de RAS sous charge constante. Finalement, les implications des résultats de ces travaux sont discutées en lien avec le processus de génération de pression à l’intérieur des particules de granulats réactives. Les propriétés rhéologiques des produits de RAS peuvent jouer un rôle critique lors du relâchement des contraintes internes induites par l’expansion de ces produits. Enfin, un modèle simplifié « 1D » est proposé comme nouvel outil de recherche, et ce afin de prendre en compte les principaux résultats de cette étude, i.e. les propriétés visco-élastiques des produits de RAS et les propriétés de rigidité des particules de granulats réactives. / The Alkali-Silica Reaction (ASR) is one main detrimental factor to affect the durability of concrete. The research comprises two parts, i.e. microstructural characterization of ASR products (3 phases), and modeling of concrete damage due to ASR. The experimental results will provide new findings on the microstructure properties of ASR-damaged concrete. The work in the first phase of the research aims at characterizing the micromechanical properties of ASR products by new techniques of nanoindentation and micro-indentation, with emphasis on their viscous behavior. The concrete samples were extracted from a heavily ASR-affected concrete pavement in Bécancour (Québec). The concrete is characterized by numerous fine-grained limestone aggregate particles with microcracks filled with secondary reaction products that extend into the cement into a network from one aggregate particle to another. After careful sample preparation (polishing), the surface of the aggregate particle and of the veinlets (i.e. cracks filled with crystalline ASR product within the aggregate particles) was examined by Atomic Force Microscopy (AFM) before nanoindentation testing. Both nanoscale and microscale indentation modulus and hardness of ASR products were measured. The test results show that ASR crystalline products exhibit important relaxation behavior of about 40%. Then, a simplified rheological model was proposed to fit the load relaxation curves and their asymptotic values. These results suggest that ASR product relaxation is significant and mostly irreversible. The second research phase explored the use of the novel micro-scratch technique to characterize the fracture energy (i.e., toughness) of the ASR-affected limestone aggregate particles within a core specimen extracted from a heavily ASR-affected concrete bridge from the Québec City area. The ASR-affected aggregate particles were typically showing “zoning” (i.e. light grey and dark grey) surrounding white veinlets within reacted limestone aggregate particles. As a reference, an undamaged/virgin quarried limestone specimen from a local quarry was selected and subjected to similar testing. Besides the elastic properties, the toughness of the reactive aggregate particles was statistically measured to be around 1.5 MPam1/2. The fracture toughness of reactive aggregate particles was affected neither by the bedding line directions nor by the “zoning” that was first thought to correspond to “reacted” portions of the particles. Besides the major cracks filled by ASR products, the results indicated that the surrounding reactive aggregate was not characterized by any significant internal damage distribution. In the later phase of the experimental program, our research focused on characterizing the creep and stress relaxation properties of the ASR crystalline products typically filling microcracks within reactive limestone particles (specimen from the heavily ASR-affected concrete pavements in Bécancour (Québec) used in phase 1). The testing carried out was micro-indentation under controlled relative humidity. It was found that an increase in relative humidity strongly reduces the irreversible creep deformation of ASR crystalline products, which act a greater characteristic time. That is, the water content seems to favor irreversible sliding mechanisms along/between the ASR crystals under constant load. Finally, the implications the research findings are discussed with respect to the stress build-up process within reactive aggregate particles. The rheological property of ASR products may play a critical role to releasing the internal stress induced by the ASR product expansion. Finally, a “1D thought model” is proposed as a new research avenue to account for the major results of this work into ASR-damaged concrete modeling, i.e., the visco-elastic property of ASR products and the damage toughness of reactive aggregates.

En Amérique du nord, la majorité des structures en béton, approchant leur fin de vie, présentent des conditions sévères de détérioration. Les effets combinés de cycles de gel-dégel et la présence de sel de déglaçage sont les raisons principales de dégradation des structures. De plus, la présence de fissures accélère considérablement la dégradation en offrant un chemin préférentiel à la pénétration des agents agressifs. Grâce à leur grande résistance en compression et leur comportement ductile en traction, leur faible perméabilité et grande résistance à la pénétration des ions chlorure, l'utilisation des bétons fibrés à ultra-haute performance (BFUP) est une solution de choix pour augmenter la durée de vie des structures. Plusieurs études évaluent la durabilité du BFUP en utilisant les mêmes méthodes que pour le béton ordinaire, soit avec des échantillons de BFUP sain et les résultats de ces études confirment la durabilité exceptionnel du matériau. Cependant, en état de service, le BFUP comme le béton ordinaire présente des fissures soit en raison du retrait ou de la charge appliquée à la structure. Il est bien connu que, pour le béton ordinaire, la durabilité du matériau diminue grandement une fois fissurée au-delà d'un seuil critique. Le BFUP ayant un comportement plus ductile, il est possible de s'attendre à une meilleure durabilité que le béton ordinaire pour une même déformation. Cependant, peu d'études permettent de faire un lien direct entre la durabilité du matériau et l'ouverture des fissures du matériaux lorsqu'il est mis sous charge. Ce projet de maîtrise se divise en deux parties. La première est de faire la caractérisation de la durabilité de différents mélanges de BFUP, disponibles au Québec. La seconde partie consiste à caractériser la résistance à la pénétration des ions chlorure pour des poutres de BFUP soumises à une charge de flexion. Ces poutres présentent des micro-fissures du même ordre de grandeur qu'à l'état de service. Pour la caractérisation de la durabilité de différents mélanges, des informations sur la porosité des matériaux, la résistance à l'écaillage et la perméabilité aux ions chlorure sont obtenus. La perméabilité est évaluée selon un essai de migration accéléré et selon une procédure modifiée de cet essai accéléré, développée et adaptée pour les BFUP lors de précédents travaux. Les résultats confirment l'excellente durabilité des BFUP. La procédure modifiée de l'essai de migration accélérée reste difficile à mener pour des matériaux comportant des fibres métalliques et es améliorations sont suggérées. Pour l'évaluation de la perméabilité aux ions chlorure des poutres de BFUP maintenues sous charge, un montage et une méthode d'essai ont été développés et validés. L'analyse par corrélation d'images numériques est utilisée pour l'observation et la mesures des ouvertures des fissures. La perméabilité aux ions chlorures des poutres maintenues sous charge est évaluée par un essai de migration accélérée. Les coefficients de diffusion des ions chlorures obtenus pour les poutres fissurées sont inférieures à celui de la poutre de référence non chargée. Ce résultat inattendu est également observé avec les profils de chlorure. L'application d'un courant électrique pour l'accélération de l'essai de migration et la présence de micro-fissure pourrait être en cause. Une recherche plus exhaustive à ce sujet doit être menée pour comprendre ce phénomène. / In North America, most of concrete structures, as they approach their lifetime design, present severe deterioration conditions. The combined effects of freeze-thaw cycles and the presence of de-icing salt are the main reasons for structural degradation. In addition, the presence of cracks considerably accelerates degradation by providing a preferential path for aggressive agents to penetrate. Thanks to their high compressive strength and ductile tensile behaviour, low permeability and high resistance to chloride ion penetration, the use of Ultra-High Performance Fiber Reinforced Concrete (UHPFRC) is a preferred solution to increase the service life of structures. Several studies evaluate the durability of UHPFRC using the same methods as for ordinary concrete, i.e. with samples of sound UHPFRC and the results of these studies confirm the exceptional durability of the material. However, in service state, UHPFRC, like ordinary concrete, exhibits cracks either due to shrinkage or load applied to the structure. It is well known that, for ordinary concrete, the durability of the material greatly decreases when cracked above a critical threshold. Since UHPFRC has a more ductile behaviour, it is possible to expect a better durability than ordinary concrete for the same deformation. However, few studies have made a direct link between the durability of the material and the opening of material cracks when loaded. This master's project is divided in two parts. The first part to characterize the durability of different UHPFRC available in Quebec. The second part consists of characterizing the resistance to chloride ion penetration for UHPFRC loaded beams. These beams have microcracks of the same order of magnitude as in service condition. For the characterization of the durability of different UHPFRC, information on material porosity, scalling resistance and chloride ion permeability is obtained. Permeability is assessed according to an accelerated migration test and a modified procedure of this accelerated test, developed and adapted for UHPFRC in previous work. The results confirm the excellent durability of UHPFRC. The modified accelerated migration test procedure remains difficult to carry out for materials containing metallic fibers and possible improvements are suggested. For the evaluation of the chloride ion permeability of UHPFRC beams maintained under load, a test set-up and a method are developed and validated. Digital Image Correlation analysis is used for observing and measuring crack openings. The chloride ion permeability of beams held under load is evaluated by an accelerated migration test. This unexpected result is also observed with chloride profiles. The application of an electrical current to accelerate the migration test and the presence of micro-cracking may be the issue. A more comprehensive research is needed to understand this phenomenon.

Le retrait de séchage du béton est une des problématiques importantes dans le domaine des réparations de béton, puisque souvent à l’origine d’une diminution de la durabilité de l’intervention. Un béton à retrait compensé (BRC) est sujet aux mêmes processus de retrait de séchage que les bétons de ciment Portland. La différence se fait lors de la période de mûrissement. Lors des premiers jours de l’hydratation d’un BRC, un agent expansif incorporé au ciment cause l’expansion de la pâte avec une amplitude permettant de compenser le retrait de dessiccation du béton. Ce projet de maitrise présente l’étude de la robustesse de plusieurs formulations de BRC, dans le but d’isoler certains paramètres qui influencent le comportement des BRC. Deux types d’agent expansif ont été étudiés, l’un à base de sulfoaluminate de calcium (type K), l’autre à base d’oxyde de calcium (type G). L’analyse de la robustesse se divise en deux parties : la première concerne l’influence des variations de formulations (rapport E/L, types et dosages d’agent expansif, sources du ciment portland utilisées avec l’agent expansif), la deuxième est vouée à l’influence des conditions d’exposition, à savoir la température de cure (5 °C, 23 °C et 38 °C) et la disponibilité en eau lors du mûrissement (soumis à 50 % d’humidité relative, et immergé dans l’eau saturée de chaux). Ensuite, l’adhérence de plusieurs formulations de BRC à des substrats de béton humide et sec a été étudiée. Finalement, la durabilité de certaines formulations de BRC face aux cycles de gel-dégel, à l’attaque des sels fondants et à la pénétration des ions chlores a été caractérisée. Cette étude montre que lorsque certaines conditions sont réunies, le béton reste dans un état de compression ce permettant de réduire le risque de fissuration. Une faible température de cure ne permet pas le développement optimal de l’expansion, ce qui nuit à la compensation du retrait de séchage. Il en est de même en absence de mûrissement humide. Les résultats de l’adhérence des formulations de BRC à un substrat ont globalement été satisfaisants, cependant deux formulations, mises en place sur un substrat « humide », n’ont pas adhéré au substrat. Les essais de durabilité montrent une résistance acceptable à l’écaillage et aux cycles de gel-dégel des BRC. Toutefois, une perméabilité élevée aux ions chlores a été mesurée sur la plupart des formulations de BRC. / Drying shrinkage is one of the least desirable properties of repair concrete, because in restrained conditions, it may lead to shrinkage cracking and thus adversely affecting durability. Shrinkage compensating concrete (ShCC) is prone to the same drying shrinkage as Portland cement concrete. During the first days of ShCC’s hydration, the expansive agent, added to the cement, induce an expansion what balances approximately the subsequent normal drying shrinkage. This project outlines the study of the robustness of several ShCC mixtures design, in order to delineate some parameters influencing the behavior of ShCC. Two kinds of expansive agent is used, one based on calcium sulfoaluminate (type K) and the other based on calcium oxide (type G). The assessment of the robustness is divided in two parts : the first one aims to evaluate the influence of mixture design parameters (w/b ratio, cement composition, kind and ratio of expansive agent), the second one aspires to study the influence of curing conditions (water availability, temperature) on the expansive behavior. Then, the bond between ShCC repairs and concrete substrates were investigated. Being aware of the influence of the water availability on the expansion, each ShCC mixture design was added on a “dry” and a “wet” substrate. Finally, the freezing and thawing resistance, the scaling resistance, and the ability to resist chloride ion penetration were performed to assess the durability of ShCC mixture design. This study shows that certain ShCC mixture design can reduce the risk of cracking by maintaining the concrete in a compressive state. A low curing temperature prevents the expansion and harms the shrinkage compensation. The absence of curing results to the same observation. The results of bonding strength were generally acceptable. However, in the case of two mixtures design cast on a « wet » substrate, the ShCC layer deboned. The durability tests show a generally good resistance to freezing and thawing cycle and to scaling, but a high permeability to chloride ions.

De nos jours, les industriels utilisent de faibles rapports eau/ciment (compris entre 0,3 et 0,4) et des ciments fins en vue d'augmenter les résistances à court terme. Afin que ces matériaux soient suffisamment maniables pour leur mise en place, divers adjuvants chimiques sont utilisés. Bien que ces bétons soient généralement plus durables lorsqu'ils sont exposés aux intempéries, certaines études semblent indiquer qu'ils sont également plus susceptibles de se fissurer lors des premiers jours de l'hydratation. L'étude de cette maîtrise porte sur l'effet de la température (20ʻC, 30ʻC et 38ʻC), du rapport E/C (0,3 et 0,4) et de la minéralogie du ciment (teneurs en C3A de 3%, 9% et 11%) sur le développement de la microstructure des mortiers de ciment avec superplastifiant au jeune âge. Des mesures de temps de prise, de suivi d'hydratation et des retraits chimiques et externes ont permis de suivre l'évolution de la microstructure, du moment où l'eau et le ciment entrent en contact, jusqu'à 7 jours. L'analyse de ces essais a alors permis de montrer qu'une structuration ± douce ¿ endommage moins le matériaux. Après avoir présenté la mise en contexte et la problématique, une revue de la documentation scientifique est proposée. Cette partie permet de comprendre comment le matériau se met en place et quels sont les outils existants afin de pouvoir suivre le développement de sa microstructuration. Une section est ensuite réservée au détail de l'expérimentation mise en place durant la maîtrise, des différents types d'essais utilisés ainsi que des correctifs apportés pour l'étude de nos matériaux. Enfin, une analyse des résultats est présentée. Les résultats de chacun des essais sont étudiés indépendamment les uns des autres mais une dernière section est réservée à la mise en relation des différents résultats obtenus.

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

La corrosion sous contrainte par l’iode (CSC-I) est l’un des mécanismes de rupture potentiels des crayons combustibles en alliage de zirconium, pouvant intervenir au cours des transitoires de puissance des réacteurs nucléaires. La fissuration par CSC-I comporte trois étapes : amorçage de la fissure, développement intergranulaire puis propagation transgranulaire. Le but du travail est d’identifier des paramètres critiques gouvernant les transitions entre ces différentes étapes. En premier lieu, des essais sur des éprouvettes en Zircaloy présentant des finitions de surface et des états métallurgiques variés permettent de discriminer l’influence de différents paramètres sur l’amorçage des fissures. Nous mettons en évidence le rôle critique du niveau des contraintes résiduelles, de leur répartition en surface ainsi que de leur profil au sein du matériau. La sensibilité des alliages à l’amorçage des fissures n’est pas directement corrélée à la rugosité de la surface. Cependant, la dispersion des paramètres de rugosité traduit l’irrégularité du profil, l’hétérogénéité du niveau des contraintes résiduelles, et donc l’existence de zones où les contraintes résiduelles sont localement moins protectrices. Dans un second temps, des éprouvettes de Zircaloy-4 possédant différents états d’écrouissage sont sollicitées sous charge constante, en présence de méthanol iodé. Les modifications microstructurales induites par l’écrouissage favorisent l’apparition de la propagation transgranulaire des fissures de CSC-I. Des observations des faciès de rupture en MET révèlent que la transition inter/transgranulaire intervient dans des zones où les grains sont fortement désorientés les uns par rapport aux autres, suite à l’augmentation des contraintes locales résultant des incompatibilités de déformation grain à grain. / Iodine-induced stress corrosion cracking (I-SCC) is one of the potential failure modes of zirconium alloy fuel claddings during power transients in nuclear reactors. I-SCC failures are usually described in three steps: initiation of cracks, intergranular development and transgranular propagation. The objective of this work is to identify critical parameters controlling transitions between crack propagation modes. First of all, experiments conducted on Zircaloy samples with various surface conditions and metallurgical states lead to discriminate the influence of several parameters responsible for cracks initiation. The critical role of residual stresses level, their distribution at the subsurface and their evolution in the bulk of the material is evidenced. Sensitivity to I-SSC is not directly correlated to surface roughness. However, dispersion in roughness parameters indicates the presence of surface irregularities, heterogeneities of residual stresses and the existence of surface areas where residual stresses are less protective. In a second step, Zircaloy-4 samples with various strain-hardening pre-treatments are submitted to constant load tests in an iodine methanol solution. Microstructural modifications induced by a strain-hardening pre-treatment enhance transgranular propagation of I-SCC cracks. TEM observations of fracture surfaces show that the intergranular to transgranular crack transition takes place preferentially where the relative crystallographic orientation is large between two adjacent grains, because of local stress concentrations resulting from strain incompatibilities between neighbouring grains.

La fissuration d’éléments minces en béton dès le jeune âge correspond à une réalité observée sur des ouvrages en construction. Cette fissuration concerne des bétons courants de bâtiments, pour lesquels les matériaux de qualité optimale ne sont pas toujours disponibles, en particulier au niveau des granulats. Le but de cette thèse est de définir une approche expérimentale d’étude de ces phénomènes et de proposer des interprétations pour les sensibilités relatives à la fissuration en fonction de la nature des granulats et de leurs taux de saturation initiaux. La sensibilité des moyens de mesures existants conçus pour des bétons spéciaux (BAP et BHP) a d’abord dû être<p>vérifiée. Un nouveau dispositif expérimental a été développé dans le but de mieux décrire l’évolution de la résistance et de la capacité de<p>déformation en traction du béton jeune. Les indicateurs globaux (macroscopiques) apparaissent plus sensibles que les indicateurs de la microstructure pour rendre compte des différences de comportement observées. L’évolution du module élastique, du retrait plastique et endogène corrélées à l’évolution de la capacité de déformation et de la résistance en traction permettent de mieux caractériser le risque<p>potentiel de fissuration par retrait empêché. La fin de prise correspond à une phase critique. L’influence de la saturation des granulats est<p>indirecte, et résulte des variations du rapport Eau d’ajout/Ciment, à rapport Eau efficace/Ciment constant. La nature des granulats intervient au niveau des évolutions relatives de la résistance en traction et du module élastique. La méthodologie peut être appliquée à l’étude d’autres types de bétons et d’autres paramètres de formulation. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les barrières thermiques sont destinées à protéger les aubes de turbine du moteur SNECMA-M88. Une sous-couche antioxydante (NiAl-Pt) lie le substrat à une couche de céramique (ZrO2-7% Y2O3 EBPVD).<br>La rhéologie de NiAl-Pt a été étudiée dans les domaines fragile et viscoplastique et un critère de fissuration en fatigue a été établi et appliqué à la fatigue thermique.<br>L'étude de la barrière thermique complète s'intéresse à sa résistance interfaciale après une préoxydation à 1100°C, à sa tenue en fatigue oligocyclique isotherme à 1100°C et en fatigue anisotherme entre 100°C et 1100°C. Une préoxydation à 1100°C d'éprouvettes adaptées, suivie d'une traction monotone à température ambiante, induisent un délaminage cohésif à l'interface sous-couche/alumine, qui est affecté par une cavitation. L'écaillage des deux oxydes (alumine et zircone) peut ensuire survenir. Le délaminage est aussi étudié localement par des essais d'indentation interfaciale. La fatigue oligocyclique isotherme à 1100°C, conduites avec différents types de chargement, montrent une fissuration transverse de la sous-couche. Le délaminage qui affecte parfois l'interface alumine/sous-couche est lié à la cavitation. La sollicitation anisotherme produit une multifissuration au début de l'essai et une cavitation incluse dans l'alumine. Il en résulte un délaminage adhésif localisé près de l'interface alumine/zircone.<br>L'état de contrainte d'origines thermique, mécanique et résultant de la croissance de l'alumine, ainsi que les distributions d'épaisseurs d'alumine et de tailles de cavités interfaciales ont été quantifiées. Ces deux derniers paramètres ont été corrélés à la courbure du substrat en conditions isothermes. Une modélisation donne une estimation de l'énergie de rupture interfaciale. En conditions anisothermes, la cinétique d'oxydation ne peut plus être relié à la seule courbure du substrat. Un modèle basé sur des réinitialisations de la cinétique isotherme décrit bien l'expérience.

Lors de leur construction, les structures massives (ex. les enceintes de confinement des centrales nucléaires) sont soumises à des déformations dues à l’hydratation du béton. En effet, d’une part la réaction chimique du ciment avec l’eau est exothermique et thermo activée, ce qui induit des déformations de dilatation puis de contraction. D’autre part une dépression capillaire étant créée par la consommation d’eau due à l’hydratation du ciment, des déformations de contraction se produisent. Lorsqu’elles sont empêchées par la partie de la structure déjà construite, ces déformations volumiques induisent des contraintes de compression puis de traction pouvant causer une fissuration traversante augmentant alors sensiblement la perméabilité du béton. Mon travail de thèse a consisté à caractériser le comportement au jeune âge du matériau que l’on utilise (basé sur la formulation utilisée lors de la construction d’une enceinte) puis à mettre au point un essai permettant d’étudier la fissuration d’une éprouvette de béton soumise à des déformations empêchées lors de son durcissement. Ce nouvel essai est en fait une évolution de l’essai à l’anneau de retrait gêné permettant de prendre également en compte les déformations d’origine thermique. Les essais de caractérisation concernent essentiellement, d’un point de vue macroscopique, le retrait (endogène et thermique), le fluage (propre et thermique transitoire) et l’évolution des caractéristiques mécaniques (résistance à la compression, à la traction et module d’élasticité). La campagne d’essais réalisée avec ce nouveau dispositif, appelé essai à l’anneau thermique actif, et l’analyse numérique de ces essais par des simulations aux éléments finis (basées sur un modèle viscoélastique endommageable introduisant un couplage entre le fluage et l’endommagement) a permis d’évaluer ce couplage, d’identifier la diminution de résistance en traction due à une reprise de bétonnage et de quantifier l’effet des armatures sur le comportement du béton. Des mesures de transfert d’air sec à travers une éprouvette fissurée ont également été réalisées sur ce dispositif. Finalement, des simulations numériques d’ouvrages massifs ont mis en exergue l’influence des conditions de restriction du retrait sur le faciès d’endommagement et l’influence du couplage fluage fissuration sur le calcul des ouvertures de fissures. / At early-age, massive concrete structures (ex. nuclear power plant) are submitted to strains due to the hydration reaction. If they are restrained, crossing cracks can occurs. This cracking may increase significantly the concrete wall permeability. The objectives of this work was to characterize the early age concrete behavior (thermal and endogenous shrinkage, basic and thermal transient creep, mechanical characteristic evolution) as well as develop a new device to study the early age cracking of a concrete structure submitted to restrained shrinkage.The experimental campaign achieved with this new device (called thermal active ring test) and the numerical analysis of the test thanks to finite element simulations allows us to evaluate the coupling betwwen creep and damage, to identify the tensile strength decrease due to construction joints and to quantify the effect of reinforcement on the concrete behaviour. Moreover, with this device, permeability measurements have been performed on a cracked specimen. Finally, numerical simulations of massive structures highlight the influence of boundary conditions for restrained shrinkage and the influence of the coupling between creep and damage on the damage pattern.

Au cours de cette thèse, nous avons développé un outil numérique, basé sur une formulation intégrale en éléments de frontière, qui permet une analyse classique du comportement d'une fissure 3D soumise à des sollicitations mécaniques complexes. Cet outil industriel est destiné à être intégré dans un code de calcul à usage industriel. Dans le but d'appréhender l'impact de la microstructure sur le comportement en fissuration fragile, nous nous sommes intéressés aux modèles de comportement non local. Nous avons commencé par adopter le modèle de comportement élastique non local de Eringen, qui permet de décrire plus finement le comportement élastique au voisinage de la fissure en prenant en compte les interactions à longue distance au sein du matériau. Cette modélisation du comportement conduit, contrairement à l'approche classique, à un un champ de contrainte fini sur le front de la fissure et localement maximal en avant du front. Ces résultats montrent qu'il est possible de prévoir la stabilité et la direction de propagation de la fissure à l'aide d'un critère plus simple et plus naturel, basé sur les variations du champ de contrainte au voisinage du front de la fissure. La stratégie numérique adoptée permet de traiter indifféremment des cas de fissure en traction, compression, cisaillement ou sollicitation mixte. L'intérêt de l'approche non-locale étant clairement démontré, nous avons considéré la version améliorée du modèle de Eringen telle que proposée par Polizzotto. Cette modélisation est la plus appropriée pour les milieux finis et requiert une mise en oeuvre numérique particulière. Les bases d'une méthodologie numérique, initiée par R. Kouitat ont été établies. Cette méthode est fondée sur un couplage des éléments de frontière avec une méthode de collocation par points d'équations aux dérivées partielles. Les premiers résultats obtenus dans ce cadre sont très encourageants et montrent qu'il sera effectivement possible de traiter le phénomène irréversible de fissuration de la même façon que les problèmes de plasticité / In this thesis, we have developed a numerical tool, based on a classical boundary elements method, which allows a conventional analysis of a stationary crack in a 3D specimen under complex mechanical loading. In order to assess the impact of the microstructure on the brittle fracture, we were interested in non local models of behavior. First, we have adopted the non local elastic model due to Eringen. This refined constitutive equation allows to account for long range interactions in the description of the elastic behavior in the vicinity of the crack front. Unlike the traditional approach, this type of model leads to a finite stress field at the crack front. Moreover, the stress is locally maximal ahead of the front. These interesting results indicate that it is possible to predict the stability and direction of crack propagation in a simple and more naturel way by using stress based criteria. The implemented numerical strategy can handle cases of crack in tension or compression, under shear stress or mixed loadings. Having clearly highlighted the interest of non local models, we have adopted the improved version of Eringen elastic model as proposed by Polizzotto. This elastic model is applicable to finite domains and requires a specific numerical treatment. The basis of such a numerical strategy initiated by R. Kouitat has been established. The method couples the conventional boundary element method with local point interpolation of a strong form differential equation. Promising results are obtained and show that with such modeling of material behavior, it is possible to describe the irreversible process of fracturing in a similar way as plasticity