Ce mémoire de thèse s'intéresse au comportement du béton sous chargement triaxial sévère. L'étude est réalisée dans le contexte plus général de la compréhension du comportement du béton sous impact, ce qui induit des états de contraintes triaxiales de très haute intensité. Afin de reproduire des niveaux de contraintes très élevés avec des chemins de chargement bien contrôlés, des essais triaxiaux statiques sont réalisés sur des échantillons de béton au moyen d'une presse triaxiale de très grande capacité. Nous nous sommes intéressés à l'influence des granulats, qui occupent environ 40% du volume du béton. Plus précisément, les effets de la forme et de la composition chimique des granulats sont étudiés pour des compression triaxiale entre 0 et 650 MPa de confinement . On considère à la fois la réponse macroscopique et les modes de rupture. La forme des granulats semble peu influencer le comportement du béton, alors que les effets de leur composition sont assez importants, quelque soit le confinement. La deuxième partie de la thèse est consacrée à une modélisation numérique du béton. L'objectif principal de ce travail numérique est de développer un modèle très simple en termes de lois d'interaction et d'introduire l'hétérogénéité du béton au niveau mésoscopique. Un modèle mésoscopique du béton est ainsi établi dans le cadre des éléments discrets. On étudie l'influence des propriétés des granulats et de l'interface graulats/mortier sur les courbes contrainte-déformation et les mécanismes d'endommagement. D'autre part, l'influence des vides est étudiée en utilisant des échantillons mono-phasiques avec différentes caractéristiques des vides. Un comportement complexe non linéaire, résultant de la présence, des vides est observé. Par ailleurs, les résultats numériques complètent, et permettent de mieux comprendre, les résultats expérimentaux. / This PhD thesis focuses on identifying concrete behavior under high triaxial loading. The study is carried out within a more general context of understanding the behavior of concrete under impact, which induces very high-intensity triaxial stress states. In order to reproduce very high stress levels with well-controlled loading paths, static triaxial tests are carried out on concrete samples by means of a very high-capacity triaxial press. We are interested in the influence of coarse aggregates, which occupy approximately 40% of the concrete volume. More specifically, the effects of coarse aggregate shape and composition on concrete behavior for triaxial compression tests ranging from 0 to 650 MPa of confinement are investigated. Both macroscopic response and failure patterns are concerned. Coarse aggregate shape seems to have only a slight influence on concrete behavior while the effects of coarse aggregate composition are quite important over whole range of confining pressures. The second part of the thesis is devoted to a numerical modeling of concrete. The main objective of this numerical work is to develop a very simple model in terms of interaction laws and introduce concrete heterogeneity at the mesoscopic level. A mesoscopic model of concrete is thus established within the discrete element framework. The effects of coarse aggregate and aggregate/mortar interface properties on the stress-strain curves and damage mechanisms in a concrete sample are investigated. On the other hand, the influence of voids is studied using one-phase samples having different void properties. A complex, nonlinear behavior of a numerical specimen arising from the void structuring is observed. The numerical results complete and allow better understanding of experimental observations.

Ce mémoire de thèse traite de l'influence de la porosité et de l'eau libre qu'elle est susceptible de contenir sur le comportement du béton sous sollicitations sévères. Ces travaux s'inscrivent dans le cadre d'étude plus général de la vulnérabilité des ouvrages massifs en béton armé. Dans ce contexte on s'intéresse particulièrement au comportement du matériau et des structures sous impact. Le laboratoire 3SR dispose d'une presse triaxiale de grande capacité, baptisée GIGA, permettant d'atteindre des niveaux de contrainte de l'ordre du GPa , appliqués de manière quasi-statique, sur des échantillons de béton. Des études expérimentales sur un béton de référence (R30A7) montrent l'influence majeure de l'eau sur le comportement du béton fortement confiné (VU, 2009). Ces mêmes travaux montrent par ailleurs que l'influence du rapport Eau/Ciment, importante en compression simple diminue avec l'augmentation du confinement. Le premier objectif de ces travaux de thèse est de mieux comprendre l'effet de la porosité sur le comportement du béton sous forts confinements. Dans cette optique deux bétons sont formulés. L'un avec une porosité diminuée par rapport au béton de référence R30A7 et l'autre avec un porosité plus importante. Les résultats des campagnes d'essais montrent qu'effectivement la porosité ne joue plus de rôle prépondérant à forts confinements (400 MPa) sur la résistance du béton. En revanche la déformabilité du béton reste dépendante de la porosité globale du matériau. Le deuxième objectifs de cette thèse est d'approfondir la connaissance des effets de l'eau sur le comportement du béton. Pour cela, des essais sur les deux bétons saturés précédemment formulés sont réalisés. Les résultats montrent les mêmes effets de l'eau que ceux observés sur le R30A7 mais influencés également par la porosité du matériau. Des essais sur béton humides sont également réalisés afin de compléter cette étude. Enfin, cette thèse propose le développement d'essais triaxiaux avec mesure de la pression interstitielle et le développement d'un capteur de déformation radiale adapté aux essais sous forts confinements. / This thesis deals with the influence of the porosity and the saturation ratio on concrete behavior under severe stress. This work is part of a more general study of the vulnerability of massive reinforced concrete frame. In this context, studies focuses particularly on the behavior of the material and structures under impact. 3SR laboratory has a large capacity triaxial press, called GIGA, to achieve stress levels of the order of GPa, applied quasi-statically on concrete samples. Experimental studies on a reference concrete (R30A7) show the major influence of water on the behavior of highly confined concrete (VU, 2009). These same studies also show that the influence of Water/Cement ratio, high in simple compression test, decreases with increasing confinement. The first objective of this thesis is to better understand the effect of porosity on the behavior of concrete under high confinement. In this context two concretes are formulated. One with a reduced porosity relative to the reference concrete R30A7, and the other one with a greater porosity. The results of test campaigns show that the porosity don't play an important role under strong confinement (400 MPa). At the other hand, the deformability of the concrete remains dependent on the overall porosity of the material. The second objective of this thesis is to improve the knowledge of the effects of water on the behavior of concrete. For this, test on both saturated concrete made previously, are carried out. The results show the same effects of water than those observed on the R30A7 but also influenced by the porosity of the material. Tests on wet concrete are made to complete this study. Finally, this thesis proposes the development of triaxial tests with measurement of pore pressure and the development of a radial stress sensor specially adpated for strong confinement.

Le béton est un matériau dont le comportement est complexe, notamment dans le cas de sollicitations extrêmes. L’objectif de cette thèse est de caractériser expérimentalement le comportement du béton lorsque celui-ci est soumis à des sollicitations générées par un impact (compression confinée et traction dynamique) ; et de développer un outil numérique robuste permettant de modéliser son comportement de manière fiable. Dans la partie expérimentale, on a étudié des échantillons de béton provenant du centre de VTT (Centre de recherche technique en Finlande). Dans un premier temps, des essais statiques de compression triaxiale dont le confinement varie de 0 MPa (compression simple) à 600 MPa ont été réalisés. On observe que, sous l’effet de confinement la rigidité du béton devient plus importante à cause de la réduction de la porosité. Par conséquent, la résistance maximale au cisaillement du béton est augmentée. La présence d’eau joue un rôle important lorsque le degré de saturation est élevé et le béton est soumis à un fort confinement. Au delà d’un certain seuil de confinement, la résistance maximale au cisaillement diminue avec l’augmentation de la teneur en eau. L’eau influence également le comportement volumique du béton. Lorsque tous les pores libres du béton sont fermés sous l’effet de la compaction, la faible compressibilité de l’eau s’oppose à la déformation du béton, de sorte que le béton humide est moins déformé que le béton sec pour une même contrainte moyenne. Le deuxième volet du programme expérimental concerne des essais de traction dynamique à différentes vitesses de chargement, et à différents états d’humidité du béton. Les résultats obtenus montrent que la résistance en traction du béton C50 peut augmenter jusqu’à 5 fois par rapport à sa résistance statique pour une vitesse de déformation de l’ordre de 100 s-1. Dans la partie numérique, on s’intéresse à développer le modèle de comportement du béton PRM couplé (Pontiroli-Rouquand-Mazars) capable de prédire le comportement du béton sous impact. Ce modèle repose sur un couplage entre un modèle d’endommagement capable de décrire des mécanismes de dégradation et de fissuration du béton à faible confinement et un modèle de plasticité permettant de simuler le comportement du béton sous très fort confinement. L’identification du modèle a été réalisée avec les résultats des essais expérimentaux. L’amélioration du modèle, notamment sur le modèle de plasticité, porte sur trois points principaux : prise en compte de l’effet de la contrainte déviatoire dans le calcul de la contrainte moyenne ; de l’effet de l’eau avec la loi poro-mécanique au lieu de la loi des mélanges ; amélioration de la variable de couplage entre le modèle d’endommagment et le modèle élastoplastique avec une prise en compte de l’angle de Lode. Ces améliorations ont ensuite été validées par une confrontation des résultats numériques obtenus et des essais de type impact qui démontrent la fiabilité de la prédiction du modèle. Le modèle amélioré est capable de reproduire le comportement du béton sous différents trajets de chargement et à différents niveaux de confinement tout en tenant compte du degré de saturation du béton. / Concrete is a material whose behavior is complex, especially in cases of extreme loads. The objective of this thesis is to carry out an experimental characterization of the behavior of concrete under impact-generated stresses (confined compression and dynamic traction) and to develop a robust numerical tool to reliably model this behavior. In the experimental part, we have studied concrete samples from the VTT center (Technical Research Center of Finland). At first, quasi-static triaxial compressions with the confinement varies from 0 MPa (unconfined compression test) to 600 MPa were realized. The stiffness of the concrete increases with confinement pressure because of the reduction of porosity. Therefore, the maximum shear strength of the concrete is increased. The presence of water plays an important role when the degree of saturation is high and the concrete is subjected to high confinement pressure. Beyond a certain level of confinement pressure, the maximum shear strength of concrete decreases with increasing water content. The effect of water also influences the volumic behavior of concrete. When all free pores are closed as a result of compaction, the low compressibility of the water prevents the deformation of the concrete, whereby the wet concrete is less deformed than the dry concrete for the same mean stress. The second part of the experimental program concerns dynamic tensile tests at different loading velocities, and different moisture conditions of concrete. The results show that the tensile strength of concrete C50 may increase up to 5 times compared to its static strength for a strain rate of about 100 s-1. In the numerical part, we are interested in improving an existing constitutive coupled model of concrete behavior called PRM (Pontiroli-Rouquand-Mazars) to predict the concrete behavior under impact. This model is based on a coupling between a damage model which is able to describe the degradation mechanisms and cracking of the concrete at weak confinement pressure and a plasticity model which allows to reproduce the concrete behavior under strong confinement pressure. The identification of the model was done using the results of experimental tests. The improvement of this model, especially the plasticity part, focuses on three main points : taking into account the effect of the deviatoric stress in the calculation of the mean stress; better accounting for the effect of water using poromechanical law instead of mixing law, improvement of the coupling variable between the damage model and the elastoplastic model with consideration of the Lode angle. These improvements were then validated by comparing numerical results and impact tests. The improved model is capable of reproducing the behavior of concrete under different loading paths and at different levels of confinement pressure while taking into account the degree of saturation of concrete.