La prise en compte du développement des couches de corrosion d'armature dans les calculs de durée de vie d'ouvrage en béton armé nécessite une bonne connaissance des propriétés mécaniques de ces produits. Ce travail est consacré à la caractérisation des propriétés mécaniques de ces couches de produits de corrosion. L'approche adoptée consiste en une identification des propriétés de la microstructure complétée par des calculs d'homogénéisation en élasticité linéaire afin de calculer un comportement mésoscopique des couches de produits de corrosion. L'étude comprend une série de campagnes expérimentales à l'échelle de la microstructure. Des essais de microindentation Vickers analysés par une approche de modèle de mélanges gaussien ont permis l'acquisition de duretés et modules d'élasticité locaux. Une analyse des principaux composants est réalisée par microspectrométrie Raman. L'étude à l'échelle microscopique fournit les informations morphologiques et mécaniques nécessaires aux calculs d'homogénéisation en élasticité linéaire. La première approche a consisté en des calculs d'homogénéisation des milieux aléatoires par des schémas autocohérent et autocohérent généralisé. Dans une deuxième approche, et d'après les hétérogénéités importantes observées pour la microstructure qui ne présente pas de motif régulier, des calculs de modules effectifs ont été réalisés en employant la méthode des éléments finis sur des images 2D prises au microscope optique. Le corpus étant composé d'échantillons de provenances et d'âges divers, leurs microstructures ont été comparées

L'utilisation des Bétons autoplaçants (BAP) s'est considérablement développée au cours des dernières années et une attention grandissante est portée à l'étude de leurs propriétés mécaniques à l'état durci. Les spécificités de formulation de ces bétons (volume de pâte important, dosage élevé en additions minérales, rapport G/S (Gravillons/Sable) proche de 1, . . .) liées à leurs exigences de mise en oeuvre pourraient modifier leur comportement mécanique à l'état durci, comparativement aux bétons traditionnels vibres. Le comportement des BAP à haute température doit en particulier être évalué. Les matériaux testés sont 3 bétons de résistance courante dont 2 BAP et un BV. La particularité des BAP est le volume de pâte important. Des essais mécaniques (résistance à la compression, à la traction par flexion 4 points et mesure du module d'élasticité) ont été réalisés. Parallèlement à cela, la détermination de la porosité à l'eau, de la densité apparente, de la perte de masse ainsi que de la perméabilité aux gaz ont été étudiées. De plus, des observations microscopiques couplées à des analyses d'image et des analyses thermiques aident à préciser les causes physico-chimiques des phénomènes macroscopiques observes. Les résultats expérimentaux montrent des comportements significatifs entre les BAP et BV. Les essais de résistance à la compression ont permis de distinguer un gain de résistance entre 150 et 300°C. Ce gain est expliqué par une réhydratation de la matrice cimentaire due à la migration de l'eau à travers les pores pour les BAP, mais aussi à de meilleures propriétés liantes des hydrates formés. La réhydratation concerne les éléments anhydres de la pâte de ciment. Parallèlement à cette étude, un travail en collaboration avec l'Université d'Alabama concernant le comportement à haute température des bétons autoplaçants de granulats légers a été réalisé. Cette étude a permis de caractériser les propriétés mécaniques et les propriétés physico-chimiques de BAP de granulats légers (fabriques a Université d'Alabama (USA)). Pour cela, des éprouvettes prismatiques et cylindriques ont subi deux traitements thermiques différents : un chauffage de type incendie ISO-834 et un chauffage lent à 1°C/min. A travers cette étude, les BAP GN ont présenté une meilleure stabilité thermique à un incendie ISO-834. En ce qui concerne les propriétés physico-chimiques, nous avons constaté une similitude des comportements entre BAP GL et BAP GN du point de vue de la porosité, densité, analyses thermiques. Néanmoins, une diminution de la porosité est observe à 400°C. Elle peut être attribuée à un retrait des éprouvettes causant une diminution de volume. D'un point de vue mécanique, les BAP GL présentent une meilleure résistance résiduelle à la compression et à la flexion que le BAP GN. Donc, l'utilisation de GL améliore le comportement mécanique résiduel.

Dans les dernières années, les incendies majeurs dans les tunnels ont causé des dommages importants. Dans ces conditions extrêmes (la température dépasse rapidement 1200 °C), l'augmentation de pression dans les pores, la dilatation thermique empêchée, l'incompatibilité de dilatation thermique entre la pâte du ciment et des granulats, la déshydratation ... sont des principaux mécanismes de dégradation qui peuvent être à l'origine de l'écaillage. L'écaillage progressif pendant l'incendie se manifeste par le détachement de la surface du béton par petits morceaux réduisant ainsi la section résistante et pouvant conduire à une rupture prématurée de la structure. Dans cette thèse, un modèle éléments finis THM est enrichi par un modèle d'écaillage progressif en proposant un critère d'écaillage de type détachement-flambement. La partie thermo-hydrique du modèle THM est basée sur l'approche à trois fluides en milieux partiellement saturés. Le comportement mécanique est développé dans le cadre d'une approche thermo-poro-mécanique couplée à l'endommagement et à la plasticité adoucissante. Cette modélisation de l'écaillage conduit à un problème avec frontière et conditions aux limites évolutives. Une stratégie de résolution numérique sans remaillage a été développée pour transférer les conditions aux limites THM simultanément avec l'occurrence de l'écaillage. L'implémentation du modèle dans le code aux éléments finis CESAR-LCPC a permis de procéder à différentes études paramétriques et à des confrontations avec des essais pour évaluer les capacités opérationnelles du modèle à décrire l'occurrence de l'écaillage et identifier les paramètres majeurs qui la contrôlent

Depuis plusieurs années, la société MATIERE développe un nouveau type de renforcement des structures en béton reposant sur l'utilisation d'aciers plats crantés en substitution des aciers ronds à haute adhérence habituellement utilisés. Ce travail entre dans le cadre du programme de Recherche - Développement des techniques couvertes par les brevets de M. Marcel MATIERE. L'intérêt de ces nouveaux aciers plats crantés réside principalement dans leur géométrie qui permet d'envisager de nouvelles dispositions constructives associées à un gain sur l'épaisseur de béton, notamment au niveau de l'enrobage. Ces aciers sont principalement destinés aux éléments de type dalle ou aux voiles minces où ils permettront de réaliser les économies de béton les plus significatives. Cependant, aucune norme ou règlement ne prend en compte, à ce jour, ces nouveaux aciers. Une étude scientifique validée, principalement basée sur la modélisation numérique, s'est avérée nécessaire pour d'une part modéliser et comprendre l'interaction entre l'acier plat et le béton et, d'autre part, pour justifier que les méthodes de calcul traditionnelles restent applicables à ce genre de renforcement. Dans le cadre de la problématique de la fissuration, une stratégie de modélisation reposant sur une approche probabiliste multi-échelles a été développée. Cette approche multi-échelles ne consiste pas à développer une modélisation qui inclut, dans son formalisme, toutes les échelles, depuis l'échelle très locale jusqu'à l'échelle globale (une structure complète), mais à développer une panoplie de modélisations qui apportent des informations pertinences à l'échelle d'analyse choisie. Quelle que soit l'échelle considérée, la modélisation est succeptible de donner des informations sur l'ouverture et l'espacement de fissures. L'aspect probabiliste est essentiellement lié à l'hétérogénéité du matériau béton. Les modèles développés permettent aussi de tenir compte des effets d'échelle, propres aux matériaux hétérogènes, qui jouent un rôle prépondérant dans le comportement des structures en béton. Le travail de recherche a donc consisté à développer des outils de modélisation du comportement d'interface en parfaite cohérence avec l'échelle de modélisation des phénomènes envisagés, notamment au regard des processus de fissuration des structures renforcées par aciers plats. La démarche scientifique s'est appuyée sur une identification des paramètres de la modélisation par analyse inverse effectuée sur la base de résultats d'essais expérimentaux réalisés sur de grands tirants en béton armé par aciers plats. Les outils de modélisation ont ensuite été validés sur des modélisations du comportement en flexion de poutres-dalles de grandes dimensions comparées à des résultats d'essais expérimentaux. L'ensemble des essais expérimentaux, nécessaires à cette étude, ont été réalisés par Polytech' Clermont à la demande de l'entreprise MATIERE

Cette thèse a permis d'étudier la perméabilité du béton sous conditions thermiques et hydriques variables, ainsi que l'effet de fissuration. Nombreux essais (mesures de saturation et perméabilité, essai de compressions uniaxiales et triaxiales et hydrostatiques) ont été menés afin d'évaluer l'influence de la température et de la saturation sur le comportement hydraulique du béton sain et microfissuré. En parallèle, un dispositif de mesure de la perméabilité sur béton macro fissuré permet d'étudier le comportement d'une macro-fissure de béton confinée et soumise à écoulement de gaz sec ou l'air très humide à différentes températures. Les essais mécaniques multiaxiaux sont couplés aux mesures de perméabilité sur béton sain et micro-fissuré par gel-dégel, qui permet d'évaluer la perméabilité sous charge déviatorique et l'effet de préfissuration sous contrainte. Nous avons également effectué un essai de perméabilité relative du béton en fonction de la saturation en eau, soumis à la dessiccation ou à la resaturation, en conditionnant par les différentes humidités relatives imposées

L'objectif de cette thèse est de caractériser le comportement du béton à des niveaux de confinement axiale de l'ordre du GigaPascal. Il s'inscrit dans un cadre plus général de maîtrise du comportement du béton sous impact. Le béton étudié est un béton dont les propriétés sont proches de celles des bétons courants. Une presse triaxiale est utilisée pour caractériser le comportement triaxial du béton selon différents trajets de chargement. Ces essais montrent le caractère irréversible de la compaction des bétons et l'influence du chemin de sollicitation sur celle-ci. Les essais uniaxiaux confinés et proportionnels montrent l'existence d'états limites en contraintes et en déformations. La comparaison des seuils de déformation montre que la surface seuil ainsi définie est indépendante du chemin de sollicitation. La comparaison des résultats des premiers essais en extension indique une absence d'influence de l'angle de Lode pour les niveaux de contrainte atteints durant les essais. L'étude des faciès de rupture après essais montre une évolution de l'inclinaison des plans de rupture avec le confinement. La fissuration s'oriente perpendiculairement à la direction principale maximale de charge lorsque les niveaux de confinement augmentent. L'étude numérique réalisée permet d'évaluer la capacité du modèle PRM-couplé à reproduire les essais triaxiaux expérimentaux. Ce modèle reproduit bien la compaction isotrope du matériau ainsi que la surface seuil définie par les états limite. Son défaut majeur est de ne pas prendre en compte l'influence des contraintes déviatoires sur le comportement en compaction du béton.

Les structures en béton armé sont amenées à répondre à différentes exigences pouvant dépasser la simple résistance mécanique. Pendant le processus de fissuration, les contraintes dans le béton armé sont progressivement redistribuées entre l'acier et le béton via l'interface entre ces deux matériaux. Cette redistribution de contraintes a un impact direct sur l'état de fissuration final et doit donc être prise en compte dans la modélisation. Il existe différents modèles numériques capables de représenter les effets de la liaison acier-béton. Cependant, leur usage est, pour l'instant, incompatible avec les applications concernant les structures de grandes dimensions (difficultés de maillage, coût de calcul...). Dans ce cadre d'application, l'hypothèse de liaison parfaite entre l'acier et le béton (déplacement identique) est donc toujours utilisée. On se propose ici de développer un nouveau modèle éléments finis de liaison acier-béton qui soit à la fois représentatif des phénomènes physiques se produisant à l'interface entre les deux matériaux et compatible avec les contraintes de modélisation des structures de grandes dimensions. Ce travail de thèse se découpe en trois grandes parties : - le développement d'un modèle élément fini de liaison acier-béton adapté aux contraintes de modélisation des structures de grandes dimensions. Ce modèle numérique permet ainsi de tenir compte des interactions mécaniques entre le béton et les armatures d'acier représentées à l'aide d'éléments barres. - la caractérisation du comportement de la liaison acier-béton. Un modèle de loi d'adhérence (évolution de la contrainte d'adhérence en fonction du glissement) basé sur des observations expérimentales (campagne expérimentale de pull-out menée au cours de la thèse et données bibliographiques) est proposé. Il permet en particulier de différencier le cas d'une rupture par arrachement, d'une rupture par éclatement en tenant compte des caractéristiques matériaux et géométriques de la structure. - l'application du modèle proposé à un élément structurel (poutre). Un essai de poutre en flexion quatre points visant à caractériser l'évolution de la fissuration (évolution de l'ouverture de fissure mesurée à l'aide de la technique de corrélation d'images notamment) a ainsi été proposé. Ces résultats ont ensuite été comparés à ceux de simulations numériques tenant compte de la liaison acier-béton d'une part ou de l'hypothèse de liaison parfaite d'autre part. Les deux modélisations donnent une bonne approximation du comportement extérieur de la structure (comportement global et ouvertures de fissure des surfaces extérieures de la poutre). Le modèle de liaison acier-béton apporte cependant une meilleure caractérisation de la phase de fissuration active (apparition des fissures) et modifie plus particulièrement le comportement local de la structure à proximité directe des armatures (limitant le développement de l'endommagement du béton le long des renforts).

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.

Les bâtiments affectent fortement l'environnement à travers les consommations d'énergies et de ressources naturelles. Afin de limiter ces impacts, l'intégration de matériaux bio-sourcés dans la construction, tels que béton de chanvre, apparaît comme une solution pertinente. Les composites à base de chanvre présentent en outre un comportement hygrothermique spécifique conduisant à limiter les besoins énergétiques du bâtiment tout en assurant un bon niveau de confort ressenti. Ce type de matériau non porteur est utilisé en remplissage pourdifférentes applications (Mur, Dalle, Toit) et en enduit isolant. Cette thèse vient en appui du projet ANR " BetonChanvre " visant à optimiser la formulation de tels mélanges en liaison avec les process de fabrication des partenaires industriels et à caractériser les matériaux élaborés. Différents types de chanvre (fibré ou non, traité hydrofuge) et différents liants (chaux, sulfate de calcium) sont utilisés. Les formulations proposées dérivent de formulations de référence produites par les partenaires industriels. Les caractéristiques physiques des différents composites étudiés (masse volumique apparente, masse volumique réelle, porosités ouverte et totale) sont mesurées. Les propriétés hydriques sont quantifiées en régime permanent via la mesure des isothermes de sorption (adsorption/désorption) et de la perméabilité à la vapeur. Les isothermes de sorption sontmesurées selon la méthode discontinue par paliers successifs d'humidité relative croissante puis décroissante. La perméabilité à la vapeur est mesurée selon la méthode de la coupelle. Différents couples d'hygrométrie sont testés pour évaluer l'évolution de la perméabilité en fonction de la teneur en eau. La diffusivité hydrique est calculée à partir de la modélisation des isothermes de sorption et de la perméabilité à la vapeur. Enfinla caractérisation des performances mécaniques repose sur l'identification de la résistance à la compression, des modules de déformation (apparent et élastique) et de la contrainte résiduelle pour une déformation à 15%. L'impact du phénomène de vieillissement/carbonatation sur les caractéristiques hydriques et mécaniques est évalué sur des échantillons carbonatés en incubateur CO2. L'interprétation des résultats permet d'identifier différents principes de formulation en lien avec les performances hydriques et mécaniques finales ciblées pour le composite. Il en ressort que c'est l'association du liant avec le chanvre qui permet d'assurer des performances optimales. Toutefois, les optimum vis à vis des réponses hydrique et mécanique ne sont pas concordants.

Le béton de chanvre constitue une solution constructive conforme aux objectifs en matière de développement durable.Sa morphologie structurelle, induite par l'association de fibres végétales poreuses à une matrice minérale grenue, se traduit par une forte porosité et une densité limitée. Le béton de chanvre présente ainsi des propriétés hygrothermiques très intéressantes : sa faible conductivité thermique lui confère de bonnes capacités d'isolation et sa forte perméabilité au transport d'eau favorise le transfert d'humidité.En outre, il est caractérisé par un comportement thermohydrique hystérétique gouverné en humidité et en température qui conditionne l'évolution de ses propriétés. L'objectif de ce travail est d'évaluer sa réponse hygrothermique auxsollicitations climatiques, enjeu majeur pour le développement de cette solution technologique face aux problématiques énergétiques et de confort dans le bâtiment. La difficulté d'évaluation de cette réponse réside dans la complexitédes phénomènes couplés des transferts de masse et de chaleur auxquels est soumise la paroi. Le transfert d'humidité au sein de parois poreuses est régi par le transport diffusif d'eau sous forme liquide et vapeur. Le transfert de chaleur dans les milieux poreux humides est dû à plusieurs mécanismes simultanés comme la conduction thermique ou le phénomène d'évaporation-condensation. Par ailleurs, dans le cadre de la physique du bâtiment, les surfaces externes sont notamment soumises au rayonnement solaire, à la pluie ou aux phénomènes de convection mixte, naturelle et forcée, dus à la température d'air ambiant et au vent ou aux systèmes de ventilation.Dans un premier temps, un modèle numérique de transferts hygrothermiques HAM (Heat, Air and Moisture) prenant en compte ces phénomènes a été développé. Afin d'alimenter ce modèle numérique, l'étude est par ailleurs focaliséesur la modélisation des propriétés thermiques et hydriques du matériau en s'appuyant sur les résultats de différents essais de caractérisation. Elle permet également d'appréhender l'effet d'une variation de la masse volumique du béton de chanvre sur ses propriétés. Les résultats du modèle sont alors confrontés aux mesures expérimentales réalisées sur une paroi en béton de chanvre placée dans une enceinte biclimatique dont les régulations suivent un programme choisi. Une analyse de sensibilité aux paramètres montre que le transfert thermo-hydrique est très influencé par le paramètreteneur en eau. La modélisation de l'effet hystérétique thermo dépendant qui conditionne la capacité de stockage hydrique et influe sur le transport de masse et de chaleur s'avère nécessaire pour bien appréhender le comportement du matériau. La prise en compte du phénomène d'hystérésis sur l'évolution de la teneur en eau produit ainsi des résultats de simulation pertinents en accord avec les réponses expérimentales obtenues sous sollicitations hydriques et thermiquescycliques.En outre, le travail est étendu à l'étude numérique de l'influence de la nature et de l'épaisseur d'une couche d'enduit apposée sur les surfaces externes de la paroi en béton de chanvre. Finalement, la notion de confort hygrothermique est discutée en configuration réelle d'utilisation sous sollicitations climatiques typiques annuelles.